CN105929416B - 基于gnss完好性信息的ads-b自主式防欺骗方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于GNSS完好性信息的ADS‑B自主式防欺骗方法。该方法基于GNSS完好性信息，以达到对ADS‑B发射机主动发送的ADS‑B空中位置报文的真假识别。本方法首先利用RAIM算法预测飞机位置处的HPL值，进而可以得到飞机位置处的预测NUC值，最后将该预测的NUC值与经ADS‑B空中位置报文解析而得到的NUC值进行一致性判决，对接收到的ADS‑B空中位置报文的真伪性进行鉴别。本发明方法可以在不增加任何ADS‑B接收机硬件的情况下，高效、快速地判定ADS‑B空中位置报文的真假，并可以作为一个独立的抗欺骗式干扰模块嵌入普通的ADS‑B接收机之中。
Description
技术领域
本发明属于全球卫星导航和信息安全交叉技术领域，特别是涉及一种基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法。
技术背景
ADS-B系统即广播式自动相关监视系统，由多地面站和机载系统构成，以网状、多点对多点方式完成数据双向通信，主要用于实施地对空和空对空监视。装备有ADS-B系统的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其它数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其它飞机的机载ADS-B系统结合起来，在空地都能提供精确、实时的监视信息。
ADS-B系统综合利用了卫星导航和数据链通信等技术，提供了一种全新、高效的空中交通监视手段。因ADS-B系统具有高精度监视数据、数据更新率快、信息丰富、完整性强及成本低、便于维护等特点，在世界各国航空运输系统中，特别是空中交通管制中将会得到广泛应用。ICAO将其定为未来主要监视技术，美国联邦航空管理局甚至将其作为新一代空中交通系统的骨干技术。我国军航早在“十一五”期间就制定了实施ADS-B系统(包括机载、地面设备)的规划，并在低空空域管理工程中得到了成功应用；中国民用航空局于2012年公布了《中国民用航空ADS-B实施规划》，为ADS-B系统建设与应用提供行动指南，推动了ADS-B系统在我国航空运输领域的全面发展和应用，同时促进我国民航事业持续安全与科学发展。
但是随着ADS-B系统在全球不断建设推广，在航空运输领域取得显著技术与社会效益的同时，ADS-B系统自身所具有的一些技术应用弱点，以及所面临的人为攻击、虚假欺骗等安全性问题也逐步显露出来，从而引起了全球特别是欧美等空管发达国家及组织的高度关注和重视。
ADS-B系统开放式的自主监视架构必然面临不可忽视的安全性挑战：该系统易被人为攻击，若ADS-B系统向周围邻近的飞机和地面站发送虚假的位置等信息，则会造成飞行秩序的混乱，严重时会造成飞行冲突而酿成悲剧。综合考虑，ADS-B系统应用时可能产生的人为入侵和恶意欺骗主要存在如下几种情形：
(1)人为干扰欺骗：ADS-B系统的低成本使得许多所谓的“无线电爱好者”能较为方便地搭建一个简易的ADS-B发射/接收(OUT/IN)设备，这样在军民航空中交通管制中心的监视屏幕上可随意制造出数个虚假的飞机位置信息。
(2)恐怖袭击威胁：恐怖敌对分子有可能利用修改后的卫星定位数据，或经由数据链制造虚假的ADS-B位置数据，从而引发错误的飞行器位置广播。
(3)ADS-B数据滥用威胁：透明开放的ADS-B数据可能被敌对分子利用，非法跟踪、定位及确认某一飞机(如VIP专机、某航空公司班机、企业公务机等)，可获取该架飞机所关联的政治、商业、个人意图等重要信息，并据此对该航空器实施某种实质性的威胁。
(4)ADS-B数据的延迟、错误或失效威胁：攻击者可能对某一特定区域施加无线干扰，从而导致ADS-B系统服务以及卫星导航定位数据的失效或偏差。
