ADS-B信號干擾源自動監測與粗定位技術研究*

趙澤榮，胡 飛，伍 偉

(中國民用航空飛行學院，四川 廣漢618307)

0 引言

交通運輸業的繁榮是現代社會文明與進步的標志之一，但其持續性高速發展的背后也逐漸暴露出一些問題。如當前民航機場及其相關航線所表現出的擁擠情況正在日益加劇，繼而導致航班準點率下降愈發嚴重，不僅顯著增加了航班調度工作量，同時也會造成一定程度的經濟損失。為了較好地緩解這一問題，除了通過某些行政手段與管制制度加強空域與航線的管理與規劃外，另外一個非常重要的途徑就是通過采用更為先進的機載設備，配套部署并建設更為完善的“空-空”與“地-空”數據鏈以及將相關地面設備進行升級等，繼而建立起一個更高效與立體化的空管監視、運行與管制的設備體系。廣播式自動相關監視系統(ADS-B)正是在這樣的需求前提下應運而生的[1]，且已在不斷的試驗性應用中逐步得到發展和成熟。

ADS-B監視技術采用廣播方式傳輸信號[2-3]，通信鏈路和報文協議公開，導航源信息來自GPS信號。而且基于該監視技術本身的低成本和先進性，其已經在民航系統大范圍使用。由于信號傳輸過程中并沒有對數據進行加密處理，而且無線信號的模擬技術門檻比較低，導致ADS-B監視系統中的導航源GPS信號容易受到外部干擾，使得地面監視終端的目標顯示出現不連續或消失的情況，這給地面管制員在指揮空中交通時帶來了安全隱患。因此對于GPS信號干擾源的排查和定位是每個機場通導人員日常維護的主要工作[4]。為了提高機場通導人員排查GPS信號干擾源的效率，根據ADS-B無線信號傳輸原理、地面信號接收處理機制，本文提出了一種自動監測技術，利用ADS-B地面站接收的目標數據，實時跟蹤每個目標的運動軌跡，制定跟蹤規則和算法，開展GPS信號干擾分析，準確獲取GPS信號丟失和恢復的時間、經緯度、高度等數據，并與飛機的飛行軌跡進行對比分析，同時將分析數據展現在電子地圖上，擬使用飛行大數據提升人工排查GPS信號干擾源工作的效率和及時性，從而減少民航飛行安全隱患。該技術處理方法在不改變現有ADS-B系統的基礎上，只是對ADS-B監視軟件系統進行功能擴展，并利用ADS-B數據實現了該系統干擾源的實時監測和粗定位，通過監視顯示軟件實時展現無線信號干擾的方位，為ADS-B監視系統無線信號干擾提供了一種有效的技術解決方案。

1 信號干擾監測分析平臺設計

當ADS-B監視系統無線信號受到干擾時，維護人員只能根據管制員提供的大概方位去排查無線信號干擾源，導致排查范圍大、收效甚微，從而增加了無線信號干擾排查的難度和成本。隨著大數據處理技術、人工智能技術的發展，根據ADS-B監視系統的信號傳輸原理，在現有軟件系統中，通過實時接收處理ADS-B監視系統獲取的目標數據，并設計目標跟蹤、丟失和恢復處理算法，可實現ADS-B監視系統的無線信號自動檢測處理，減少管制員和維護人員的工作量，提高飛行安全保障能力。系統處理技術構架如圖1所示。

圖1 系統處理構架

1.1 ADS-B系統無線信號傳輸原理

機載ADS-B無線信號由機載設備通過獲取GPS信息、高度信息、速度信息以及飛機當前的狀態信息等并進行信息編碼，然后以一定頻率通過射頻模塊對外廣播。在信號廣播的過程中，當GPS受到干擾，或機載設備故障，或ADS-B數據鏈受到干擾時，需要研究ADS-B機載設備對外廣播信息的處理機制以及糾錯機制，并對信號的可靠性和連續性進行分析，為信號丟失的判斷提供理論依據。

為了有效快捷地定位地面監視終端顯示界面目標丟失的原因，需要對整個系統的信息處理原理進行分析和研究，確定目標信號丟失的本質，為維護人員提供排故的參考依據。系統信息處理原理如圖2所示。在圖2中，飛機或無人機加裝了ADS-B機載發射裝置，通過該裝置獲取GPS信號，并把定位信息進行編碼以ADS-B數據鏈對外廣播[5]，地面接收站把接收到的ADS-B信號進行解析，然后以網絡的方式傳輸給管制中心，管制員通過顯示終端對空中交通進行指揮調度。對于顯示終端界面信號丟失的原因有多種可能，如數據網絡傳輸、ADS-B地面站故障、ADS-B無線信號受遮擋、ADS-B數據鏈信號受干擾、機載ADS-B發射裝置故障以及GPS信號干擾等。因此需要對系統的網絡、ADS-B地面站工作狀態進行實時監控，在網絡和地面站正常工作的情況下，通過ADS-B地面站接收空中信號的情況，對ADS-B數據鏈的無線信號是否受到干擾進行跟蹤和分析判斷。

