CN107015249A - 基于空间相关一致性的ads‑b欺骗式干扰检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空间相关一致性的ADS‑B欺骗干扰检测方法。其包括利用接收机对接收信号进行解码得到方向向量组；计算特征向量组；计算特征向量组中两个相邻向量的余弦相关值，判断同一组空中位置消息是否来自同一信源；方向向量组及特征向量组的余弦相关值序列；计算皮尔逊相关系数，进而判断出真实目标和虚假目标等步骤。本发明结合阵列天线和空中位置消息，验证空中位置消息所反映的坐标空间中飞机的运动趋势与信号空间中信号来向的变化趋势是否一致，从而判断出真实目标和虚假目标。另外，对于接收机上上阵列天线接收的信号仅需计算其信号协方差矩阵的特征值分解，无需搜索测向，不需要阵列流形信息，对于阵列天线的幅相误差是比较稳健的。

Description

基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法

技术领域

本发明属于ADS-B干扰抑制技术领域，特别是涉及一种基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法。

背景技术

广播式自动相关监视(ADS-B)技术是一种基于全球卫星导航定位系统(GNSS)和地空、空空数据链的航空器监视技术，是国际民航组织(ICAO)确定的未来主要监视技术，被监视的目标以广播的形式发送自身的位置、速度、飞行意图、自身标识等信息。与传统的雷达监视技术相比，其定位精度高、更新速率快，且价格便宜、安装简便，因此在空中交通管理领域应用前景广泛。但是由于ADS-B系统的广播特性及信道不加密特性，使其面临如窃听、阻塞干扰和欺骗干扰等常见的射频攻击问题。其中，欺骗式干扰以其容易产生，不易察觉的特点，可能对空管系统造成极大的困扰，并引起严重后果，因此研究ADS-B欺骗式干扰检测技术具有非常重要的意义。

目前，已有大量文献对欺骗干扰的产生方式进行讨论和分类，国内外主要将其分为三类：消息注入式干扰、消息删除式干扰和消息修改式干扰。消息注入式干扰是指生成虚假消息或转发修改过的真实消息，产生虚假目标或者发送真实存在目标的虚假航迹，扰乱空中交通秩序；删除式干扰是指通过一定的手段使得接收机不能得到某特定目标的解码信息；消息修改式干扰主要指对真实目标的航迹进行修改，可结合消息注入和消息删除来实施。

而国内外在抗欺骗干扰领域研究主要从两个方面着手：一种是在传播过程中采取措施，另一种是对飞机真实位置验证。利用飞机真实位置进行验证的方法主要有：多点定位、卡尔曼滤波和意图验证、群组校验、数据融合等方法，但上述方法或者利用多个接收机，实现起来较为复杂，且需要解决接收机时间同步的问题，或利用多个数据源如雷达系统或多点定位系统，增加了附加系统的花费，成本较高；通过传播过程验证的方法又分为采用密码学方法和基于信号特性的非密码学方法如根据接收信号强度、多普勒频移、波达方向(DOA)和时间差等来检测欺骗干扰的方法，但是各种加密方法都需要改变现有的ADS-B协议，与现有的ADS-B系统不能兼容，所以对现有系统不适用；而非密码学方法中，大多也都需要多个接收机，设备较复杂，需要解决同步问题。而根据DOA验证的方法或者需要多个测向基站，或者需要复杂的阵列天线结构，且大部分需要估计DOA，复杂度很高，需要阵列流形信息，对阵列误差敏感，需要阵列校准，实现复杂。因而亟需一种更加安全的ADS-B欺骗干扰检测方法，能够排除虚假的消息或短时间内可靠识别出虚假目标，以保证ADS-B系统安全可靠运行。

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空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)利用接收机对接收信号进行解码，选出其中的空中位置消息，并按ICAO地址将空中位置消息进行分组，得到方向向量组和到达时间；

2)对于步骤1)中得到空中位置消息组，根据相应的到达时间找到其对应的阵列信号，并计算出特征向量组；

3)逐一计算上述特征向量组中两个相邻向量的余弦相关值，得到余弦相关值序列，然后利用余弦相关值序列判断同一组空中位置消息是否来自同一信源，如是，进入下一步骤，否则进入步骤6)；

