航班受GPS干擾導致ADS-B地面站輸出位置異常現象研究

摘 ?要：ADS-B系統因其具有建設和維護成本低，定位精度高，數據更新率高等優點而在民航監視領域中大放異彩，其安全運行已經成為影響中國民航活動正常開展的重要因素。但ADS-B地面站設備和機載設備易受電磁干擾，且自從ADS-B信號正式接入自動化系統提供監視服務后，ADS-B設備受到干擾事件屢見不鮮。文章通過研究航班受GPS干擾導致ADS-B地面站輸出位置異常現象，總結了相應類似異常事件的處理經驗。

關鍵詞：ADS-B;GPS干擾;自動化系統;偏航

中圖分類號：TN929.5;V355.1 ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0045-06

Study on the Phenomenon of Abnormal Output Position of ADS-B Ground Station Because of the Flight is Being Disturbed by GPS

YI Zhenning

（Guilin Air Traffic Management Station of Civil Aviation of China， Guilin ?541106， China）

Abstract： ADS-B system shines brightly in the field of civil aviation monitoring because of its advantages of low construction and maintenance cost， high positioning accuracy and high data update rate. Its safety operation has become an important factor affecting the normal development of civil aviation activities in China. However， ADS-B ground station equipments and airborne equipments are vulnerable to electromagnetic interference. Since ADS-B signal is officially connected to automation system to provide monitoring service， ADS-B equipment is frequently disturbed. By studying the phenomenon of abnormal output position of ADS-B ground station because of the flight is being disturbed by GPS， this paper summarizes the handling experience of corresponding similar abnormal events.

Keywords： ADS-B; GPS interference; automation system; yawing

0 ?引 ?言

廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast， ADS-B）系統由于其建設成本低（地面站成本約為傳統二次雷達的九分之一），維護成本低，使用壽命長，定位精度高（可達10 m量級），數據更新周期快（1秒1次）等優點，已經逐漸在民航監視領域中占據重要地位。我國把加快完善ADS-B建設納入民航發展“十三五”規劃實施工作中，在“十三五”末期，全國所有航路、終端區及機場幾乎都已具備ADS-B運行能力[1]。

在2020年中，中國民航已全面啟動全國ADS-B管制運行，ADS-B信號正式接入到自動化系統中，為管制及其他用戶提供監視服務。而在中、長期發展計劃中，我國已確立ADS-B技術作為中國民航主要的監視手段。因此，ADS-B設備的安全運行已經成為影響中國民航活動正常開展的重要因素。

而近年來，隨著ADS-B設備的大面積鋪設，ADS-B地面設備和機載設備易受干擾的缺點也漸漸凸顯出來，各地ADS-B設備受到電磁干擾、人為模擬假目標干擾、GPS干擾等報告屢現不窮，對各地民航空中交通管理部門技術保障部門的技術保障能力提出了更高的要求。本文通過分析近期桂林空管站出現的ADS-B機載設備受到地面GPS干擾器干擾導致其下發位置數據異常，最終致使自動化系統融合航跡出現偏航現象的事件，總結了相應類似異常事件的處理經驗，期望能為民航技術保障人員在相關事件的處理中提供一些參考。

1 ?異常現象描述

2021年3月3日10點31分左右，在桂林機場準備降落的航班號為FZA6559，二次代碼為A0140的航班在萊斯自動化系統顯示終端上顯示的融合航跡出現偏離航路現象，過程持續約2分鐘，于10點33分左右恢復正常。由于目標跳變的位置處于最低安全高度告警區且偏離航向道，觸發了最低安全高度告警和進近下滑道監視告警。技術保障人員在自動化系統中通過回放查看單路信號航跡，發現是由于ADS-B信號位置數據異常引起的，萊斯自動化不同監視源顯示對比如圖1所示。

2 ?現象分析

2.1 ?融合航跡偏航分析

桂林自動化系統引入了多路雷達信號和ADS-B信號，形成融合航跡后，顯示于管制員席位終端上。信號路由如圖2所示。

主用自動化系統型號為南京萊斯NUMAN3000，運行版本為V3.2。其多監視源信號融合算法機制為：

（1）通過參數SDP_CREDIBLE_OF_RAD_ADSB來判斷雷達信號與ADS-B信號的可信度。

（2）假如ADS-B信號的可信度比雷達信號的高，則融合航跡直接取ADS-B信號數據，而拋棄雷達數據信號，反之亦然。

（3）若ADS-B信號的可信度與雷達信號的可信度一致，系統在設計時考慮了ADSB的精度對合成航跡的影響，在可信的ADSB信號參與融合下，融合航跡的位置計算優先與ADSB報告位置保持一致，沒有調入濾波程序去計算位置。

