CN110708396A - 基于逆向定位技术的ads-b电文真实性检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于逆向定位技术的ADS‑B电文真实性检测方法。其包括ADS‑B电文接收与解析、逆向定位误差估计、逆向定位误差门限计算以及电文真实性判识等步骤。为有效解决ADS‑B技术面临的较为严重的电子欺骗风险，本发明提出一种基于逆向定位技术的ADS‑B电文真实性检测方法。该方法采用位置验证的思想，充分利用ADS‑B电文提供的航空器位置信息及ADS‑B地面站所记录的电文接收时刻，采用对ADS‑B站进行逆向定位的方式来检验电文所提供的航空器位置信息与ADS‑B地面站之间的位置关系是否真实，从而实现对欺骗干扰电文的识别。仿真结果表明，利用逆向定位误差检测的方法可以使用单个ADS‑B地面站实现对电文真实性的判识。

Description

基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法
技术领域
本发明属于ADS-B电文真实性检测技术领域，特别是涉及一种基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法。
背景技术
广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)技术是新一代航空运输系统的核心监视技术，我国也将在2020年后推动ADS-B系统成为主要航空运输监视手段。机载ADS-B系统通过机载S模式应答机按1090MHz通信链路以明码电文形式广播航空器的位置及状态信息，ADS-B地面站根据接收的电文解译出的航空器信息形成相应的航迹。但ADS-B系统的明码广播方式使其面临较大的电子欺骗干扰风险，因此目前ADS-B系统安全性问题受到学者的广泛关注。
自本世纪初以来，各国学者围绕如何提升ADS-B系统抗干扰能力，以实现对欺骗干扰的识别做了大量的尝试，主要涉及两类方法。一类采用鉴定(Authentication)的方法，就是在ADS-B电文中植入收、发双方约定信息从而实现对其真伪识别。这类方法主要有指纹识别法、随机跳频法、公钥加密法、回溯密钥法等。这些方法虽然增强了ADS-B系统的抗干扰能力，但需要对现有航空标准进行修订，从而影响ADS-B技术在国际上的推广。另一类采用验证(Verification)的方法，就是采用其它技术手段或方法来核实ADS-B电文提供的位置信息的真伪。相关的方法有多点定位技术、覆盖范围约束法、群验证法、多源数据融合法等。采用位置验证类方法不需要改变现行的技术标准，更具实际意义。
然而，目前在利用位置验证思想进行ADS-B电文真伪识别时，多数方法都需要利用多个ADS-B地面站，研究如何利用单一ADS-B地面站实现真假电文的识别具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于单一ADS-B基站的ADS-B电文真实性检测方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法包括顺序进行的下列步骤：
(1)ADS-B地面站接收并解析ADS-B电文，得到电文接收时刻及航空器位置信息的S1阶段；
(2)根据步骤(1)得到的电文接收时刻及航空器位置信息，对ADS-B地面站进行逆向定位，并估计逆向定位误差的S2阶段；
(3)利用步骤(1)得到的航空器位置信息，计算逆向定位误差门限的S3阶段；
(4)将步骤(2)得到的逆向定位误差与步骤(3)得到的逆向定位误差门限进行比较，完成电文真实性判识的S4阶段。
在步骤(1)中，所述的ADS-B地面站接收并解析ADS-B电文，得到电文接收时刻及航空器位置信息的方法是：ADS-B地面站接收ADS-B电文，并记录ADS-B地面站接收第k个ADS-B电文的时刻；通过对包含位置信息的ADS-B电文进行解析，得到经度、纬度在内的信息，进而计算出航空器位置信息。
在步骤(2)中，所述的根据步骤(1)得到的电文接收时刻及航空器位置信息，对ADS-B地面站进行逆向定位，并估计逆向定位误差的方法是：利用步骤(1)得到的ADS-B电文接收时刻及航空器位置，计算航空器各报告点所发射ADS-B电文在空间传播的时间，进而得到航空器各报告点与ADS-B地面站间的距离；通过对ADS-B电文接收时刻存在的测量误差进行分析，得到航空器报告点与ADS-B地面站之间距离的测量误差，进而利用最小二乘方法估计出ADS-B地面站的逆向定位误差。
