ADS―B地面站抗欺骗系统研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇ADS―B地面站抗欺骗系统研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：随着新一代监视手段ads-B系统的不断发展，ADS-B系统存在的应用风险日益突出，特别是ADS-B应答信息安全问题，影响ATC对ADS-B系统信任，关系ADS-B系统可用与否。因此，在这种应用发展趋势下，亟需提出有效的方案以解决存在的问题，降低应用风险。
关键词：ADS-B；应用风险；信息安全
针对ADS-B信息安全方面的问题，不少学者已提出一些经典的ADS-B信息抗欺骗对策。文章在介绍这些对策并分析其优缺点的基础上，从其中对策之一的ADS-B数据独立校验和确认技术入手，提出ADS-B地面站抗欺骗系统信息处理方案，讨论了该抗欺骗系统的设计，详述了该系统的设计理念和工作流程。最后，讨论地面站抗欺骗系统的核心技术，引出作为该系统技术支撑的单脉冲DOA估计方法。
1 系统核心技术介绍
地面站抗欺骗系统是根据对目标发送ADS-B信息进行DOA估计而定位目标，再与其报文位置信息对比，获知信息的真伪，从而实现对抗应答信息的欺骗。从对系统的分析了解，该系统工作的目的是ADS-B报文真伪判别，而其技术支撑是单脉冲DOA估计。
2 ADS-B信息抗欺骗经典对策
针对ADS-B系统存在的风险，特别是ADS-B信息安全方面的问题。对此，一些学者提出了以下几种保障ADS-B信息安全性，以提高ADS-B系统可靠性和保安性的方案。
2.1 建立备份系统
其一，二次雷达备份系统。
其二，惯性导航备份系统。
其三，多点定位监视备份系统。
2.2 ADS-B信息安全管理和数据加密传输技术
针对ADS-B通信方式的安全性不足和特殊包机活动等要求，相关专家学者提出，建立ADS-B用户信息管理体系和ADS-B数据安全传输系统的方法。但是，这种方式适合我国航班需要提前申请的飞行活动，而不适合国外普遍采用的低空目视飞行等通用航空飞行，也不符合国际上提出的自由飞行的理念。
2.3 ADS-B数据独立校验和确认技术
二次雷达等备份系统是对数据源的非独立校验，但当ADS-B作为唯一的监视系统时，为了确保信息的安全完整有效，必须对ADS-B数据进行独立校验。
一般地，对于ADS-B报文的意图信息的有效性验证可以分为几何相符验证和目的相符验证两部分。利用关联函数来求出飞机运动与广播意图的关联度，几何相符验证的是飞机在转弯点之间的飞行是否符合所需导航性能；目的相符验证飞行员是否按照广播意图飞行，将飞机运动状态分解为水平航迹、垂直航迹，得到各自对于目的运动状态对应向量的关联度，然后建立最初目的模型，计算基于RNP要求的确定性因子来评估ADS-B意图信息的完整性。
有学者提出利用卡尔曼滤波器对ADS-B数据进行处理的方法，将飞机的ADS-B数据转换成描述飞机连续运动状态的信号，进而验证飞机当前飞行状态。该方案是将经过预处理的信号输入卡尔曼滤波器，估计出飞机当前飞行状态，该估计结果与历史数据相比较可得到一个飞行状态估计的可信度，利用这个可信度值可对当前ADS-B进行数据校验。
作者在了解了以上几种ADS-B信息安全问题对策的基础上，着重从第3点的ADS-B数据独立校验和确认技术方面入手，提出在地面站建立相关天线阵列的抗欺骗系统，独立地检验ADS-B信号的真伪。
3 地面站抗欺骗系统设计
文章提出的ADS-B地面站抗欺骗系统基本工作原理概述为，在地面设置相关天线阵列，以实现对ADS-B信号进行测角并检查信号方位，从而发现ADS-B报文中位置信息与其真实位置相差较大的伪造信号。下面相继详述该系统的设计理念和工作流程。
3.1 设计理念
根据所提出的地面站抗欺骗系统的基本工作原理可见，设计该系统需完成的任务包括：首先，地面某一位置的组合线阵作为地面测向基站。一，完成以该基站为中心的全方位空域的波束覆盖，确定目标信号走向，定位目标；其次，考虑到ADS-B应答信息可通过篡改报文中位置信息，使该地面基站的测角定位结果与报文位置信息一致而误信，需在不同于地面测向基站的另一处位置安装相同硬件设置的地面测向基站。二，再次定位目标。通过两处基站的定位信息和报文位置信息的比较，判别出ADS-B应答信息的真伪。
由此可得，地面站抗欺骗系统的设计理念可用两个方面来概括：一，方位空域的波束覆盖；二，线阵的组合设置。
方位空域的波束覆盖设计理念涵盖线阵多波束全方位覆盖技术，其主要思想是根据单脉冲和差测角原理，利用线阵形成多个特定指向的且相互覆盖的波束，来完成某一角度方位的空域覆盖。我们知道，对于一个相位扫描天线阵，相移加权不同，则其波束指向也不同。若依次改变阵列的相移加权，在空间将相继出现多个指向不同的波束，则可实现尽可能地覆盖[-90°，90°]空域的目的。
