CN110061801A - 一种航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法 - Google Patents

一种航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法，该系统包括报文信息接收模块、无源定位模块、报文解算模块和轨迹滤波分析模块；报文信息接收模块分别与无源定位模块和报文解算模块连接；无源定位模块和报文解算模块均与轨迹滤波分析模块连接。本发明提供的航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法采用无源定及轨迹滤波的方式确定目标的位置信息，并与报文解算结果进行比较，进而识别出虚假(异常)目标，本发明方法能够高效简单的识别虚假目标，解决了现有ADS‑B航空监控系统中无法有效识别异常目标的问题，一定程度的避免了民航客机的安全飞行、航空监视系统的正常运转和军用飞行器的任务执行的等安全问题。

Description

一种航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法
技术领域
本发明属于ADS-B航空监视技术领域，具体涉及一种航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法。
背景技术
ADS-B系统依赖飞行器对自身等信息编码为报文进行广播，航空监视系统接收并解析报文，从而实现对飞行器的监视。但是目前的ADS-B体制存在以下安全问题：一是数据链路及帧格式是公开的，没有限制报文广播主体的合法性，任何人都可以接收或者发送报文信息；二是航空监视系统对于接收到的报文没有适当的验证机制，可能存储广播的报文与真实的信息迥异。会存在机载传感器故障或人为篡改导致报文信息失实以及一些不明飞行器伪装成民航客机。
这些问题带来的潜在安全威胁有，虚假伪装攻击主要是指一些虚假的地面广播源或者空中不明飞行器在一个时间段内广播一些错位的态势信息，干扰监视系统正常工作及其他飞行器的正常工作；海量报文注入则是通过大量的报文使得航空监视系统中出现大量虚假节点，无法正确指导当前空域中的飞行器正常飞行；真实辐射源轨迹篡改则是在虚假辐射源在接收到真实辐射源的状态信息后，伪装该真实辐射源进行广播，使得航空监视系统无法对该飞行器进行正确监视。上述这些问题的存在对于航空监视的有效性存在巨大干扰。作为下一代ATC、空中防撞系统(Traffic Collision Avoidance System，TCAS)和敌我识别(Identification Friend or Foe，IFF)的主要基础支撑功能，ADS-B体制的安全重要性不言而喻，然而当前ADS-B体制的缺陷相当于为“恶意攻击”留下了一扇大门，这一问题如不解决，必然会影响到民航客机的安全飞行、航空监视系统的正常运转、空军飞行器的任务执行、军民融合战略的发展甚至国家安全问题。显然单纯的依赖报文结算方法并不能甄别虚假辐射源及其报文信息。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法解决了现有航空监控系统中需要对接收到的所有报文信息进行解算，无法识别出其中的异常目标的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种航空监视系统中的异常目标甄别系统，包括报文信息接收模块、无源定位模块、报文解算模块和轨迹滤波分析模块；
所述报文信息接收模块分别与无源定位模块和报文解算模块连接；
所述无源定位模块和报文解算模块均与轨迹滤波分析模块连接。
进一步地，所述报文信息接收模块用于接收携带ADS-BOut设备的辐射源所广播的报文信息，并将其发送至无源定位模块和报文解算模块；
