ADS-D系統中的電磁干擾及抗干擾技術

左明瑞

(中國民用航空華東地區空中交通管理局江西分局 江西 南昌 330000)

0 引言

隨著民用航空事業快速發展,我國民用飛機、機場、飛行航線數量進一步拓展,截至2020年底,國內民用機場數量超過200個,預計在2025年,我國民用機場數量將達到300個,民用運輸飛機數量高于5 000架,通用航空飛機數量超過6 000架。而隨著民用航空不斷發展,無形中增加空中交通流量增長,對空中交通管制能力提出更高要求,民用航空急需研發一種高效空中交通監管技術。廣播式自動相關監視(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)技術作為現代最新型的空中交通監管技術,其具有精度高、成本低、能提高空域容量等特征,被廣泛應用到民航空管領域。但是,由于航天電磁環境越來越復雜,嚴重影響到ADS-B的精度,必要時要關閉航線,給空中交通秩序造成嚴重影響,甚至影響到飛機的安全性[1]。

1 ADS-B系統的基本原理

ADS-B系統工作原理是利用全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)收集自身實時定位信息,且和其他機載設備信息相互結合,形成完整的ADS-B報文,再利用機載S模式收發機定期向外傳播自身實際飛行情況。地面站和其他安裝ADS-B機載設備的飛機通過數據鏈系統能自動接收ADS-B報文,科學處理信息數據,然后將飛機實際狀態實時呈現在大屏幕上。目前,ADS-B系統功能是由ADS-B OUT和ADS-B IN組成,其中ADS-B OUT表示飛機向地面發送信息的過程;ADS-B IN表示機載設備接收信息的過程,傳輸信息內容是由速度、位置、高度、呼號等信息組成。相關人員要利用ADS-B系統全面掌握區域中飛機飛行狀態,一旦遇到問題能第一時間做出正確選擇,便于飛行員合理控制飛機距離。同時,ADS-B系統能實現飛行器目標間和地面站間的日常通信工作,即使在惡劣的空域中也能實現更高飛行高度。ADS-B數據走向,如圖1所示。

圖1 ADS-B數據走向

近年來,專業人員將ADS-B數據鏈分為通過訪問收發機數據鏈、1 090 MHz擴展電文、甚高頻數據鏈等類型,只有1 090 MHz擴展電文實現全球民航領域標準化,但和傳統監視方法相比,ADS-B系統具有建設效率高、建設成本低等特征,被廣泛應用在民航領域方面。但從目前ADS-B系統發展情況來看,其遇到了多樣化問題,尤其是電磁干擾問題。雖然ADS-B系統具有可靠監視和精準定位性能,但仍然面臨著電磁干擾影響,如通用系統模擬器定位信號受到電磁干擾、ADS-B系統信號傳輸鏈路面臨電磁干擾。

2 ADS-B系統中的通用系統模擬器電磁干擾

ADS-B系統精準定位是以通用系統模擬器系統為基礎,來確定自身實際位置信息,但由于通用系統模擬器系統自身具有較強的脆弱性,在現代電力電子設備和自然環境雙重影響下,通用系統模擬器系統受到多樣化因素影響,如人為故意作祟、自然因素作祟、人為無意作祟等。目前來看,其隨著空間和時間變化,干擾現場出現不同程度的變化,直到最后完全消失。而人為有意干擾對通用系統模擬器系統影響程度最高,主要包括壓制干擾、欺騙干擾、2種組合式干擾。

2.1 通用系統模擬器壓制干擾

壓制干擾是針對通用系統模擬器信號的壓制干擾的一種非常典型的電磁干擾,它的特點是使接收機前端的有用信號淹沒在噪聲中而不被捕捉和跟蹤,通過大功率的同噪聲來降低信噪比。當前的ADS-B系統主要是利用功率較低,通常為-158 dBW的GPS定位,極易被干擾的GPS信號。打壓擾動的技術成本更低,也更容易做到這一點。有研究顯示,GPS信號的特性使得壓迫性干擾具有一定的優勢,是目前民航導航定位系統中威脅最大、干擾方式最多的一種,是所有潛在威脅GPS信號的威脅[2]。GPS壓制干擾的主要類型和典型干擾源見表1。