(5)全球导航卫星系统GNSS面临的如信号干扰、电子欺骗等脆弱性威胁：由于ADS-B系统主要依赖GNSS对目标进行定位，但本身并不能确定位置信息的真实性和完整性，所以GNSS系统的数据完好性问题也是影响ADS-B监视数据安全质量的一个重要因素。ADS-B系统的导航数据源过于依赖GNSS，假如GNSS系统给出的定位信息有误或失效，ADS-B系统则无法辨别，因此会造成系统不能正常工作。
综上所述，要实现ADS-B系统的全面推广应用，就必须解决ADS-B系统易被人为攻击和虚假欺骗的安全漏洞。通过对ADS-B系统的信息实施安全性、一致性的检测，尽快研究、探索并建立一套有效的ADS-B自主防欺骗检测机制和方法，解决ADS-B系统易被人为恶意侵入和虚假欺骗这一紧迫、重大的安全应用难题已迫在眉睫。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)利用ADS-B接收机接收由机载ADS-B设备发送的ADS-B空中位置报文，然后对该ADS-B空中位置报文进行解析，得到ADS-B空中位置报文的接收时间、以及包括经度、纬度和高度在内的飞机位置信息和完好性特征属性参数NUC值；
2)利用从步骤1)中获得的飞机位置信息以及GPS卫星星历数据，基于GPS接收机自主完好性监视RAIM算法，预测出ADS-B空中位置报文中时间和位置信息处的用于表示飞机定位精度和质量的HPL值；
3)根据RTCA DO-260标准中规定的HPL值取值范围与完好性特征属性参数NUC值之间的对应关系，将上述步骤2)预测得到的HPL值转化为解析的飞机位置处的预测完好性特征属性参数NUC值；
4)判断上述步骤3)中获得的预测完好性特征属性参数NUC值与步骤1)中经ADS-B空中位置报文解析而得到的完好性特征属性参数NUC值是否相等，如果相等，则判断步骤1)中接收到的ADS-B空中位置报文为真实报文，如果不相等，则判断该ADS-B空中位置报文为虚假报文。
在步骤2)中，所述的利用从步骤1)中获得的飞机位置信息以及GPS卫星星历数据，基于GPS接收机自主完好性监视RAIM，预测出ADS-B空中位置报文中时间和位置信息处的用于表示飞机定位精度和质量的HPL值的方法是：利用RAIM算法中的HPL判断法来计算HPL，具体计算方法如下：
设GPS的伪距观测模型为：
y＝Gx+ε
式中，y是n阶伪距观测值与估计用户位置伪距值的差，n为可见星数目；G是n×4阶系数矩阵；x是4阶待求用户信息参数；ε是n阶观测噪声；
首先，每颗卫星都有相应的特征斜率Slope，它是观测矩阵G的相关函数；
式中，A＝(GTG)-1GT,S＝I-G(GTG)-1GT；
接着，计算临界偏差λ0与给定漏警率Pmd相关，通过下列等式获得：
式中，表示χ2分布的密度函数，那么HPL值计算公式为：
本发明提供的基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法，针对主动发送ADS-B空中位置报文的ADS-B发射机，解析该ADS-B空中位置报文获得飞机的位置信息，并利用RAIM算法预测飞机位置处的HPL值，进而可以得到飞机位置处的预测NUC值，最后将该预测的NUC值与经ADS-B空中位置报文解析而得到的NUC值进行一致性判决，对接收到的ADS-B空中位置报文的真伪性进行鉴别。本发明方法可以在不增加任何ADS-B接收机硬件的情况下，高效、快速地判定ADS-B空中位置报文的真假，并可以作为一个独立的抗欺骗式干扰模块嵌入普通的ADS-B接收机之中。
附图说明
图1为本发明中所有解析飞机位置三维散点图。
图2为本发明提供的基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法流程图。
具体实施方法
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法进行详细说明。