所述无源定位模块用于提取接收到的报文信息的物理参数信息，进而确定当前辐射源的位置信息并发送至轨迹滤波分析模块；
所述报文解算模块用于提取接收到的报文信息的比特流信息，对其进行译码后得到辐射源的位置状态信息，并发送至轨迹滤波分析模块；
所述轨迹滤波分析模块用于对接收到的两个位置信息进行滤波分析处理，并甄别出该辐射源是否为异常目标。
进一步地，所述报文信息接收模块包括星载接收机和陆基接收机；
所述报文解算模块包括星载ADS-B报文解算单元和陆基ADS-B报文解算单元。
一种航空监视系统中的异常目标甄别方法，包括以下步骤：
S1、通过报文信息接收模块接收辐射源广播的报文信息，并分别发送至无源定位模块和报文解算模块；
S2、通过无源定位模块提取报文信息的物理参数，进而确定当前辐射源的位置信息并发送至轨迹滤波分析模块；
同时，通过报文解算模块提取报文信息对应的辐射源的位置状态信息，并发送至轨迹滤波分析模块；
S3、通过轨迹滤波分析模块分别对无源定位模块和报文解算模块发送的辐射源的位置信息进行滤波分析，甄别出该辐射源是否为异常目标。
进一步地，所述步骤S2中，提取报文信息的物理参数包括报文信息的到达时间、报文信号的载波频率和报文信息的来波方向。
进一步地，所述步骤S2中，通过无源定位模块确定当前辐射源的位置信息的方法具体为：
根据接收到该报文信息的物理参数的观测站的数量，确定对应的观测模型，通过无源定位方法解算出当前辐射源的位置信息。
进一步地，所述观测模型包括四星时差无源定位模型、基于地球边界方程先验条件的三星时差无源定位模型、双星时差/测向定位模型、双星测向定位模型和基于频率补偿的双星时差/频差无源定位模型。
进一步地，所述步骤S2中，通过报文解算模块提取报文信息对应的辐射源的位置状态信息的方法具体为：
A1、判断报文信息接收模块是否为星载ADS-B报文接收机，
若是，则进入步骤A2；
若否，则进入步骤A3；
A2、通过星载ADS-B报文解算单元对报文信息进行解算得到报文信息的比特流信息，并进入步骤A4；
A3、通过陆基ADS-B报文解算单元对报文信息进行解算得到报文信息的比特流信息，并进入步骤A4；
A4、对解算得到的比特流信息进行译码，确定辐射源的位置状态信息；
其中，步骤A2中采用星载ADS-B报文解算定位法对报文信息进行解算；
步骤A3中采用陆基ADS-B报文解算定位法对报文信息进行解算。
进一步地，所述步骤S3中甄别辐射源是否为异常目标的方法为：
当观测站接收该辐射源发送的报文信息的次数小于设定的阈值时：
将无源定位模块得到的位置信息对应的误差范围与报文解算模块得到的位置状态信息对应的误差范围进行对比，当两个误差范围存在重叠部分时，该辐射源为虚假辐射源，即为异常目标；
当观测站接收该辐射源发送的报文信息的次数或接收持续时间大于设定的阈值时：
采用卡尔曼滤波法对接收到的若干个位置信息分别进行轨迹滤波平滑处理，得到对应的轨迹滤波差异值，并对其进行对比，当两个轨迹滤波差异值大于设定的阈值，该辐射源为虚假辐射源，即为异常目标。
进一步地，所述步骤S32中的虚假辐射源包括高速运动辐射源、低速运动辐射源和静止的地面辐射源；
其中，高速运动辐射源的报文解算得到的位置状态信息的运动轨迹和无源定位得到的位置信息的运动轨迹为两条完全不重合的轨迹线；
低速运动辐射源及静止的地面辐射源的无源定位得到的位置信息为一团零散的点，其报文解算得到的位置信息的运动轨迹为一条轨迹线。
本发明的有益效果为：本发明提供的航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法采用无源定及轨迹滤波的方式确定目标的位置信息，并与报文解算结果进行比较，进而识别出虚假(异常)目标，本发明方法能够高效简单的识别虚假目标，解决了现有ADS-B航空监控系统中无法有效识别异常目标的问题，一定程度的避免了民航客机的安全飞行、航空监视系统的正常运转和军用飞行器的任务执行的等安全问题。