在步骤(3)中，所述的利用步骤(1)得到的航空器位置信息，计算逆向定位误差门限的方法是：利用步骤(1)得到的多个航空器报告点的位置信息，计算其与ADS-B地面站之间的距离，确定逆向定位误差所服从的分布，进而计算出逆向定位误差门限。
在步骤(4)中，所述的将步骤(3)得到的逆向定位误差与步骤(4)得到的逆向定位误差门限进行比较，完成电文真实性判识的方法是：将步骤(3)得到的逆向定位误差与步骤(4)得到的逆向定位误差门限进行比较，若逆向定位误差小于定位误差门限，则为真实电文，否则为欺骗电文。
本发明提供的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法基于位置验证的思想，通过航空器报告点与ADS-B地面站之间的位置关系，对ADS-B地面站逆向定位，通过检测逆向定位误差大小实现对电文真实性的判识。仿真结果表明，利用逆向定位误差检测的方法可以使用单个ADS-B地面站实现对ADS-B电文真实性进行判识，具有实际的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法流程图；
图2是航空器飞行坐标系间关系；
图3是利用真实航迹逆向定位的误差；
图4是利用欺骗航迹逆向定位的误差；
图5是ADS-B地面站与真实航迹距离变化对定位误差的影响；
图6是ADS-B地面站与欺骗航迹距离变化对定位误差的影响。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明提供的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)ADS-B地面站接收并解析ADS-B电文，得到电文接收时刻及航空器位置信息的S1阶段:
航空器的机载S模式应答机可以按1090MHz扩展电文的最低运行性能标准以不同的重复率发射包含反映航空器状态信息的ADS-B电文。ADS-B电文中传递的信息主要包括航空器的位置、速度、事件和识别码等信息。机载S模式应答机发射的ADS-B电文并不是以固定的重复周期发射的。为了避免来自不同航空器间的ADS-B电文发生持续碰撞，S模式应答机发射相邻ADS-B电文时需要在固定的间隔基础上叠加一定的随机抖动。例如：包含航空器位置信息的ADS-B电文需要每秒发射2次，但相邻两次ADS-B电文之间的间隔可以在0.4～0.6秒间随机抖动。
考虑沿航路飞行的航空器，在较短的关注期间内，可视为该航空器进行匀速直线飞行。根据航空器的航迹建立直角坐标系，如图2所示。以关注期间内首个ADS-B电文发射位置P0处为原点，航空器的航向为x轴的正方向，垂直于x轴且远离ADS-B地面站的方向为y轴的正方向。ADS-B地面站处于坐标系中位置Ps(xs,ys)处。航空器以速度v沿x轴正向飞行，且在时刻tsk于位置Pk(xk,0)处发射第k个包含航空器所处经度、纬度及高度在内的位置信息的ADS-B电文。
ADS-B地面站接收ADS-B电文，并记录ADS-B地面站接收第k个ADS-B电文的时刻trk。通过对包含位置信息的ADS-B电文进行解析，可以得到经度、纬度在内的信息，进而计算出航空器位置信息xk。
(2)根据步骤(1)得到的电文接收时刻及航空器位置信息，对ADS-B地面站进行逆向定位，并估计逆向定位误差的S2阶段：
航空器在位置Pk(xk,0)处发射的ADS-B电文在空间中的传播时间的测量值τk为：
τk＝trk-tsk (1)
式中，trk可由步骤(1)获得，为ADS-B地面站接收第k个ADS-B电文的时刻，tsk为航空器在位置Pk(xk,0)处发射ADS-B电文的时刻。
根据步骤(1)计算得到的航空器位置信息xk，考虑：
tsk-ts0＝xk/v (2)
式中，ts0为航空器发射首个ADS-B电文的时刻，则由式(1)和(2)可得：
τk＝trk-ts0-xk/v (3)
根据式(3)，考虑第k个ADS-B电文与参考电文之间的时间关系，可得：
Figure BDA0002263368900000041
式中，接收时间差trk0＝trk-tr0，为接收第k个ADS-B电文和接收首个ADS-B电文的时间差。所以，时刻tsk发射第k个ADS-B电文的位置Pk与ADS-B地面站位置Ps之间的测量距离rk为：
Figure BDA0002263368900000042
式中，r0为首个ADS-B电文发射位置P0与地面站位置Ps之间的距离，可通过计算坐标点(xk,0)到坐标点(xs,ys)间的距离获取。c为电波在空中的传播速度。
在逆向定位ADS-B地面站位置时，除了解析电文得到的航空器位置信息外，主要使用了ADS-B地面站接收第k个ADS-B电文的时刻trk，由于时间测量精度的影响：
Figure BDA0002263368900000043
