卢献宇 张媛媛 高丹凤

摘  要：ADS-B，中文名称为广播式自动相关监视，即是飞行器自主广播包含了位置等信息的报文给用户，因此可利用该信息作为监视飞行器的前提是报文信息可靠可信，可见ADS-B系统作为独立监视手段存在脆弱性。在考虑ADS-B作为独立监视系统的前提下，现提出卡尔曼滤波跟踪航迹预测法和到达时间差法这两种方法，利用ADS-B广播的报文信息来进行目标（飞行器）位置真伪的判别，以此提高航空交通管制系统对ADS-B报文的信任度，有利于ADS-B作为新一代监视系统的广泛应用。

关键词：广播式自动相关监视;欺骗式干扰;卡尔曼滤波;到达时间差

中图分类号：V355.1     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）14-0049-03

Abstract： ADS-B， the chinese name is broadcast automatic correlation monitoring， that is， the aerocraft autonomously broadcasts a message containing location and other information to the user， therefore， the premise of using this information to monitor aircraft is the message information is reliable， it is clear that ADS-B system is vulnerable as an independent monitoring means. On the premise of considering ADS-B as an independent monitoring system， two methods， Kalman filter tracking track prediction method and arrival time difference method， are proposed to distinguish the authenticity of target （aircraft） position by using ADS-B broadcast message information， so as to improve the air traffic control （ATC） trust in ADS-B information， it is conducive to the wide application of ADS-B as a new generation monitoring system.

Keywords： ADS-B; deceptive jamming; Kalman filter; arrival time difference

0  引  言

广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveullance- Broadcast， ADS-B）的技术标准是完全开放的，其编码信息透明、通信链路公开、调制方式简单，这些特点使它以低成本、监视范围广等优势成为重要的民航监视手段，但也是由于这些特点，ADS-B极易受到干扰和攻击，严重影响了监视的准确性和安全性。因此，ADS-B在应用过程中，一般都和其他设备配套（辅助）使用[1]。

随着中国民航大力推进监视系统技术变革，努力构建天、空、地一体化ADS-B运行体系，到“十四五”末，全面实现高空航路航线、終端（进近）和塔台管制区域的ADS-B运行及通航活动的ADS-B监视服务，因此，解决ADS-B作为独立的监视系统的安全问题急不可待。

本文旨在解决在ADS-B作为独立监视系统的前提下，讨论并仿真分析利用卡尔曼滤波预估航迹并判别ADS-B报文信息真伪的方法，以及探讨利用真假信号到达地面站时间差不同而判别信息真伪的可行性。

1  问题描述与信号模型

1.1  问题描述

当ADS-B作为独立监视系统时，在ADS-B目标位置欺骗方面，主要存在两种欺骗手段——报文篡改欺骗、仿真目标欺骗。

报文篡改欺骗（中途信息被非法篡改），即干扰台通过接收空中真实飞机的ADS-B信息，实时获得空中飞机的地址后，干扰台仿制具有相同模式地址的报文并对其进行广播。ADS-B地面站将真实目标广播的真实参数信息和干扰台广播的虚假参数信息一起接收处理，就会导致输出到用户终端的航迹状态异常。该情况一般发生在沿航路飞行的航空器，可利用适合于实时处理和计算机运算的卡尔曼滤波跟踪航迹并预测来解决。

仿真目标欺骗（发射虚假的飞行信息），是指干扰台仿制符合协议规定格式的ADS-B报文，广播虚假的位置信息。地面站将虚假信息接收并解析后，将其作为正常数据和空中真实目标同时显示或者关联，并输出到用户终端。该情况一般发生在飞机进离场（包括进近和塔台管制阶段），可通过真实信号与虚假信号到达地面台的时间差比对，判别出真假信号、目标位置的真伪。