如图2所示，本发明提供的基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)利用ADS-B接收机接收由机载ADS-B设备发送的ADS-B空中位置报文，然后对该ADS-B空中位置报文进行解析，得到ADS-B空中位置报文的接收时间、包括经度、纬度和高度在内的飞机位置信息以及完好性特征属性参数NUC值；
机载设备发送的ADS-B空中位置报文中并不包含报文生成发送的时间信息，但ADS-B接收机在接收到该报文时，会根据当前的计算机系统时间给报文加上一个时间戳，直接在报文的最前端加上相应的世界协调时(UTC)到达时间信息。
2)利用从步骤1)中获得的飞机位置信息以及GPS卫星星历数据，基于GPS接收机自主完好性监视RAIM算法，预测出ADS-B空中位置报文中时间和位置信息处的用于表示飞机定位精度和质量的HPL值；
方法是利用RAIM算法中的HPL判断法来计算HPL，具体计算方法如下：
设GPS的伪距观测模型为：
y＝Gx+ε
式中，y是n阶伪距观测值与估计用户位置伪距值的差，n为可见星数目；G是n×4阶系数矩阵；x是4阶待求用户信息参数；ε是n阶观测噪声；
首先，每颗卫星都有相应的特征斜率Slope，它是观测矩阵G的相关函数；
式中，A＝(GTG)-1GT,S＝I-G(GTG)-1GT；
在位置误差一定的情况下，卫星的斜率越大对应的检验统计量越小，卫星也越难检测。
接着，计算临界偏差λ0与给定漏警率Pmd相关，通过下列等式获得：
式中，表示χ2分布的密度函数，那么HPL值计算公式为：
3)根据RTCA DO-260标准中规定的HPL值取值范围与完好性特征属性参数NUC值之间的对应关系，将上述步骤2)预测得到的HPL值转化为解析的飞机位置处的预测完好性特征属性参数NUC值；
4)判断上述步骤3)中获得的预测完好性特征属性参数NUC值与步骤1)中经ADS-B空中位置报文解析而得到的完好性特征属性参数NUC值是否相等，如果相等，则判断步骤1)中接收到的ADS-B空中位置报文为真实报文，如果不相等，则判断该ADS-B空中位置报文为虚假报文。
本发明提供的基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法的效果可以通过以下仿真实验说明。
本发明采用SBS-3系列ADS-B接收机，以XXXX大学北院为接收点，接收某机场空域机载ADS-B设备发送的ADS-B空中位置报文，时间从2015年5月18日6时51分18秒至2015年5月18日8时50分54秒之间，近两个小时共计接收到11853条ADS-B空中位置报文，并以十六进制格式保存为dat格式的文件，为便于仿真实验先转化存放在excel表格中。
然后对包含ADS-B空中位置报文和二次雷达数据的原始数据进行处理，筛选得出只带有时间和ME消息字段的ADS-B空中位置报文。根据1090ES数据链报文的结构和组成，通过解析筛选得到所有ADS-B空中位置报文，以及发送ADS-B空中位置报文的所有飞机的身份识别号。选取其中接收到ADS-B空中位置报文比较多的飞机进行仿真实验，本次仿真实验选取的飞机ID为“8D780D33”，通过筛选得到总计279条该架飞机的ADS-B空中位置报文。
通过MATLAB仿真生成飞机ID为“8D780D33”的虚假ADS-B空中位置报文。这里生成的虚假报文可以人为设定ADS-B空中位置报文的经纬度和时间信息，高度值和完好性特征属性参数NUC值则采用选取随机数的方式。输入相应的仿真参数，可模拟得到飞机ID为“8D780D33”的500条虚假ADS-B空中位置报文。
接着将上述处理的飞机ID为“8D780D33”的真实ADS-B空中位置报文与模拟生成的虚假ADS-B空中位置报文相混合，得到飞机ID为“8D780D33”的ADS-B空中位置报文库，合计779条ADS-B空中位置报文。同时加载GPS星座卫星历书文件，得到所有卫星的开普勒轨道参数。