波束仅覆盖某一角度方位的空域，将导致缺漏其他角度方位上的信号监视，因此，需进一步讨论波束全方位空域覆盖的问题。定义波束全方位覆盖为在360°的空域内，一个地面测向基站的组合线阵所形成的相邻波束间有一定的重叠，而且，对落在任两个波束重叠部分的角度范围内的信号进行测角的结果标准差符合阈值限定。
在探究全方位空域覆盖时，首先，了解到由于线阵天线具有方向性，单个波束的有效宽度不足以覆盖整个空域，因此需要多个不同指向的波束相互不完全地重叠覆盖一定的空域；其次，了解到在一定的测角精度要求下，单一线阵的同时多波束覆盖范围不能达到[-90°，90°]，需要合理设置组合线阵，以达到360°的全方位覆盖。
因此，为了达到360°全空域的波束覆盖，设计在同一地面基站放置三个线阵，并将这三个线阵以成等边三角型的方式放置，表现在xoy坐标系如图1所示。三个线阵所在直线相交相互可形成60°夹角，三者的分析情况相同，现以线阵1和线阵2为例。假设波束a
和波束b分别是线阵1和线阵2相邻端的相同最大波束指向角度下的波束，l1和l2分别表示波束a和波束b最大角度（即？兹max）所在线。若？兹max=60°，则波束a和波束b相切（即两个波束间不存在任何重叠），在此情况下，组合线阵能恰好地实现全方位波束覆盖。因此，？兹max？叟60°是实现全方位波束覆盖的条件。满足该条件的证明将由第四章的DOA估计仿真实验结果获得。
3.2 工作流程
3.1节的系统设计理念中，明确了该系统地面基站的设备需求和分工，据此设计出具体的判断机载ADS-B发送的应答信号中位置信息是否虚假的解决方案。
考虑发射ADS-B信号的空间目标位置在以地面站点的组合线阵平面中心为坐标原点的笛卡尔坐标系中，每个组合线阵中心放置ADS-B应答信号接收机。地面数据处理中心读取地面测向基站的ADS-B应答信号接收机输出的目标标识和四维位置（时间、经纬度、高度）信息，该测向基站的伺服装置将有向天线指向目标所在的方位，对来向信号进行DOA估计，测向结果送回数据处理中心；数据处理中心分析所有测向基站的结果，如果两个测向基站对目标的定位结果与ADS-B接收机接收来自该目标的应答信息一致，则表明该目标是真实的；如果仅有一个基站或者没有任何基站的定位结果与ADS-B接收机解析的位置结果相同，则表明该目标是虚假的。
现详述设计该系统地面基站的工作流程，如图2所示，流程概括如下：
步骤1：地面基站一的ADS-B应答信号接收机接收并解析机载ADS-B报文，从报文中获得历史航迹，大致确定飞机位置信息，根据地面基站一和飞机分别在笛卡尔坐标系的位置关系，大致确定应答信息到达线阵的入射角。
步骤2：根据入射角？兹落在某一波束（设为波束p）内的波束可测角度范围R（p）（即∈R（p）），调整线阵的天线指向为波束p的波束最大指向0（p），对入射信号进行测角估计，得到。
步骤3：当报文位置信息不存在欺骗时，认为通过线阵对目标信号测角定位的信息与报文位置信息一致。因此，评估与是否一致，若不一致，判断该应答信息虚假，任务结束；若一致，启用地面基站二的设备，重复地面基站一的应答信号解析、大致确定信号来向、调整线阵波束指向、DOA估计的工作。
步骤4：根据步骤3中地面基站二的DOA估计结果，再次评估与是否一致，若不一致，判断该应答信息虚假；若一致，则判断该应答信息真实。任务结束。
3.3 ADS-B报文真伪判别
常用ADS-B是基于二次雷达S模式协议的监视系统。不同于常规二次雷达系统依靠地面询问而发送报文，机载ADS-B系统遵循Aloha协议，使用信号发送器无目的性地广播信号。ADS-B报文不仅有高度和标识信息，也包含了该飞机自身定位系统提供的位置信息。根据ADS-B领域的研究成果[1]，大部分的ADS-B发射器是广播真实的位置信息，接收机接收的位置信息的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）服从雷利分布，平均值大约250。这个实验结果在一方面说明了在监视航迹交通中可接受的差错阈值，另一方面，表明有一些发射器出现了较大的错误。导致这些较大错误的一个可能的原因，是ADS-B发射器根据飞机上的导航系统或惯性测量系统（Inertial Measurement Unit，IMU）得到不合理的记录。同时，当场面监视仅依靠ADS-B系统时，具有相应接收机的非法用户可以很容易地在消息的传输过程中捕获ADS-B用户的身份、位置和飞行意图信息，导致敏感信息泄露；或者，非法用户可能伪造ADS-B信息，进行电子欺骗；非法电台记录合法信号并播送，干扰正常监视系统；篡改正常信息的关键内容等。这些均是认为在地面没有有效的抗欺骗技术的ADS-B应答对ATC不够可靠的主要原因。
