摘  要： 針對ADS-B技術存在的抗干擾能力低、容易受到干擾和欺騙的問題，在分析傳統的ADS-B信息校驗技術的基礎上，提出了一種利用無線電測向技術實現ADS-B信息校驗的新方法。該方法可以實現ADS-B虛假目標的有效識別。
關鍵詞： ADS-B；測向天線；信息校驗

    ADS-B[1]技術是ICAO（國際民航組織）推薦使用的集衛星導航、數據通信和航空監視應用于一體的新一代交通運輸系統的先進技術。ADS-B技術將衛星導航、通信鏈路、機載設備（IN，OUT）以及地面設備（IN，OUT）等先進技術相結合，提供了更加安全、高效的空中交通監視手段，能有效提高地面管制人員和空中飛行人員的運行態勢感知能力，擴大航空監視的有效覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運行效率[2]。
    ADS-B系統作為民航ATM系統一個新興的監視技術，其具有非獨立和被動監視的特點，這使得裝備ADS-B機載發射設備的航空器并不一定會提供有保障的、連續的飛機狀態和意圖信息，在ADS-B 系統運行期間，報文丟失、傳輸誤碼、主動的電子欺騙以及被動的其他信號干擾都將降低ADS-B數據的完整性[3]，使得整個系統的安全等級大大降低，為飛行人員的自主飛行和管制人員的有效監控造成重大的誤導，帶來了一定的安全隱患。
    當前，信息化技術已在民航各項業務中發揮著舉足輕重的作用，ADS-B的信息校驗方法關系到ADS-B的信息安全，已成為全球民航業界專業人士共同思考和面對的課題。解決該類問題，確保ADS-B的信息安全，關鍵在于對ADS-B報文進行信息校驗，確認ADS-B數據報文的完整性，對ADS-B報文信息進行查錯與糾錯，識別ADS-B有效信息，對于錯誤信息進行過濾，防止受到人為欺騙。
1 傳統校驗方法
    當前常用到的對ADS-B信息進行校驗的方法主要有兩類：獨立校驗和非獨立校驗[4]。其具體實現方法為：NIC導航數據完好性判斷、Kalman濾波器跟蹤預測和多傳感的數據融合對比。
1.1 NIC導航數據完好性判斷
    RTCA DO-260/EUROCAE ED-102中規定，在較低版本(Version 0)中的ADS-B在狀態矢量報告報文信息里用NUC(Navigation Uncertainty Category)來描述ADS-B的信息可靠性，但是當升級到較高版本(Version 2)，在RTCA DO-260B/EUROCAE ED-129中，ADS-B報文在狀態矢量字段中包含了NIC(Navigation Integrity Category)[5-6]，NIC值用于判斷ADS-B報文報告的地理位置信息是否可用于監視應用，可以通過該數值來判斷報文的完好性。
1.2 Kalman濾波器跟蹤預測
    利用自適應的Kalman Filters 算法對接收到的ADS-B信號的噪聲進行濾波[7-8]，識別、抑制錯誤數據，平滑、補充丟失數據，并提供當前最優狀態的估計值，預測目標飛機在下一時刻的位置。當接收到的實際位置和預測的位置接近時，判定數據達到完好性要求，該目標為真目標；反之，當實際位置和預測的位置相差大于某個門限時，則認為該目標為假目標，丟棄該數據[9]。該方法在航跡預推中應用較廣。
1.3 多傳感器的數據融合對比
    在同一時間，針對同一目標使用雷達和ADS-B兩種監視技術，對各系統接收到的信息進行數據融合[10]，提供最小位置誤差的系統航跡，對ADS-B信息進行對比驗證，確定目標的真偽和可靠性。
    針對虛假目標模擬靜態目標、線性運動目標以及預設航跡單、多目標，并通過便攜式發射器進行發射，完成了模擬信息對外廣播的欺騙方法，在ADS-B信息接收端，按照上面提到的傳統的ADS-B信息校驗方法，對數據進行處理，基本上都能辨別信息的真偽。
    但是，當來自虛假目標的模擬的ADS-B數據完全按照標準ADS-B報文格式進行編碼和處理時，從報文傳輸和編碼的角度分析，由于ADS-B系統采用了公開的頻率，其調試方式、數據格式和通信方式也都有相應的技術文檔對其進行了詳細的說明，并且所有的ADS-B報文必須遵照這一技術文檔進行編碼和傳輸，因此，有特殊意圖的用戶完全可以在地面或是在空中模擬空中飛行的飛機定時廣播的信息報文，以及地面基站詢問、其他飛機詢問、應答的數據，因而對其他飛機和地面基站而言，這個模擬的飛機與其他飛機相比可能沒有明顯的區別。針對此類類型的電子欺騙，在采用傳統的校驗方法時，就不能有效地辨別信息的真偽。
2 測向天線校驗
    對于完全符合技術要求的ADS-B欺騙信息報文，可以利用無線電信號的傳輸特性，從無線電信號的角度分析，如果只是在地面固定地點模擬ADS-B信號，則在信號強度和方向性等方面與實際的ADS-B信號應該有差別，如果在地面上設置有方向性的無線電測向天線，則很容易跟蹤并發現該信號的無線電波束。此時，可以利用電磁波傳播特性，采用無線電測向設備測定無線電波來驗證信息的真偽。
    本文所研究的信息校驗方法是采用測向天線方式對信息源發出的無線電波信號進行方位驗證[11]，確保信號源方位與信息內容預測方位的一致性，防止虛假目標模擬正常的ADS-B信號來對接收方進行欺騙。
2.1 測向天線校驗ADS-B信息原理
    ADS-B信息的經度、緯度、高度等位置信息都包含在ADS-B的報文中，因此ADS-B的發射設備在向外廣播ADS-B報文信息時，被接收站接收后可以計算出該目標在下一時刻的預測位置，如果實測信息源方位和來自信息的預測方位能夠有效匹配，即通過ADS-B地面站設備收到的ADS-B信息和通過測向天線偵測到的無線電信號源的位置是一致的，則可以判斷該ADS-B信息是可靠的；反之，則不然。
2.2 測向天線校驗ADS-B信息流程
    圖1為使用測向天線對目標進行限定范圍搜索的流程。