表1 GPS壓制干擾的主要類型和典型干擾源

通過分析表1,發現寬帶干擾主要特征是干擾信號頻帶寬度超過信號帶寬,整個目標信號頻帶上可覆蓋干擾能量;窄帶干擾的特點是其頻寬比訊號帶要小。最常用的方向、功率、頻率、帶寬等參數來分析壓制干擾的信號模型特征,脈沖干擾表示為式(1):

(1)

式(1)中:A為脈沖干擾幅度;t為占空比;Tpi為脈沖干擾周期。

寬帶線性調頻干擾表示為式(2):

(2)

式(2)中:A為脈沖幅度;T為調頻信號時寬;f0t為瞬時頻率。

2.2 通用系統模擬器欺騙干擾

欺騙干擾的訊號模型與原始的真實定位訊號接近,如功率等級等參數,欺騙接收者獲取假定位信息,使載具能夠根據假信號的指引行進。技術成本更高,實現這種干擾的隱蔽性更強。目前,通用系統模擬器在軍事領域多采用欺騙干擾手段,民航領域應用通用系統模擬器欺騙干擾的情況比較少見[3]。

3 ADS-B信號傳輸鏈路中的電磁干擾

ADS-B發射機功率小,易受電磁干擾,在可能導致定位失真嚴重的情況下,ADS-B發射鏈路遭受電磁干擾,可引起傳輸鏈路中斷,ADS-B設備宕機。壓制干擾和欺騙干擾也存在于ADS-B數據傳輸鏈路上。壓制干擾,即干擾源發射功率較大的壓制信號干擾ADS-B數據鏈,干擾源將S模式1 090 MHz的虛假信息持續發送給航空器或地面站,導致ADS-B接收機無法收集到有用的報文信息。欺騙性干擾是指干擾來源截取飛機實際信息,如飛行方向、飛行位置等,并發出虛假干擾信號,使ADS-B接收機接收并廣播誘使控制員或駕駛員作出錯誤飛行指令的虛假飛機信息。由于ADS-B的廣播信息是公開的、不加密的、不需要身份驗證的,這就使得ADS-B系統在遭受欺騙性攻擊時變得輕而易舉[4]。

同時,民航領域同頻干擾也是ADS-B數據鏈一種特殊干擾現象,這種干擾現象對1090ES數據鏈具有明顯效果,其通常被應用在民航領域空中防撞、二次監視雷達、多點定位等系統,加上其他領域電力電子設備干擾現象,該頻段電磁環境具有較強的復雜性,其中,1090ES數據鏈同樣面臨嚴重的同頻干擾,導致鏈路擁堵嚴重,系統接收性能無形中降低,定位精確度也隨之下降。目前主要有竄擾、同步干擾、異步干擾等多種類型的同頻干擾,它的頻率和工作應答信號是一樣的,頻率上升到每秒上千次,這是目前干擾方式中最普遍的一種;不同的應答機在同步竄擾中的反應是一樣的詢問,且脈沖重疊位置相互占用,該種干擾類型很容易丟失信號,且無法用傳統技術進行解決[5]。