4)对来自同一信源的空中位置消息组，分别计算步骤1)和步骤2)中所得方向向量组及特征向量组的余弦相关值序列γ和β；

5)计算步骤4)中得到的方向向量组的余弦相关值序列γ和特征向量组的余弦相关值序列β的皮尔逊相关系数，进而判断出真实目标和虚假目标；

6)对步骤3)中来自不同信源的空中位置消息组，重新进行分组并重复步骤2)到步骤5)。

在步骤1)中，所述的利用接收机对接收信号进行解码，选出其中的空中位置消息，并按ICAO地址将空中位置消息进行分组，得到方向向量组和到达时间的方法是：利用接收机对接收信号进行解码，选出空中位置消息，利用对其解码得到的三维位置坐标和接收机的三维位置坐标做差计算出相应的方向向量，再按照解码得到的ICAO地址将具有相同ICAO地址的空中位置消息及相应的方向向量分为一组，得到同一目标的空中位置消息组和方向向量组，并得到相应的一组到达时间。

在步骤2)中，所述的对于步骤1)中得到空中位置消息组，根据相应的到达时间找到其对应的阵列信号，并计算出特征向量组的方法是：对于步骤1)中得到的一个空中位置消息组，根据相应的到达时间，取得与之对应的阵列信号组，对阵列信号组中的信号，逐一求取协方差矩阵并进行特征值分解，选出每一个特征矩阵中最大特征值对应的特征向量，组成特征向量组。

在步骤3)中，所述的逐一计算上述特征向量组中两个相邻向量的余弦相关值，得到余弦相关值序列，然后利用余弦相关值序列判断同一组空中位置消息是否来自同一信源的方法是：对特征向量组U＝{u₁,...,u_n}中任意两相邻向量u_i和u_i+1，求余弦相关值得到一个余弦相关值序列，然后检测余弦相关值序列中每一个值是否均大于或等于门限，若是，则认为该组空中位置消息来自同一信源。

在步骤4)中，所述的对来自同一信源的空中位置消息组，分别计算步骤1)和步骤2)中所得方向向量组及特征向量组的余弦相关值序列γ和β的方法是：对特征向量组中的向量以间隔为q计算余弦相关值得到特征向量组的余弦相关值序列β；同样以q为间隔计算出方向向量组的余弦相关值序列γ。

在步骤5)中，所述的计算步骤4)中得到的方向向量组的余弦相关值序列γ和特征向量组的余弦相关值序列β的皮尔逊相关系数，进而判断出真实目标和虚假目标的方法是：计算特征向量组的余弦相关值序列β和方向向量组的余弦相关值序列γ的皮尔逊相关系数设定判定门限值，若皮尔逊相关系数高于门限值则判定为真实目标，否则判定为虚假目标。

在步骤6)中，所述的对步骤3)中来自不同信源的空中位置消息组，重新进行分组的方法是：将该组空中位置消息中第一条空中位置消息的来源标记为信源1，逐一检测该组空中位置消息的余弦相关值是否低于门限，若首次检测到某一空中位置消息的余弦相关值低于门限，则标记该空中位置消息来自信源2；若不是首次检测到某一空中位置消息的余弦相关值低于门限，假设在该空中位置消息之前已经标记过j个信源，则逐一检测空中位置消息是否来自信源1～j-1，若均不是则标记为新信源，最后将同一信源的消息分为一组得到新分组。

本发明提供的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗干扰检测方法，结合阵列天线和空中位置消息，验证空中位置消息所反映的坐标空间中飞机的运动趋势与信号空间中信号来向的变化趋势是否一致，从而判断出真实目标和虚假目标。另外，对于接收机上上阵列天线接收的信号仅需计算其信号协方差矩阵的特征值分解，无需搜索测向，不需要阵列流形信息，对于阵列天线的幅相误差是比较稳健的。

附图说明

图1为欺骗式干扰模型；

图2为本发明提供的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法流程图；

图3为虚假航迹修改的欺骗结果示意图；

图4为虚假航迹修改(信源不一致)的检测结果；

图5为虚假目标注入仿真实验中，不同目标的皮尔逊相关系数的经验累积分布函数(ECDF)图；

图6为虚假目标注入仿真实验中，不同目标的皮尔逊相关系数的频数分布图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明提供的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法进行详细说明。

如图1所示，一个欺骗干扰源可能向某一特定接收机进行注入式欺骗干扰，注入的虚假目标不仅可以发送特定的位置、航向等信息，且可以产生一条类似于真实目标的航迹。此时，可以按照如图2所示的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗干扰检测方法进行欺骗干扰检测，