事件發生前，ADS-B信號較穩定，為保障低空雷達盲區的覆蓋，數據站、自動化系統均未設置過濾低位置精度數據，因此低位置精度ADS-B數據得以進入自動化系統產生融合，又由于ADS-B信號可信，融合航跡直接與ADS-B信號位置保持一致，而又未經過濾波，最終導致融合航跡偏航。

2.2 ?ADS-B信號位置數據異常分析

進入自動化系統的ADS-B信號是由各遠端地面接收站接收后將各路CAT21報送至數據站融合后產生的。在數據站QOS終端回放查看有監視到相應事件發生地點的單路遠端接收站信號，發現豬練塘定向站、豬練塘全向站、堯山全向站三個地面站均有監視到該異常目標，而且該目標在三個單路地面站信號流中均出現相同偏航現象。由此可大致推斷異常現象可能是由于機組下發位置數據異常導致。

提取上述三個地面站記錄的CAT21目標報文數據進行解析，定位至異常發生時間點，發現報文中的目標位置確實向西偏離航線1.6千米左右。進一步查看數據質量指示項（Quality Indicators），發現在偏航時間段內目標下發的導航位置不確定類別（Navigation Uncertainty Category for position， NUCP）的值為0，而其他正常時間段內，該值為6或7，偏離航線起始位置與結束位置如圖3、圖4所示。

ADS-B CAT21報文中的位置信息及其質量指示均來自GPS系統。而對GPS系統來說，其定位信息的完好性和精度分別通過水平保護門限（Horizontal Protection Level， HPL）和水平位置質量因子（Horizontal Figure of Merit， HFOM）來衡量[2]。其中HPL定義為以GPS定位位置為圓心的圓半徑，可保證在特定概率下（通常定義最大漏檢概率為10-7）機載GNSS系統的真實位置必定落入該圓中。而HFOM定義為以GPS定位位置為圓心的圓半徑，可保證在特定概率下（通常為95%）機載GNSS系統的真實位置必定落入該圓中。兩者定義類似，但是用途不同，HPL主要用于確定兩架飛行器之間的安全飛行間隔，與水平告警門限（Horizontal Alarm Limit， HAL）相比可確定接收機自主完整性檢測（Receiver autonomous integrity monitoring， RAIM）是否可用，而當飛行器之間的距離間隔達到HFOM時，兩者已經有一定可能性發生相撞，HPL和HFOM定義圖解如圖5所示。

圖5 ?HPL和HFOM定義圖解

為壓縮飛機下發信息的數據量，RTCA DO260標準中定義了導航位置不確定類別NUCP，用于對水平位置數據的完好性和精度進行編碼。在隨后發布的DO260A和DO260B標準中，已經被導航完整性類別（Navigation Integrity Category， NIC）、監視完好性水平（Surveillance Integrity Level， SIL）及導航精度類別（Navigation Accuracy Category， NAC）所替代[3，4]，以滿足用戶對位置信息精度和完好性更高的要求，但目前并非所有的機載ADS-B設備都能支持DO260A或DO260B標準。NUCP編碼標準如表1所示[5]。

《廣播式自動相關監視（ADS-B）管制運行規程》中明確規定，ADS-B位置報告數據的NUCP值不得低于5，如果低于5，若在管制員人機界面上顯示ADS-B位置報告時，應當對管制員給出視覺提示，或者在管制員人機界面上不顯示其位置報告。