附图说明
图1为本发明提供的航空监视系统中的异常目标甄别系统结构示意图。
图2为本发明提供的航空监视系统中的异常目标甄别方法流程图。
图3为本发明方法中星载ADS-B报文解算定位法示意图。
图4为本发明方法中陆基ADS-B报文解算定位法示意图。
图5为航空监视系统中某一目标的定位示意图。
图6为真实(正常)辐射源的报文解算及无源定位的结果对比示意图。
图7为虚假(异常)辐射源的报文解算及无源定位的结果对比示意图。
图8为一般民航客机对应的报文解算及无源定位对应的运动轨迹对比示意图。
图9为高速运动的辐射源的报文解算及无源定位对应的运动轨迹对比示意图。
图10为静止的地面辐射源或低速运动辐射源的报文解算及无源定位对应的运动轨迹对比示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种航空监视系统中的异常目标甄别系统，包括报文信息接收模块、无源定位模块、报文解算模块和轨迹滤波分析模块；
报文信息接收模块分别与无源定位模块和报文解算模块连接；
无源定位模块和报文解算模块均与轨迹滤波分析模块连接。
上述报文信息接收模块用于接收携带ADS-BOut设备的辐射源所广播的报文信息，并将其发送至无源定位模块和报文解算模块；
无源定位模块用于提取接收到的报文信息的物理参数信息，进而确定当前辐射源的位置信息并发送至轨迹滤波分析模块；
报文解算模块用于提取接收到的报文信息的比特流信息，对其进行译码后得到辐射源的位置状态信息，并发送至轨迹滤波分析模块；
轨迹滤波分析模块用于对接收到的两个位置信息进行滤波分析处理，并甄别出该辐射源是否为异常目标。
其中，报文信息接收模块包括星载接收机和陆基接收机；陆基接收机的信号传输距离最多为几十公里，而星载接收机的传输距离在几百到上千公里，对于这样的传输距离的差异，接收机对报文信息的解算算法是不一样的，因此，本发明中的报文解算模块包括星载ADS-B报文解算单元和陆基ADS-B报文解算单元。
如图2所示，本发明还提供了一种航空监视系统中的异常目标甄别方法，包括以下步骤：
S1、通过报文信息接收模块接收辐射源广播的报文信息，并分别发送至无源定位模块和报文解算模块；
S2、通过无源定位模块提取报文信息的物理参数，进而确定当前辐射源的位置信息并发送至轨迹滤波分析模块；
同时，通过报文解算模块提取报文信息对应的辐射源的位置状态信息，并发送至轨迹滤波分析模块；
其中，提取报文信息的物理参数包括报文信息的到达时间、报文信号的载波频率和报文信息的来波方向等，无源定位模块可根据这些信息确定辐射源的位置信息。
S3、通过轨迹滤波分析模块分别对无源定位模块和报文解算模块发送的辐射源的位置信息分别进行滤波分析，甄别出该辐射源是否为异常目标。
上述步骤S2中，通过无源定位模块确定当前辐射源的位置信息的方法具体为：
根据接收到该报文信息的物理参数的观测站的数量，确定对应的观测模型，通过无源定位方法解算出当前辐射源的位置信息。其中观测模型包括四星时差无源定位模型、基于地球边界方程先验条件的三星时差无源定位模型、双星时差/测向定位模型、双星测向定位模型和基于频率补偿的双星时差/频差无源定位模型；也可以将多个观测参数结合，得到更精确的无源定位位置估计信息。
上述步骤S2中，通过报文解算模块提取报文信息对应的辐射源的位置状态信息的方法具体为：
A1、判断报文信息接收模块是否为星载ADS-B报文接收机，
若是，则进入步骤A2；
若否，则进入步骤A3；
A2、通过星载ADS-B报文解算单元对报文信息进行解算得到报文信息的比特流信息，并进入步骤A4；
A3、通过陆基ADS-B报文解算单元对报文信息进行解算得到报文信息的比特流信息，并进入步骤A4；
A4、对解算得到的比特流信息进行译码，确定辐射源的位置状态信息；
其中，如图3所示，步骤A2中采用星载ADS-B报文解算定位法对报文信息进行解算；