最后对所有的ADS-B空中位置报文进行解析，得到对应的报文到达时间、位置信息(经度、纬度和高度)和完好性特征属性参数NUC，所有飞机位置数据三维散点图如图1所示。根据ADS-B空中位置报文到达时间和位置信息，利用RAIM预测出ADS-B空中位置报文中时间和位置信息处的HPL值，再根据RTCA DO-260标准将预测的HPL值转化为预测的NUC值，并将预测NUC值与对应报文解析得到的NUC值做一致性比对，如果一致则判断接收到的ADS-B空中位置报文为真报文，如果不一致则判断为虚假欺骗报文。仿真实验结果表明，该方法的误警率为0。
为了更充分验证本发明方法的准确性，本发明人分别对接收到的10架飞机的3372条原始真实ADS-B空中位置报文信息进行解析，并用本发明方法进行真假ADS-B报文的判别。结果显示，从接收到的3372条原始报文中解析得到了578个位置信息，通过本发明方法，判定原始报文中有一个位置信息为虚假欺骗信息，那么得到该方法的误警率为1/578＝0.173％。
然后模拟生成5000条虚假的ADS-B空中位置报文，对生成的虚假报文进行解析得出2500条虚假位置信息，并利用本发明的方法进行ADS-B真假报文的判别，结果判定出其中2499条虚假信息，得到该仿真方法的误警率为1/2500＝0.04％。仿真实验结果表明，本发明的方法可以有效防止不含完好性信息或完好性信息与飞机位置不关联的虚假ADS-B空中位置报文的恶意欺骗。
Claims (2)
1.一种基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)利用ADS-B接收机接收由机载ADS-B设备发送的ADS-B空中位置报文，然后对该ADS-B空中位置报文进行解析，得到ADS-B空中位置报文的接收时间、包括经度、纬度和高度在内的飞机位置信息以及完好性特征属性参数NUC值；
2)利用从步骤1)中获得的飞机位置信息以及GPS卫星星历数据，基于GPS接收机自主完好性监视RAIM算法，预测出ADS-B空中位置报文中时间和位置信息处的用于表示飞机定位精度和质量的HPL值；
3)根据RTCA DO-260标准中规定的HPL值取值范围与完好性特征属性参数NUC值之间的对应关系，将上述步骤2)预测得到的HPL值转化为解析的飞机位置处的预测完好性特征属性参数NUC值；
4)判断上述步骤3)中获得的预测完好性特征属性参数NUC值与步骤1)中经ADS-B空中位置报文解析而得到的完好性特征属性参数NUC值是否相等，如果相等，则判断步骤1)中接收到的ADS-B空中位置报文为真实报文，如果不相等，则判断该ADS-B空中位置报文为虚假报文。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺骗方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的利用从步骤1)中获得的飞机位置信息以及GPS卫星星历数据，基于GPS接收机自主完好性监视RAIM，预测出ADS-B空中位置报文中时间和位置信息处的用于表示飞机定位精度和质量的HPL值的方法是：利用RAIM算法中的HPL判断法来计算HPL，具体计算方法如下：
设GPS的伪距观测模型为：
y＝Gx+ε
式中，y是n阶伪距观测值与估计用户位置伪距值的差，n为可见星数目；G是n×4阶系数矩阵；x是4阶待求用户信息参数；ε是n阶观测噪声；
首先，每颗卫星都有相应的特征斜率Slope，它是观测矩阵G的相关函数；
式中，A＝(GTG)-1GT,S＝I-G(GTG)-1GT；A表示矩阵A；S表示矩阵S；i表示第i颗卫星；Slope(i)表示第i颗卫星的特征斜率；A1i 和 A2i 分别表示矩阵 A 的第 1 行第 i 列和矩阵 A的第 2 行第 i 列 ；Sii表示矩阵S的第i行第i列；I表示单位矩阵；
接着，计算临界偏差λ0与给定漏警率Pmd相关，通过下列等式获得：
式中，表示χ2分布的密度函数，那么HPL值计算公式为：
其中，σ表示用户等效距离误差；SSE表示各个卫星距离残差的平方和；T表示检测门限；λ表示非中心χ2分布的非中心化参数；Slopemax表示最大特征斜率。
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