如图3所示，一个欺骗式干扰源也可以通过结合消息注入和消息删除两种手段进行欺骗干扰，此时被干扰的接收机所解码的同一目标信息则来自不同信源。此时，可进一步通过余弦相关计算找出异常的消息并重新分组，最终得到来自同一目标的消息组并对其真实性进行判断。图4即为此种情况的检测结果，据此结果可以进一步将目标消息分为两组。

如图2所示，本发明提供的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)利用接收机对接收信号进行解码，选出其中的空中位置消息，并按ICAO地址将空中位置消息进行分组，得到方向向量组和到达时间；

对接收机接收到的信号进行解码，得到解码后的一组空中位置消息为X＝{x₁(t),x₂(t),...,x_l(t)}，其中l为空中位置消息的数量，对于每条空中位置消息x_i(t)，将解码得到的经度(λ)、纬度和高度(h)三维位置坐标由大地坐标系转换到地心地固坐标系C'_i(x_i,y_i,z_i)，同理，将接收机的三维位置坐标也转换到地心地固坐标系中得到其坐标为R'(x_r,y_r,z_r)，通过坐标差计算出相应的坐标空间的方向向量p_i＝R'C'；

将解码得到的同一个ICAO地址的空中位置消息分为一组，比如得到目标A的n条空中位置消息，其对应的航迹为T_A＝{C_A1,C_A2,...,C_An}，其中C_Ai表示一组三维位置坐标与航迹对应的空中位置消息组为X_A＝{x_A1(t),x_A2(t),...,x_An(t)},其到达时间记为TOA_A＝{τ_A1,τ_A2,...,τ_An}，得到目标A的方向向量组为P_A＝{p_A1,...,p_An}。

2)对于步骤1)中得到空中位置消息组，根据相应的到达时间找到其对应的阵列信号，并计算出特征向量组；

对于步骤1)中得到的目标A的空中位置消息X_A＝{x_A1(t),x_A2(t),...,x_An(t)}，根据其到达时间TOA_A＝{τ_A1,τ_A2,...,τ_An}，取得相应的阵列信号组X_A＝{x_A1,x_A2,...,x_An}，分别计算每条空中位置消息对应的阵列信号x_Ai的协方差矩阵。其中每条空中位置消息x_Ai(t)对应的阵列信号的模型为：

其中a表示空中位置消息的导向矢量，θ_Ai,分别表示目标A的方位角和俯仰角，n_Ai表示0均值的高斯白噪声，其协方差矩阵为：

其中σ²为阵元噪声功率，令其特征值分解为：

R_xxi＝U_iΣ_iU_i ^H (3)

其中Σ_i＝diag(σ₁ ²,σ₂ ²,...σ_N ²)，且σ₁ ²≥σ₂ ²≥...≥σ_N ²，N为接收机中的阵元个数，取特征矩阵U_i中的最大特征值σ₁ ²对应的特征向量记为u_Ai。

通过对各条空中位置消息对应的阵列信号x_Ai求协方差矩阵并进行特征值分解可得到其特征向量u_Ai，进一步得到相应的特征向量组U_A＝{u_A1,...,u_An}。

3)逐一计算上述特征向量组中两个相邻向量的余弦相关值，得到余弦相关值序列，然后利用余弦相关值序列判断同一组空中位置消息是否来自同一信源，如是，进入下一步骤，否则进入步骤6)；

逐一计算步骤2)得到的特征向量组U_A＝{u_A1,...,u_An}中两个相邻向量的余弦相关值：

得到一个余弦相关值序列β'＝{β'₁,β'₂,...,β'_n-1}，利用余弦相关值序列β'判断同一组空中位置消息是否来自同一个信源，主要依据同一信源相对于接收机的波达方向不会发生突变，设定门限ε₁，对于第i+1条空中位置消息x_A(i+1)(t)，若：

β'_i＜ε₁ (5)

则表示第i+1条空中位置消息x_A(i+1)(t)与其前一条空中位置消息x_Ai(t)来自不同的信源，反之则认为其与前一条空中位置消息x_Ai(t)来自同一信源。若目标的空中位置消息组中不存在满足式(5)的空中位置消息，则认为这组空中位置消息来自同一信源。