    對圖1中的流程分析如下：
    (1)測向天線系統通過本地測向天線系統自帶的GPS設備獲取測向天線系統在K時刻的精確GPS坐標，記為經度λ0、緯度φ0，高度h0，并將該GPS坐標作為本地方位換算的一個初始點。
    (2)系統控制器通過讀取ADS-B接收機接收的目標航空器的ADS-B報文，對報文進行解析，獲取目標航空器在K時刻自身發送出來的GPS坐標位置，并利用Kalman濾波預推計算出K+1時刻的目標航空器的GPS坐標預測值，記為經度λ、緯度φ、高度h。
    (3)利用(1)和(2)中的GPS坐標，根據式(1)可以計算出在K+1時刻目標位置與測向天線之間的方位角理論值β，根據式(2)計算出K+1時刻目標位置與測向天線之間的距離rh，等效地球半徑為R，目標投影點的球心角為γ。

    (4)在K+1時刻，系統計算出K+1時刻的方位角β，通過天線控制的伺服系統，驅動天線調到方位角β，這時應接收到有效的ADS-B 信息，同時還可以計算出目標航空器與測向天線之間的距離為rh。
    (5)在測向天線預測目標的方位后，通過與測向天線系統連接的ADS-B接收設備對接收到的無線電信號進行解析，如果此時能夠解析出正確的且與獨立的ADS-B設備解析出來的ADS-B信息一致，則表明測向天線系統接收到的信號是真實飛行目標發送的，因此沒有欺騙性的虛假模擬信號；否則，如果測向天線所連接的接收設備沒有接收到ADS-B信息或者是接收到的ADS-B信息與獨立接收設備接收到的信息不一致，則該信息為虛假的模擬目標。
    上述驗證方式是通過先接收信息，再根據預計目標方位與實際接收到的目標位置進行對比；同樣，可以通過測向天線有目的地搜索ADS-B信息，通過本地接收機解析后，獲取信號源方位信息，再送到獨立的ADS-B接收機進行對比驗證，也可以得出信號源是否是同一目標。
    為了將測向天線系統快速而準確地指向預計目標的方位，需要利用解析的ADS-B信息中的目標高度、經緯度、速度等參數，采用較好的航跡預計算法，對目標的下一次發送信息的位置進行提前預計。通過測向天線伺服系統跟蹤預計飛行器目標位置，對比ADS-B接收機是否接收到與上一次相關聯的目標信息，便可以跟蹤測量預計的飛行器，并根據結果判斷目標的真偽。
    本文提出的基于無線電測向技術的ADS-B信息校驗技術, 對比傳統的ADS-B信息校驗方法，該校驗方法對于嚴格按照ADS-B報文格式編寫的偽ADS-B報文信息，可以實現有效識別。該研究成果可以為中國民航在下一階段對ADS-B技術的全面應用中，進行進一步的驗證和校驗方法的優化，可有效地檢測ADS-B信息的合法性，實時地阻止ADS-B虛假目標的欺騙事件的發生，提高航空安全的保障性。
參考文獻
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