圖2 ADS-B信號傳輸原理

由于ADS-B地面站接收目標范圍有限，按照行業標準，ADS-B地面站接收的半徑范圍一般在380 km左右[6]，而且ADS-B無線信號的傳輸必須是視距傳輸，如果ADS-B無線信號在傳輸過程中有遮擋，那么地面站接收的信號就會不連續，因此在制定目標跟蹤規則時，不僅要考慮目標離ADS-B地面站的距離，還要考慮目標的高度，這樣分析出的目標在終端界面信號丟失的結論會更加客觀和科學。對于飛機上ADS-B機載設備的運行狀態，可以通過飛行員來確定是否正常，而無人機則通過數據鏈傳輸的設備狀態信息來進行監測。由于載人飛機上的ADS-B機載設備是經過適航取證，發生故障的概率很小，因此在監測GPS信號干擾的處理過程中，在確保監測網絡和ADS-B地面站正常的情況下，利用ADS-B地面站無線信號完好性監測功能以及與監視終端界面顯示結果的比對，確定某些區域目標在監視界面顯示的不連續性是否為GPS信號干擾，為信號干擾源的排查提供依據。

1.2 目標跟蹤、丟失和恢復處理算法

飛機在地面的監視終端上消失的主要原因有軟硬件的原因、網絡傳輸原因以及無線干擾。然而在多數的實際運行中，飛機在監視界面出現丟失的情況只是個別飛機在某個特定的高度和區域范圍內發生間斷性的消失，因此對于軟硬件和網絡傳輸出現故障是可以排除的，可以解釋導致這種現象發生的可能只有無線干擾。無線干擾涉及ADS-B數據鏈和GPS接收機的無線干擾兩個環節。由于ADS-B監視系統的地面接收設備是全向接收，如果是ADS-B數據鏈的無線干擾，那么會造成大面積的信號丟失；而GPS信號一般在普遍知曉的頻率上發射，其調制特征廣為人知，信噪比較低[7]。GPS信號到達地球表面時接收到的最小信號功率為-130 dBm，比收音機天線接收到的功率低10億倍，相當于1 000英里外一個25 W的燈泡發出的光，因此極易受低功率頻段干擾影響[8]，從而容易造成個別飛機在某個特定的高度和區域范圍內發生間斷性的消失。因此本文研究主要針對GPS信號受到干擾時的干擾源排查和定位[9]。

當GPS信號受到干擾時，對于運輸航空，機載設備比較先進，可以有相應的處置和提醒機制[10]；而對于通航飛機，受成本的制約，這些功能是不具備的。而且GPS信號的干擾源通常來自于地面，由于通航飛機飛行高度有限，相對于運輸飛機而言更加容易受到干擾[11]。因此對于機場的電磁環境凈空保護一般都是監測距離機場30～40 km范圍，完全滿足ADS-B地面站接收信號覆蓋范圍。為了有效簡便地獲取GPS信號干擾源的大致位置，在監視系統的服務器端獲取ADS-B地面站的目標數據，并對目標在空中的態勢進行跟蹤，由于GPS信號受到干擾時[12]機載ADS-B發射器是不對外廣播ADS-B信號的，因此導致地面監視系統無法接收受干擾目標數據，考慮到無線信號的不可靠性，ADS-B數據鏈無線信號在傳輸過程中會丟失的情況，所以在跟蹤目標時，如果目標連續4 s內沒有收到無線信號，那么就認為目標信號丟失并記錄目標丟失時的位置、高度、時間、目標呼號、目標地址等信息。設目標信號丟失的位置為pi(xi，yi)，目標信號出現的位置為qi(xi，yi)，li(xi，yi)為這兩點的中心點，且：

根據兩點間的距離公式：

可以得到目標信號丟失與出現兩點間的距離Li，設Lmin=min(Li)為這些距離值的最小值，并設lc(xc，yc)為li(xi，yi)的中心點，且：

持續接收地面站的數據并對收到的目標信號與丟失目標進行對比，如果收到的目標信號為丟失目標，那么記錄丟失目標出現時的位置、時間和高度，通過后續一段時間的觀察，獲取多個觀察點并計算出lc(xc，yc)與Lmin，利用lc(xc，yc)點作為圓心、Lmin為直徑，構建無線信號干擾估計范圍。如果還有同樣的情況在該范圍發生，那么就可以確定這個方向上有GPS信號干擾[13]，維護人員就可以利用無線信號干擾探測設備到該區域進行排查，從而降低了排查難度和排查范圍，提高了排查效率。