4)对来自同一信源的空中位置消息组，分别计算步骤1)和步骤2)中所得方向向量组及特征向量组的余弦相关值序列γ和β；

将特征向量组U_A中的向量以间隔为q计算一次余弦相关值，记为β_j：

其中[·]表示取整。

进一步，得到特征向量组U_A的余弦相关值序列，记为β：

β＝[β₁,β₂,...,β_m]^T m＝[n/q] (7)

同理，求出方向向量组P_A的余弦相关值序列，记为γ：

γ＝[γ₁,γ₂,...,γ_m]^T m＝[n/q] (8)

5)计算步骤4)中得到的方向向量组的余弦相关值序列γ和特征向量组的余弦相关值序列β的皮尔逊相关系数，进而判断出真实目标和虚假目标；

计算特征向量组的余弦相关值序列β和方向向量组的余弦相关值序列γ的皮尔逊相关系数：

其中，

cov(β,γ)＝E[(β-μ_β)^H(γ-μ_γ)] (10)

μ_γ＝E(γ)，表示方向向量组的余弦相关值序列γ的均值；μ_β＝E(β)，表示特征向量组的余弦相关值序列γ的均值；

设定门限值ε₂，若corr_βγ＞ε₂，说明接收机的阵列天线接收信号所反映的飞机运动状态与空中位置消息的内容所反映的飞机运动状态是一致的，可以认为目标为真实目标，否则为虚假目标。

6)对步骤3)中来自不同信源的空中位置消息组，重新进行分组并重复步骤2)到步骤5)。

对于一组空中位置消息，如果通过步骤3)判别出其来自不同信源，那么根据步骤3)计算的余弦相关值β'对该组空中位置消息重新进行分组，将第一条空中位置消息x_A1(t)的来源标记为信源1，对于i≥2的空中位置消息逐一根据式(5)进行判断。若其余弦相关值β_i'是第一个满足式(5)的数值，即空中位置消息x_A(i+1)(t)与其前面的i条消息不是来自同一条信源，则将此空中位置消息的信源记为信源2，若其余弦相关值β_i'不是第一个满足式(5)的数值，进一步假设之前已经有j个信源，那么空中位置消息x_A(i+1)(t)与空中位置消息x_Ai(t)对应的第j个信源不是同一个，逐一检测此空中位置消息是否来自另外j-1个信源，检测方法为：如检测空中位置消息x_A(i+1)(t)是否来自第p个信源(1≤p≤j-1)，则找出与第p个信源相应的空中位置消息中最后一条空中位置消息对应的特征向量u_p，计算其与空中位置消息x_A(i+1)(t)对应的特征向量u_A(i+1)的余弦相关值β'_pi，如果得出的余弦相关值β'_pi大于门限ε₁，认为此条空中位置消息来自于第p个信源。如果没有任何特征向量u_p满足以上条件，则认为空中位置消息x_A(i+1)(t)来自新的信源，记为第j+1个信源。

在本实施例中，假设接收机所在位置为R(39.1088,117.3621,30)，欺骗源的位置在G(39.0,117.0,10)，使用5阵元的十字阵列天线。对于如图3所示的结合消息注入和消息删除的欺骗式干扰，其检测结果如图4所示，根据检测结果，对消息进行重新分组，前14条消息来自同一信源，第15条到30条消息来自另一信源，对照图3可以看到，重新分组的结果是正确的。

对于来自同一信号源的目标而言，本实施例中随机选取了一个巡航阶段的飞机的30秒的航迹，利用接收机在航迹周围50Km范围内随机分布来模拟航迹相对于接收机不同方位和不同运动状态，欺骗源的起始位置在接收机周围0Km到1.5Km范围内随机分布，欺骗源的运动速度在0Km/h到85Km/h随机分布，方向随机。利用25s的位置消息(50条)进行检测，此时间隔一条选取两方向向量组的向量进行余弦相关计算，例如对于阵列信号处理得出的特征向量组U_A＝{u_A1,...,u_An}而言，计算皮尔逊相关系数corr(u_A1,u_A3)、corr(u_A3,u_A5)、…corr(u_A(2n-1),u_A(2n+1)),得到特征向量组的余弦相关值序列β＝{β₁,β₂,...,β_m}，经过实验发现此种计算方式可以较好地反应飞机的运动状态且在一定程度上降低噪声影响。由图5所示的不同目标的皮尔逊相关系数的ECDF图可以看出，欺骗目标和真实目标在皮尔逊相关系数为0.5～0.8时才有交叠。因而选取门限为0.8时可以使漏警概率最小，图6所示为图5所对应的频数分布直方图，当门限值定为ε₂＝0.80时，判断结果为虚警概率0.6％，漏警概率0％。