4 ADS-B系統應對電磁干擾的新技術

4.1 天線自適應抗干擾技術

在電子對抗項目上,在非人工干預下自主適應電子對抗環境的變化。如通過選頻技術測量出對方使用窄帶阻塞干擾的工作頻寬,以及頻寬中最薄的弱點,科學調整頻率,可測出其工作頻寬與頻寬之間的數據。天線自適應抗干擾技術包括單脈沖、窄波束、多波束、相控陣、低副瓣6超低副瓣、副瓣對消等多個波束組成的抗干擾技術,自適應陣列技術自適應波束形成反相位零點、超分辨等、隨機掃描主波束、變速天線掃描、極化分集。在選擇濾波器時,要保證濾波器在標準工作頻段中,能滿足負載要求的衰減特征,如果某種濾波器無法滿足行業基本要求,工作人員可考慮采用各種濾波器級聯,來掌握實際衰減特征;濾波器可將預期額定電流和實際額定電流調整到相同標準,一旦電流值過高會提高濾波器重量和體積,電流較低會減少濾波器的穩定性。低副瓣天線是最有效的措施之一,對干擾信號起到防止天線副瓣進入和避免反輻射導彈攻擊的作用。副瓣對消和副瓣消隱技術也是為了防止副瓣進入而產生的干擾信號,且副瓣對消和副瓣消隱技術所付出的代價要小。許多相關原理和方法還在研究中,自適應陣列彈性大,抗干擾能力強。

4.2 接收信號解碼校對

也是應對欺騙干擾的重要方法,是接收機分析接收信號的差異和特性,判別目標的真偽。在時域方面,透過分析計算訊號強度、多普勒偏頻、收發訊號時間間隔等參數,或利用多個基地臺,以與報文資訊比對來判定接收訊號真偽、確定飛機所在位置,從而作出判別。隨著民用航空不斷發展,無形中增加空中交通流量增長,對空中交通管制能力提出更高要求,民用航空急需研發一種高效空中交通監管技術。ADS-B技術作為現代最新型的空中交通監管技術,其具有精度高、成本低、能提高空域容量等特征,被廣泛應用到民航空管領域。時域運算偵測對時鐘精確度要求較高,對多個時鐘的同步性要求也較高,而對列天線技術精確度要求較高的則是頻域運算偵測[6]。

4.3 分析深度學習算法的檢測精度

在機器學習迅速發展的同時,在防欺騙干擾的ADS-B系統領域,深度學習(deep learning,DL)也被科研人員所應用。當干擾信號強度在正常檢測范圍時,被干擾雷達的干擾信號趨于多樣化,無形中提高信號處理計算機處理負擔[7]。同時,由于干擾信號的出現,會降低雷達作用距離和目標檢測概率,甚至影響到測角精度和測距。針對該種情況,需要工作人員控制干擾信號強度,保證每個干擾信號都能被檢測到[8]。但由于這種干擾并非故意干擾,2個雷達波束交叉的時間較短,通常是一閃而過,干擾信號的強度也較低,不會給雷達正常工作帶來嚴重影響,很難被工作人員發現。通過AlexNet網絡對樣本數據進行訓練和測試并優化,利用頻偏數據和報文的位置速度信息形成數據集;樣本數據通過SEQ2SEQ網絡模型進行訓練,該模型包含了飛機的位置和速度等信息。把DL運用到偵測識別騙術干擾中,所有的訓練樣本都是通過仿真的方式產生的[9]。

4.4 信息加密技術

針對ADS-B系統遇到的欺騙性干擾,大部分學者提出了多種加密手段,如透過數位簽章的方法來判別目標為真正的目標或干擾源、資訊分段加密和密碼學保護等。但信息加密手段的短板在于需要修改ADS-B傳輸協議,而加密保護ADS-B傳輸鏈如何有效地執行還有待學者深入研究[10-11]。

5 總結

綜上所述,ADS-B系統作為最先進的民航空管監視系統,在日常應用中面臨嚴重電磁干擾問題,如ADS-B數據鏈壓制性干擾、通用系統模擬器系統欺騙干擾等問題,給應用效果帶來不同程度的影響。因此,為了提高ADS-B系統精準定位功能,不僅要加強無線管理作用,還要將無線電干擾領域新技術應用到ADS-B系統,全面提高ADS-B系統抗干擾性能。