當NUCP的值為0時，表明該目標下發的水平位置信息不可用，其位置精度過差因而導致目標顯示偏航。

由于異常現象存在區域性，考慮該區域內存在GPS干擾源。

3 ?GPS干擾分析

導航星全球定位系統（Navistar Global Positional System，GPS）有21顆工作衛星和3顆在軌的備用衛星，它們平均配置在六個軌道上。GPS衛星主要發射用偽隨機碼調制的已調制信號，載波為L波段的兩種頻率信號，L1為1 575.42 MHz，L2為1 227.6 MHz，其中調制信號為測距碼和導航電文兩種，而測距碼又包括C/A碼和P（Y）碼。目前民用的頻段為L1頻段，而測距碼使用C/A碼。GPS接收機先通過接收來自衛星的導航電文，利用其中包含的星歷資料計算衛星位置;然后利用測距碼測量測者到衛星的距離;最后解算導航方程解出測者位置的經緯度，計算三維坐標加上用戶鐘差，至少需要4顆衛星[6]。

機載GPS接收機主要接收L1頻段的C/A碼和導航電文，載波中心頻率為1 575.42 MHz，帶寬為20.46 MHz。下面粗略計算到達地面的GPS信號強度。

設衛星至地面的平均距離為D=20 000 km，則其L1頻段（F=1 575.42 MHz）已調制波信號經由自由空間傳播的衰減為：

L（dB）=32.44+201lgF+201gD=182.4 dB ? ? ? ? ? ?（1）

按照GPS系統設計指標，L1頻段的C/A碼信號的發射有效通量密度（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）為P=56.8 dBm[7]，若大氣層衰減為A=2.0 dB，則GPS系統L1頻段C/A碼信號到達地面的強度為：

Pc/a=P-L-A=56.8-182.4-2=-127.6 dBm ? ? ? ? ? （2）

由此可知，GPS衛星發送的已調制信號到達地面時信號微弱，本例中被干擾的飛機在被干擾區域已經下降至400 m高度，極易受到大功率GPS干擾器的壓制式干擾。

4 ?GPS干擾源處理

聯系廣州通信網絡中心相關技術人員，使用其研制出的基于ADS-B信號的航空器GPS干擾識別工具，通過提取航空器下發的ADS-B目標報文內的質量指示數據項，對低質量的目標位置進行標注，再利用熱力圖技術和百度地圖API，制作出如圖6所示的GPS干擾源熱力圖，極大地縮小了干擾源排查區域。

向廣西桂林市無線電監測中心發送GPS干擾投訴后，無線電監測中心聯合機場公安、桂林空管站等部門人員前往熱力圖定位的干擾地區進行排查。通過使用NARDA Signalshark S3310頻譜儀對干擾源進行多點檢測以及交叉定位，最終將干擾源鎖定在一臺大型挖掘機上，確定干擾源為安放在該挖掘機上的GPS屏蔽設備。拆除該屏蔽設備后，GPS干擾隨之消除。

從圖7中可知，GPS干擾器發射的干擾信號強度大、頻帶寬，完全覆蓋了L1頻段，并壓制了GPS信號，挖掘機上安裝的GPS干擾器實物圖如圖8所示。

5 ?空管技保部門應對措施

由于在雷達管制區域雷達和ADS-B混合應用實施的年限尚淺，設備生產廠家及空管技術保障部門對很多潛在的危險源無法有效預估，需要時間來積累經驗并改進服務性能。空管技術保障部門應對航班受GPS干擾危險源進行管控，可通過兩方面進行：一方面是設備因素，比如在ADS-B目標傳輸鏈路上進行過濾設置，另一方面是管理因素，應建立完善的ADS-B故障應急處置流程，并應組織技術保障人員對異常現象進行學習和積極討論，總結處理經驗。

5.1 ?設備過濾設置

ADS-B目標傳輸鏈路主要有三個環節：ADS-B地面站、ADS-B數據站、自動化系統。目前桂林地區使用的地面站為ADS-B地面站，為四川九洲公司生產的JZDAK01RM型號設備，ADS-B數據站為南京萊斯公司生產的NUMAN2000型號設備，主用自動化系統為南京萊斯公司生產的NUMAN3000型號設備。

由于不同版本標準下的ADS-B位置報告數據精度指標不同，建議同時設置過濾。

5.1.1 ?地面站過濾設置

目前ADS-B地面站設備技術標準主要有RTCA DO-260系列《1 090 MHz擴展電文ADS-B和TIS-B最低運行性能標準》，EUROCAE ED-129《1 090 MHz擴展電文ADS-B地面站技術規范》，MH/T 4036-2012《1 090 MHz擴展電文廣播式自動相關監視地面站（接收）設備技術要求》，《1 090 MHz擴展電文廣播式自動相關監視地面站（接收）設備測試要求》（AC-115-TM-2012-02）等，這些標準內均未要求地面站具備對GNSS完好性和精度不足的目標報文進行過濾輸出的能力。參照以上技術標準生產的現役四川九洲公司JZDAK01RM型號的ADS-B地面站設備未提供針對GNSS完好性和精度不足的目標報文進行過濾輸出的功能。