Claims (7)

1.一种基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)利用接收机对接收信号进行解码，选出其中的空中位置消息，并按ICAO地址将空中位置消息进行分组，得到方向向量组和到达时间；

2)对于步骤1)中得到空中位置消息组，根据相应的到达时间找到其对应的阵列信号，并计算出特征向量组；

3)逐一计算上述特征向量组中两个相邻向量的余弦相关值，得到余弦相关值序列，然后利用余弦相关值序列判断同一组空中位置消息是否来自同一信源，如是，进入下一步骤，否则进入步骤6)；

4)对来自同一信源的空中位置消息组，分别计算步骤1)和步骤2)中所得方向向量组及特征向量组的余弦相关值序列γ和β；

5)计算步骤4)中得到的方向向量组的余弦相关值序列γ和特征向量组的余弦相关值序列β的皮尔逊相关系数，进而判断出真实目标和虚假目标；

6)对步骤3)中来自不同信源的空中位置消息组，重新进行分组并重复步骤2)到步骤5)。

2.根据权利要求1所述的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的利用接收机对接收信号进行解码，选出其中的空中位置消息，并按ICAO地址将空中位置消息进行分组，得到方向向量组和到达时间的方法是：利用接收机对接收信号进行解码，选出空中位置消息，利用对其解码得到的三维位置坐标和接收机的三维位置坐标做差计算出相应的方向向量，再按照解码得到的ICAO地址将具有相同ICAO地址的空中位置消息及相应的方向向量分为一组，得到同一目标的空中位置消息组和方向向量组，并得到相应的一组到达时间。

3.根据权利要求1所述的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的对于步骤1)中得到空中位置消息组，根据相应的到达时间找到其对应的阵列信号，并计算出特征向量组的方法是：对于步骤1)中得到的一个空中位置消息组，根据相应的到达时间，取得与之对应的阵列信号组，对阵列信号组中的信号，逐一求取协方差矩阵并进行特征值分解，选出每一个特征矩阵中最大特征值对应的特征向量，组成特征向量组。

4.根据权利要求1所述的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的逐一计算上述特征向量组中两个相邻向量的余弦相关值，得到余弦相关值序列，然后利用余弦相关值序列判断同一组空中位置消息是否来自同一信源的方法是：对特征向量组U＝{u₁,...,u_n}中任意两相邻向量u_i和u_i+1，求余弦相关值得到一个余弦相关值序列，然后检测余弦相关值序列中每一个值是否均大于或等于门限，若是，则认为该组空中位置消息来自同一信源。

5.根据权利要求1所述的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的对来自同一信源的空中位置消息组，分别计算步骤1)和步骤2)中所得方向向量组及特征向量组的余弦相关值序列γ和β的方法是：对特征向量组中的向量以间隔为q计算余弦相关值得到特征向量组的余弦相关值序列β；同样以q为间隔计算出方向向量组的余弦相关值序列γ。

6.根据权利要求1所述的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法，其特征在于：在步骤5)中，所述的计算步骤4)中得到的方向向量组的余弦相关值序列γ和特征向量组的余弦相关值序列β的皮尔逊相关系数，进而判断出真实目标和虚假目标的方法是：计算特征向量组的余弦相关值序列β和方向向量组的余弦相关值序列γ的皮尔逊相关系数设定判定门限值，若皮尔逊相关系数高于门限值则判定为真实目标，否则判定为虚假目标。

7.根据权利要求1所述的基于空间相关一致性的ADS-B欺骗式干扰检测方法，其特征在于：在步骤6)中，所述的对步骤3)中来自不同信源的空中位置消息组，重新进行分组的方法是：将该组空中位置消息中第一条空中位置消息的来源标记为信源1，逐一检测该组空中位置消息的余弦相关值是否低于门限，若首次检测到某一空中位置消息的余弦相关值低于门限，则标记该空中位置消息来自信源2；若不是首次检测到某一空中位置消息的余弦相关值低于门限，假设在该空中位置消息之前已经标记过j个信源，则逐一检测空中位置消息是否来自信源1～j-1，若均不是则标记为新信源，最后将同一信源的消息分为一组得到新分组。