基于干涉儀測向的ADS-B抗欺騙技術研究

摘要：廣播式自動相關監視技術（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱ADS-B）相比于傳統監視系統具有定位精度高、更新速率快和設備成本低等優點，受到國際民航組織的大力推廣。但由于其共享開放式的特點使得系統容易受到各種欺騙式干擾的影響，嚴重威脅空中交通安全。本文介紹了ADS-B技術原理，分析了ADS-B技術缺陷，介紹了干涉儀測向技術和基于干涉儀測向的ADS-B抗欺騙系統工作流程。本文提出一種基于干涉儀測向的ADS-B抗欺騙技術，通過干涉儀測向的方法對所接收的ADS-B信號進行方向測定，并與ADS-B報文進行相關，通過比對ADS-B報文位置和測角結果，從而發現ADS-B報文中位置信息與其真實位置相差較大的欺騙信號。

關鍵詞：民航電信;ADS-B;信號干擾

廣播式自動相關監視因其低成本與硬件設施簡單等優越條件給空中交通管制提供極大的便利而得到廣泛的發展，目前大部分的商用飛機都配備了ADS-B硬件。ADS-B系統是基于目標自主報告位置信息來實現的，通過結合全球定位系統和其他機載設備，飛機周期地廣播其位置、速度和識別號等信息，以便其他裝配ADS-B設備的航空器和空中交通管制地面基站有效實時地掌握當前的空域狀況。但其信道不加密、數據協議公開等特點，使系統容易受到各種欺騙干擾的影響。其有效應用前提是對目標位置報告信息的充分信任，因此，當監視系統僅依靠ADS-B時，存在信息欺騙問題。

1.ADS-B技術原理

ADS-B技術是國際民航組織（ICAO）推薦使用的基于衛星的新一代交通運輸輔助技術，可以將太空中的衛星、空中機載設備、地面基站設備相結合，提供更高效、安全的空中交通管理手段。ADS-B系統的技術原理基本可以概括為民用航空飛機使用機載ADS-B系統通過機載傳感器接收全球衛星導航系統（GNSS）信號，并綜合機載導航系統信息，獲得飛機的經度、緯度和高度信息，通過ADS-B OUT向外部周期性廣播相關的飛行信息，經地面站和其他飛機接收到并解析后即可獲知飛機的空間位置。當飛機在無雷達區域飛行時，ADS-B可作為良好的監視信息來源，在雷達區也可作為監視信息的有效補充。

目前民航業的快速發展、航線不斷增加都對民用空域利用提出了更高的要求，傳統的雷達問詢方式已經無法滿足監視性能的需求。根據我國《全面推進實施廣播式自動相關監視（ADS-B）空管運行工作總體方案》和民航局全面實施ADS-B空管運行要求，自2019年10月10日起，全國各現場應當具備在8400米（含）以上高空實施ADS-B管制或雷達和ADS-B管制融合運行的能力。這標志著ADS-B技術開始替代傳統雷達監視技術，發揮重要作用。

2.ADS-B技術缺陷和欺騙技術介紹

由于ADS-B廣播式、開放式、明文式的特點，在進行空地通信時均使用明文，對數據并不進行加密、解密、認證，因此可能會產生數據丟失、無線電干擾、惡意欺騙等重大漏洞，一旦犯罪分子利用這些漏洞發送偽造的飛機報文，若地面接收設備無法將真假報文進行區分，就很有可能會對一定范圍內的空管保障運行產生重大影響，甚至可能造成飛行事故。

ADS-B技術使用ASK調制，將信息通過載波的幅度表征，所以信號幅度會隨目標的距離增加而降低，易受多徑效應影響，同時容易受到同頻干擾也更容易被模仿，更難以被區分;采用公開的1090MHz點頻收發，真實目標信息容易被監測和重放，在頻域上難以區分真實目標信號和干擾欺騙信號;非獨立監視，屬于相關監視，需要獲得發射方目標信息開展監視，需要發射-接收協同完成一次有效監視;被動接收根據外部廣播信息，接收的監視信息受制于發射方，監視處理效果極大地依賴信息真假;機載全向天線發射，地面站全向接收，容易受到干擾且無法獲取信號輻射方向，并且在空間域上難以區分真實目標信號和干擾欺騙信號;明文廣播并使用公開的校驗機制，導致真實目標信息容易被監測和重放，在信息層面難以區分真實目標和干擾欺騙目標。

3.干涉儀測向技術

干涉儀測向的實質是利用無線電波在測向基線上形成的相位差來確定來波方向。干涉儀測向技術自出現以來，因其測向精度高、靈敏度高、結構簡單、原理清晰、觀測頻帶寬等優點在電磁環境監測、電子對抗、雷達、聲納、導航等領域得到了廣泛應用。相關干涉儀基本原理是將實測信號的相位差矢量與之前建立的樣本庫的相位差矢量依次進行相關，以得到最大相關系數的相位差矢量對應的方位角和俯仰角作為實測來波信號的方位角和俯仰角。

4.干涉儀測向結果與ADS-B數據結合

使用相關干涉儀與ADS-B地面基站進行數據比對可以驗證排除干擾欺騙的目標，使用相關干涉儀測向測得信號發射位置的方位角和俯仰角，然后通過解析報文信號內表明的目標位置、高度信息，再與測向儀所在位置的經緯度、高度等信息進行比對，得到發射ADS-B報文航空器的相對位置，將此位置與相關干涉儀測得的信號發射位置進行比較，從而發現ADS-B報文中位置信息與其真實位置接近的目標，同時發現并排除相差較大的欺騙信號。

5.結論

隨著低空空域的開放和通航的發展，ADS-B監視數據鏈因其自身的技術先進性、低成本、易安裝等優勢，將成為未來空中交通監控的主要技術手段。基于相關干涉儀的測向方法技術成熟，驗證準確率高，不需要后端復雜算法處理，但是需對當前ADS-B地面站天線進行改進，適合指定覆蓋范圍內的單站驗證場合。

參考文獻：

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中國民用航空ADS-B實施規劃.中國民用航空局.http：//sqgk.caac.gov.cn/000014170/201302/P020130220413287889496.pdf.2012

作者簡介：姓名（孫偉岸）性別（男）出生年（1994），籍貫到市（遼寧沈陽）民族（漢族）職稱（助理工程師）學歷（大學本科）研究方向（通信工程）