对此，提出地面站抗欺骗系统的信息处理方案，解决ADS-B报文真伪判别问题，提高ATC对ADS-B信息信任度，有利于ADS-B作为新一代监视系统的广泛应用。
3.4 单脉冲DOA估计
3.3节中已明确地面站抗欺骗系统的信息处理方案目标是解决ADS-B报文真伪判别问题，而文章考虑将单脉冲DOA估计作为报文真伪判别的技术支撑。因为在实际应用中，安装一次雷达、二次雷达或多点定位系统需花费太大而不够经济合理。如果ADS-B地面站有能力用一个不依靠的测量方法去检查应答信息中的位置信息，情况将会改变，例如，文章通过使用两个能对信息来向进行DOA估计的ADS-B地面站，更好地证实了ADS-B发送的位置信息，即用两个位置不同的地面测向基站定位ADS-B目标[2]。
线阵DOA估计领域的研究，主要分为三大类：一是空域谱峰搜索方法，如MUSIC[3]、ESPRIT[4]等，这些方法关系到信号子空间和噪声子空间，需通过寻找波峰估计信号到达角，在线阵DOA估计方法中运算量最大[5]；二是空域谱峰搜索与离散傅里叶变换的结合，它们利用FFT快速解决了DOA的预估计，再用传统谱峰搜索法做高精度估计，相比于第一类方法提高了运算速度和估计精度[6][7]；三是雷达的角度测量方法，如相位法、振幅法等，运用天线的波束扫描获得波达方向角。
第一类DOA估计方法，运算量大、估计范围小且精确度一般。文章提出采用基于单脉冲技术的DOA估计算法，避免了谱峰搜索，方法简易可行，运算量小估计精度高。
3.5 小结
本章的主要工作是进行地面站抗欺骗系统设计。首先研究已有的ADS-B信息抗欺骗对策，如建立备份系统，ADS-B数据独立校验和确认技术，ADS-B信息安全管理和数据加密传输技术等，在此基础上，提出设计地面站抗欺骗系统。然后通过对方位空域的波束覆盖讨论，进行合理地配置地面组合线阵，完成全方位空域波束覆盖，从而达到地面测向基站可从任意角度入射到组合线阵的目标信号定位的目的，最终实现对抗ADS-B信息欺骗。最后指出该系统的核心技术为单脉冲DOA估计。
参考文献
[1]Cedrini V，Zacchei C，Zampognaro V.ADS-B 1090ES implementation：the cristal-med project[C].Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles Proceedings， 2008.
[2]Reck C，Berold U，Schmidt LP.High precision DOA estimation of SSR transponder signals[C].IEEE International Conference on Wireless Technology and Systems，2010.
[3]刘刚，吕新华，等.阵列信号处理中基于MUSIC算法的空间谱估计[J].微计算机信息，2006，22（43）：302-304.
[4]P Yan，F Yang，Z P Nie.DOA estimation with sub-array divided technique and inerporlated ESPRIT algorithm on a cylindrical conformal array antenna[J].Progress In Electromagnetics Research，PIER103，2010，201-216.
[5]Petre Stoica，Randolph Moses，etc.Spectral Analysis of Signal[M].NJ：Prentice Hall，2005.
[6]Darren B Ward，Zhi Ding，Rodney A Kennedy.Broadban DOA Estimation Using Frequency Invariant Beamforming[J].IEEE Transactions on signal processiong，1998，46（5）：1463-1469.
[7]Lotfi Osman，Imen Sfar，Ali Gharsallash.An overview of DOA estimation using a uniform linear antenna array with four elements[J].Ametican Journal of Applied Sciences，2012，9：1-5.