1.3 自動監測軟件設計

為了利用ADS-B數據對無線信號的干擾進行監測，需要在ADS-B監視系統中對軟件功能進行擴展，構建ADS-B數據實時監測分析平臺，根據ADS-B數據跟蹤算法，實現對ADS-B系統無線信號干擾監測分析的目的。ADS-B信號干擾監測分析平臺設計流程如圖3所示。

圖3 系統設計流程圖

在圖3中，程序運行時先進行系統初始化，如活動目標隊列與丟失目標隊列緩存的創建、網絡初始化、系統參數初始化、數據庫初始化等；接著啟動網絡接收線程和定時器執行不同的任務。網絡接收線程主要接收ADS-B地面站發送的目標數據。當有網絡數據到達時，觸發網絡接收事件，網絡線程就從等待狀態進入處理狀態。如果接收到的數據滿足ADS-B地面報文協議，即進行解析數據，獲取到目標的呼號、地址碼、位置、高度、速度、航向等信息，更新活動目標隊列，同時檢測目標是否在ADS-B地面站無線信號監測作用范圍內。如果目標在監測范圍內，那么就判斷目標是否在丟失目標隊列中。如果在則記錄目標恢復的位置、高度等信息，并更新數據庫中的記錄；定時器的周期設置為1 s，周期性地檢測活動目標的信號丟失情況。如果活動目標隊列信號丟失時間持續4 s以上，則把該目標從活動隊列中刪除，并加入到丟失隊列中，把該目標的位置、呼號、高度、丟失時間記錄到數據庫。如果沒有目標丟失，那么就進行丟失目標的顯示處理并更新顯示界面[14]。

2 測試與驗證

為了驗證該技術方法的可行性和實用性，按照圖1所示的系統構架，搭建了測試平臺。該測試平臺運行在綿陽南郊機場，在2021年6月28日17時23分左右，塔臺管制員反映有GPS信號干擾，根據ADS-B信號干擾監測分析平臺進行多數據融合處理[15]，維護人員很快就能從顯示界面中得出信號干擾的粗略位置，較以往靠人工手寫記錄并統計分析的傳統方法，該系統更加智能，很大程度上縮短了故障處理時間，其顯示的效果如圖4所示。

圖4 GPS信號干擾示意圖

在圖4中，訓練飛機在2021年6月28日17時23分左右以后，只要飛行經過以點(31.527 930 06，104.782 903 96)為圓心、以2~3 km為半徑的區域內，GPS信號就會受到干擾，從而導致監視終端收不到飛機的飛行態勢信息。按照以前的干擾源查找方法，只能知道干擾源的大概方向，不能像當前這樣準確直觀地在地圖上展現出來，方便無線信號搜索設備探測干擾源。圖4中，標注有L字母的圓點表示飛機GPS信號丟失的起始點，標注有R字母的圓點表示飛機GPS信號恢復點，連線為飛機信號丟失的直線距離，并在直線的中間標識飛機丟失信號的高度。從圖中可以看出，飛機飛得越高，受到的GPS信號干擾越小，受干擾的范圍就要小一些；而且通過這些線的交叉，可以大致確定GPS信號干擾源的范圍。根據地圖顯示情況，了解到該區域為高端電子信息設備制造企業，該企業的無線電干擾測試導致GPS信號失效。因此，維護人員通過這種方式很快排除了GPS干擾，不僅提高了故障處理效率，而且也節約了成本。

3 結論

隨著通用航空的發展，空域內航空器類型將會越來越繁雜，而通航的自由飛行離不開衛星導航系統。為了便于空中交通的管理，飛機上必須加裝有ADS-B機載設備，但該系統存在的不足就是GPS信號容易受到干擾，給飛行安全帶來隱患。但其自身技術先進性、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。因此，對于該數據鏈的技術缺陷，本文提出了一種通過ADS-B數據處理的自動監測和粗定位方法來確定GPS信號干擾源。通過對空中和地面的ADS-B信號處理機制以及傳輸原理進行分析，構建ADS-B信號干擾監測分析平臺，在此基礎上對ADS-B目標進行實時跟蹤、丟失和恢復處理。當發現ADS-B信號消失時，對消失的時間和位置進行記錄，同時對再次出現的時間和位置進行記錄，根據記錄的信息對飛機消失的航跡進行模擬繪制，綜合多組航跡定位干擾源位置，給出分析結論，為干擾源的排除工作提供幫助。