1.2  信号模型

根据美国航空无线电技术委员会制定的标准文件[2]，ADS-B消息的发射空中位置消息、空中速度消息均为每秒2条，假设飞机在较短时间内从A点直线飞到B点，历时N秒，则共有2N个位置、速度消息，记为L={L1，L2，…，LN}，其中，Ln={lvn1，lvn2，lpn1，lpn2}表示第n秒发送的消息的集合，lvn1表示第n秒发送的第一条空中速度消息，lpn2表示第n秒发送的第二条空中位置消息。根据lpn1和lpn2解码得到一个空中位置点Sn（xn，yn，hn），x、y、h分别表示经度、纬度、高度。根据lvn1和lvn2解码得到两个空中速度vn1和vn2，巡航状态下vn=vn1=vn2，若vn1≠vn2，令n时刻速度为vn=（vn1+vn2）/2。由此，得到N个时刻的位置序列S={S1，S2，…SN}和速度序列V={V1，V2，…，VN}，其中，第n时刻目标的三维坐标表示为Sn={x（n），y（n），h（n）}，三维速度表示为Vn={vx（n），vy（n），vh（n）};信息采样周期T为1秒。

2  卡尔曼滤波航迹预测法

2.1  卡尔曼滤波原理

从接收的ADS-B报文提取了目标的三维位置和速度信息，据此建立卡尔曼滤波模型进行滤波估计航迹预测，分析步骤为：

（1）确定了系统的状态向量为X （k）=[x （k），y （k），h （k），vx （k），vy （k），vh （k）] T。状态方程和测量方程分别为式（1）、式（2）：

其中T为采样周期，若将三个方向的干扰分别记为：wx、wy、wh，对于匀速运动目标，各方向的干扰可视为相应方向的加速度，因此系统过程噪声W=[wx  wy  wh]T;测量矩阵：

状态转移矩阵：

过程噪声矩阵：

量测噪声W为零均值、方差阵为Q的高斯随机序列;测量噪声V为零均值、协方差阵为R的高斯白噪声，两个噪声相互独立。

（2）卡尔曼滤波算法使用0和1时刻的量测数据（即取位置序列P和速度序列V的前两个的测量值）进行计算初始化，因此，当k=1时，初始状态表示为（1∣1）;确定滤波点数M;确定预测协方差矩阵的初始值P（1∣1）。

（3）滤波由时刻2开始，根据初始值和控制量预测当前状态。状态的一步预测为：

X（k+1∣k）=ΦX（k∣k）

协方差的一步预测为：

P（k+1∣k）=ΦP（k∣k）Φ'+GQ（k）G'

经过3个步骤的推进，将得到的最新的量测数据进行递推滤波算法，不断更新目标的状态信息，实现对目标的航迹跟踪预测。

2.2  ;方法的应用

我们考虑一个真实飞机通过其机载ADS-B发射机正常发送报文信息（包含有速度、位置等），地面ADS-B接收机接收后解析报文，可得到一系列航迹点。干扰设备在报文下发中途截获正常的报文信息，并对该信息进行篡改，伪造了航班的位置、速度等重要信息，并继续将该假报文广播下发到地面。

现假设，航班计划沿航线同高度地从A点直线飞往B点方向，途中C点时刻，下发的报文信息被中途截获，报文信息被篡改为从C点转弯飞往D点方向，如图1所示。

根据2.1的推理计算，利用1.2的ADS-B信号模型，对飞机从A点飞往B点方向的航迹进行卡尔曼滤波预测。具体计算与仿真过程可详见作者已发表文献[3]。

随着航迹预测的推进，在C点开始，ADS-B报文被篡改，地面站收到的ADS-B位置信息不断偏离原计划（真实）航迹，而进行卡尔曼滤波航迹预测，也将不断偏离新的（虚假）航迹，而呈现预测结果与新的（虚假）航迹不收敛的结果，如图2所示。原因是，卡尔曼滤波是根据新的（即虚假）位置数据和前一时刻的各个量的预测值，借助于卡尔曼系统的状态转移方程，按照2.1的推导公式，算出新的诸量的预测值。

由此，判断自C点开始后的ADS-B报文信息为虚假。

3  到达时间差法

3.1  情景假设

如图3所示，以A点为原点，飞行器的航向为x轴正方向，垂直于x轴且远离ADS-B地面站的方向为y轴的正方向，垂直于x、y轴的方向为z方向。由此，地面站在y轴负半轴上，设其坐标位置为（0，-yh，0）;飞机的航线在x轴正方向上;干扰台的坐标位置为（xs，ys，zs）。