如图4所示，步骤A3中采用陆基ADS-B报文解算定位法对报文信息进行解算。
上述步骤S3甄别辐射源是否为异常目标的方法为：
当观测站接收该辐射源发送的报文信息的次数小于设定的阈值时：
将无源定位模块得到的位置信息对应的误差范围与报文解算模块得到的位置状态信息对应的误差范围进行对比，当两个误差范围存在重叠部分时，该辐射源为虚假辐射源，即为异常目标；
当观测站接收该辐射源发送的报文信息的次数或接收持续时间大于设定的阈值时：
采用卡尔曼滤波法对接收到的若干个位置信息分别进行轨迹滤波平滑处理，得到对应的轨迹滤波差异值，并对其进行对比，当两个轨迹滤波差异值大于设定的阈值，该辐射源为虚假辐射源，即为异常目标。
其中虚假辐射源包括高速运动辐射源、低速运动辐射源和静止的地面辐射源；
其中，高速运动辐射源的报文解算得到的位置状态信息的运动轨迹和无源定位得到的位置信息的运动轨迹为两条完全不重合的轨迹线；
低速运动辐射源及静止的地面辐射源的无源定位得到的位置信息为一团零散的点，其报文解算得到的位置信息的运动轨迹为一条轨迹线。
上述两种虚假辐射源的危害为：高速运动辐射源主要考虑是敌方的军机，必然是在空中进行高速运动，避免被侦查，如果不能及时甄别出必然会造成的一定的安全隐患；低速运动辐射源及静止的地面辐射源主要是一些不法分子等在某一取悦内放置辐射源，大量发射报文信息，覆盖真实辐射源广播的报文信息，使得接收机接收通道拥堵，使航空监视系统崩溃。
图5中展示了本发明中航空监视系统中某一目标的定位示意图，通过对无源定位和报文解算得到的位置信息进行分析对比即可确定该辐射源是否为异常目标。其中，误差为无源定位得到的位置信息与真实位置信息之间的差异。
图6和图7为真实(正常)辐射源和虚假(异常)辐射源发射的报文信息的解算和无源定位结果，其中实线为报文解算的辐射源位置信息及其误差范围，虚线为无源定位得到的位置信息及其误差范围，且点为得到的位置信息，圆为对应的误差范围。
当前航空监视系统主要监视民航客机，民航客机报告报文信息的对应的无源定位结果和报文解算结果对应的运动轨迹应该为如图8所示的较为接近或重叠的轨迹线。因为存在测量误差，所以无源定位和报文解算的轨迹都不是直线。
对于虚假辐射源(异常目标)，通过本发明方法得到的结果主要为如图9和图10的情况，认为图9为高速运动的辐射源，图10为静止的地面辐射源或低速运动辐射源。
上述图8-图10中，实现为报文解算对应得到的运动轨迹，虚线为无源定位对应得到的运动轨迹。
本发明的有益效果为：本发明提供的航空监视系统中的异常目标甄别系统及方法采用无源定及轨迹滤波的方式确定目标的位置信息，并与报文解算结果进行比较，进而识别出虚假(异常)目标，本发明方法能够高效简单的识别虚假目标，解决了现有ADS-B航空监控系统中无法有效识别异常目标的问题，一定程度的避免了民航客机的安全飞行、航空监视系统的正常运转和军用飞行器的任务执行的等安全问题。

Claims (10)

1.一种航空监视系统中的异常目标甄别系统，其特征在于，包括报文信息接收模块、无源定位模块、报文解算模块和轨迹滤波分析模块；
所述报文信息接收模块分别与无源定位模块和报文解算模块连接；
所述无源定位模块和报文解算模块均与轨迹滤波分析模块连接。
2.根据权利要求1所述的航空监视系统中的异常目标甄别系统，其特征在于，所述报文信息接收模块用于接收携带ADS-B Out设备的辐射源所广播的报文信息，并将其发送至无源定位模块和报文解算模块；
所述无源定位模块用于提取接收到的报文信息的物理参数信息，进而确定当前辐射源的位置信息并发送至轨迹滤波分析模块；
所述报文解算模块用于提取接收到的报文信息的比特流信息，对其进行译码后得到辐射源的位置状态信息，并发送至轨迹滤波分析模块；
所述轨迹滤波分析模块用于对接收到的两个位置信息进行滤波分析处理，并甄别出该辐射源是否为异常目标。