5.1.2 ?數據站過濾設置

目前我國并未發布針對ADS-B數據站設備技術要求的行業標準，可參照的文件主要有咨詢通告《民用航空ADS-B數據處理中心系統運行最低功能與性能要求》（AC-115-TM-2014-02）、咨詢通告《民用航空ADS-B數據處理中心系統配置要求》（AC-115-TM-2014-01）、《廣播式自動相關監視（ADS-B）管制運行規程》（AC-93-TM-2011-01）、《中南地區廣播式自動相關監視（ADS-B）系統監視服務指導原則（初稿）》、《中南地區空管系統ADS-B管制運行指導材料》等。上述文件中有明確要求數據站可對GNSS完好性和精度不足的ADS-B信息進行過濾，指標應包括NUCP、NIC&SIL等質量指標數據項，對于不同版本的ADS-B機載設備，可應用不同的指標。

南京萊斯公司生產的NUMAN2000型號三級數據站可支持對每一路ADS-B地面站信號進行低質量信息過濾，為應對GPS干擾等影響管制活動正常進行的情形，應對低質量信息設置過濾，萊斯ADS-B數據站過濾設置如圖9所示。

5.1.3 ?自動化系統過濾設置

《中南地區廣播式自動相關監視（ADS-B）系統監視服務指導原則（初稿）》中明確要求：自動化系統應能將多監視源信息進行融合處理;同時可通過參數設置對于ADS-B位置報告數據精度指標（NUCP、NACP、NIC、SIL）低于運行設定標準的報文進行丟棄，不參與融合計算;若不予以丟棄，針對低質量的ADS-B信號，應給予明確的視覺提示。

目前桂林主用萊斯NUMAN3000自動化系統運行版本為V3.2，與NUCP相關的參數有ADSB_NUCP_CHECK和ADSB_NUCP_LIMIT。ADSB_NUCP_LIMIT設置過濾門限值。ADSB_NUCP_CHECK可設置為0、1或2：0表示不過濾;1表示不過濾，但對低質量ADS-B數據進行告警提示;2表示過濾低于門限值的ADS-B數據，因此上述兩項參數應分別設置為5和2。萊斯自動化系統過濾設置如圖10所示。

5.2 ?與廠家積極溝通

從之前的分析發現，萊斯自動化的融合機制存在缺陷，與廠家積極溝通與反饋，考慮優化融合機制，以處理低質量的ADS-B數據。

5.3 ?制定完備的處置方案

應制定ADS-B信號位置報告數據精度下降和信號中斷的應急處置方案并聯合管制部門制定在雷達管制區域內雷達與ADS-B混合應用場景下的ADS-B運行方式開啟和退出時設備保障的聯動方案。

5.4 ?加強技術保障力量

可組織技術保障人員梳理ADS-B信號傳輸鏈路上各相關設備的參數，深入了解并掌握相關參數配置操作，熟記應急處置流程以提高異常事件反應能力及設備維護能力。

可定期執行相應應急演練方案，以強化值班人員現場應急能力。

6 ?結 ?論

本文仔細梳理了ADS-B機載設備受到GPS干擾事件中的各項環節，詳細整理了ADS-B信號傳輸鏈路上涉及的工作機制，并提出了幾項空管技術保障部門可采取的措施，期望能為類似干擾事件提供一些參考。

參考文獻：

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[5] RTCA. RTCA DO-260/EUROCAE ED-102，Minimum operational performance standards for 1090MHz Automatic Dependent Surveillance-Broadcast （ADS-B） [S].Washington DC：RTCA，Inc.，2003.

[6] 謝鋼.GPS原理與接收機設計 [M].北京：電子工業出版社，2009.

[7] NIEUWJAAR P. Lecture Series No.161，The NAVSTAR GPS System：GPS signal structur [R].NATO AGARD，1988.

作者簡介：易振寧（1990.10—），男，漢族，廣西桂林人，工程師，學士學位，研究方向：甚高頻和雷達。