飞机从A点飞往B点，以固定间隔时间下发ADS-B信号，该信息序列设为aa，在较短时间段T内，可将航空器的飞行视为沿航线匀速飞行，根据1.2小节信号模型中的分析，aa=L={L1，L2，…，LN}，设地面站接收第n时刻发射的报文的接收时刻为tn，则地面站接收信号的时刻序列为TN={t1，t2，…，tN}。

为了实现欺骗地面站，干扰台模仿真实ADS-B信号的发射规律，发射的信息序列设为ss=L"={L"1，L"2，…L"N}，设地面站接收到干扰台第n时刻发射的报文的接收时刻为ts，n，则地面站接收该报文信号的时刻序列为Ts，N ={ts，1，ts，2，…，ts，N}。

3.2  可行性分析

根据3.1假设的情景，进行使用“到达时间差法”来判别ADS-B位置信息真伪的可行性分析。主要分为三个方面：

（1）时延的修正。由于ADS-B的延迟时间影响了“到达时间差法”的可行性，为了提高ADS-B的监视精度，文献[4]提出一种精确计算每个ADS-B报文延迟时间的方法。该方法是根据ADS-B报文的接收时间和报文内容，计算两相邻报文的时间间隔和对应报文中飞机两相邻位置的时间间隔，通过对两种时间间隔求差可得到ADS-B两相邻报文的延迟时间差，在初始报文中或者间隔一定时间发送飞机位置测量时刻的条件下，可计算其后所有报文的延迟时间，从而对延迟时间进行修正。

（2）干扰台近似静止的探讨。民航客机的起飞爬升速度一般160～200节/时（290～370 km/h），下降类同[5]。飞机进近阶段通常在高度为机场上空至6 000米（含）之间的空域内，是爬升或下降的阶段，客机要在这里完成航路空域和机场空域之间的飞行转换。

从飞机进近的速度和高度，可以断定，干扰台可以发射类似ADS-B格式的信号，却无法模仿飞机进离场的运动状态，而对比同期发射信号的飞机状态而言，干扰台近似静止。

（3）真实信号与虚假信号到达地面台的时间差比对。根据3.1的情景，在时间段T内，飞机直线飞行，地面台接收其下发的ADS-B信号的接收时刻tn随着时间推移呈现增长趋势，各时刻的时间差亦是趋于增加;干扰台需模仿真实ADS-B信号的发射间隔，地面台接收相对静止的干扰台发射的信号的接收时刻ts，n不会随着时间推移而增长，即是Ts，N序列中的元素值是相等的。通过比对各信号的到达地面台时间差，而判别出真假信号、目标位置的真伪。

4  结  论

本文依据虚假的ADS-B报文信息出现的情况不同，而提出了两种利用ADS-B的报文信息判别目标（飞行器）位置信息真伪的方法，一是使用卡尔曼滤波方法预测航迹是否收敛而判定，二是利用真假报文信息到达地面站的时间差不同而判定。分析与仿真及讨论了这两种方法的可行性，为ADS-B作为独立监视手段提供有力的支撑。

参考文献：

[1] 付磊，安强，李家蓬.ADS-B防欺骗技术研究 [J].电子世界，2020（5）：94-96.

[2] RTCA，DO-260B.MinimumOperationalPerformanceStandardsfor1090MHzExtendedSquitterADS-BandTIS-B [S].WashingtonDC，USA：RTCA，Inc，2011.

[3] 卢献宇，张媛媛.基于卡尔曼滤波算法的ADS-B航迹预测 [J].现代信息科技，2021，5（8）：48-50+53.

[4] 程擎.ADS-B延遲时间计算方法的可行性分析 [J].计算机应用，2012，32（9）：2664-2666+2671.

[5] 刘星.飞行原理 [M].北京：科学出版社，2011.

作者简介：卢献宇（1988—），女，汉族，广西玉林人，中级，硕士研究生，研究方向：信号处理、导航、监视。