3.根据权利要求1所述的航空监视系统中的异常目标甄别系统，其特征在于，所述报文信息接收模块包括星载接收机和陆基接收机；
所述报文解算模块包括星载ADS-B报文解算单元和陆基ADS-B报文解算单元。
4.一种航空监视系统中的异常目标甄别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过报文信息接收模块接收辐射源广播的报文信息，并分别发送至无源定位模块和报文解算模块；
S2、通过无源定位模块提取报文信息的物理参数，进而确定当前辐射源的位置信息并发送至轨迹滤波分析模块；
同时，通过报文解算模块提取报文信息对应的辐射源的位置状态信息，并发送至轨迹滤波分析模块；
S3、通过轨迹滤波分析模块分别对无源定位模块和报文解算模块发送的辐射源的位置信息进行滤波分析，甄别出该辐射源是否为异常目标。
5.根据权利要求4所述的航空监控系统中的异常目标甄别方法，其特征在于，所述步骤S2中，提取报文信息的物理参数包括报文信息的到达时间、报文信号的载波频率和报文信息的来波方向。
6.根据权利要求4所述的航空监控系统中的异常目标甄别方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过无源定位模块确定当前辐射源的位置信息的方法具体为：
根据接收到该报文信息的物理参数的观测站的数量，确定对应的观测模型，通过无源定位方法解算出当前辐射源的位置信息。
7.根据权利要求6所述的航空监控系统中的异常目标甄别方法，其特征在于，所述观测模型包括四星时差无源定位模型、基于地球边界方程先验条件的三星时差无源定位模型、双星时差/测向定位模型、双星测向定位模型和基于频率补偿的双星时差/频差无源定位模型。
8.根据权利要求4所述的航空监控系统中的异常目标甄别方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过报文解算模块提取报文信息对应的辐射源的位置状态信息的方法具体为：
A1、判断报文信息接收模块是否为星载ADS-B报文接收机，
若是，则进入步骤A2；
若否，则进入步骤A3；
A2、通过星载ADS-B报文解算单元对报文信息进行解算得到报文信息的比特流信息，并进入步骤A4；
A3、通过陆基ADS-B报文解算单元对报文信息进行解算得到报文信息的比特流信息，并进入步骤A4；
A4、对解算得到的比特流信息进行译码，确定辐射源的位置状态信息；
其中，步骤A2中采用星载ADS-B报文解算定位法对报文信息进行解算；
步骤A3中采用陆基ADS-B报文解算定位法对报文信息进行解算。
9.根据权利要求8所述的航空监视系统中的异常目标甄别方法，其特征在于，所述步骤S3中甄别辐射源是否为异常目标的方法为：
当观测站接收该辐射源发送的报文信息的次数小于设定的阈值时：
将无源定位模块得到的位置信息对应的误差范围与报文解算模块得到的位置状态信息对应的误差范围进行对比，当两个误差范围存在重叠部分时，该辐射源为虚假辐射源，即为异常目标；
当观测站接收该辐射源发送的报文信息的次数或接收持续时间大于设定的阈值时：
采用卡尔曼滤波法对接收到的若干个位置信息分别进行轨迹滤波平滑处理，得到对应的轨迹滤波差异值，并对其进行对比，当两个轨迹滤波差异值大于设定的阈值，该辐射源为虚假辐射源，即为异常目标。
10.根据权利要求9所述的航空监控系统中的异常目标甄别方法，其特征在于，所述虚假辐射源包括高速运动辐射源、低速运动辐射源和静止的地面辐射源；
其中，高速运动辐射源的报文解算得到的位置状态信息的运动轨迹和无源定位得到的位置信息的运动轨迹为两条完全不重合的轨迹线；
低速运动辐射源及静止的地面辐射源的无源定位得到的位置信息为一团零散的点，其报文解算得到的位置信息的运动轨迹为一条轨迹线。
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