即ADS-B地面站接收第k个ADS-B电文的时刻trk相对真实的接收时刻存在着测量误差ξk。当采用GPS授时系统对接收时刻进行标定时，测量误差ξk服从零均值高斯分布，其标准差为σt＝20ns。
因此，对于式(5)，接收时间差trk0中存在着定时误差项(ξk-ξ0)，其中ξ0对应首个ADS-B电文接收时刻测量误差。因此测量距离rk中也存在着测量误差，不妨定义测距误差εk＝c(ξ0-ξk)，其也服从零均值高斯分布，其标准差为
Figure BDA0002263368900000051
考虑测距误差影响，时刻tsk发射第k个ADS-B电文的位置Pk与ADS-B地面站位置Ps之间的测量距离还可以表示为：
设逆向定位出ADS-B地面站位置为
Figure BDA0002263368900000053
对式(7)在ADS-B地面站位置
Figure BDA0002263368900000054
附近进行Taylor展开，并忽略二阶及以上项，则式(7)可表示为：
Figure BDA0002263368900000055
式中，
Figure BDA0002263368900000056
为时刻tsk发射第k个ADS-B电文的位置Pk与ADS-B地面站位置
Figure BDA0002263368900000057
间距离，axk和ayk为Taylor展开系数，且
Figure BDA0002263368900000058
为x轴定位误差，
Figure BDA0002263368900000059
为y轴定位误差。
综合式(5)和(8)可得：
若定义定位误差p＝[Δx,Δy]T，则式(9)可写为：
Figure BDA00022633689000000511
式中yk为基于接收时刻计算的测距误差，ak为Taylor展开系数矢量形式，有：
Figure BDA00022633689000000512
ak＝[axk,ayk]T (12)
考虑K(K≥3)个点的数据，式(10)可改写为矩阵形式：
y＝ATp+e (13)
式中，y＝[y1,y2,…,yK]T、A＝[a1,a2,…,aK]和e＝[ε1,ε2,…,εK]T。
所以，定位误差p的最小二乘估计值为：
因此逆向定位误差的估计值为：
Figure BDA00022633689000000514
(3)利用步骤(1)得到的航空器位置信息，计算逆向定位误差门限的S3阶段：
利用步骤(1)可以得到K个航空器报告点位置，进而可以计算出其与ADS-B地面站间的距离rk(k＝1,2,…,K)。
定义测距误差矢量
Figure BDA0002263368900000061
矢量中各元素为基于航空器位置计算的测距误差，利用式(8)的K个距离可以表示为矩阵形式：
r＝ATp+e (16)
定位误差p的最小二乘估计值为：
Figure BDA0002263368900000062
所以定位误差p的协方差矩阵P为：
Figure BDA0002263368900000063
式中，Cov(·)表示协方差矩阵。距离测量误差矢量e中的各分量是独立同分布的零均值的高斯变量，设其方差为
Figure BDA0002263368900000064
则
Figure BDA0002263368900000065
I为n×n维的单位阵。式(18)可进一步表示为：
Figure BDA0002263368900000066
因此，目标定位误差的标准差σxy为：
Figure BDA0002263368900000067
其中，
Figure BDA0002263368900000068
和
Figure BDA0002263368900000069
分别是x,y方向定位误差的方差，tr[·]表示矩阵的迹。显然，目标定位误差也服从于零均值高斯分布，且其标准差为σxy。
由于定位误差服从零均值的高斯分布，因此其采样点以高于99％的概率落在3倍标准差范围内，因此定义真实航迹的定位误差门限为3σxy，即逆向定位误差的估计值
Figure BDA00022633689000000610
满足：
(4)将步骤(2)得到的逆向定位误差与步骤(3)得到的逆向定位误差门限进行比较，完成电文真实性判识的S4阶段：
考虑恶意攻击通常来自于地面的干扰台站。干扰台站通常是固定的或低速运动的，因此在短时间内，可视干扰台站是固定的。
干扰台站根据欺骗航迹编制欺骗的ADS-B电文，按DO-260标准的规定在相应的时刻发射，从而伪造出与真实航空器无关的欺骗航迹。
由于干扰台站相对于ADS-B地面站的距离是固定的，所以欺骗航迹的电文在空中传播的时间是相同的，即式(4)中的ADS-B电文在空间中的传播时间的测量值τk仅反映出干扰台站与ADS-B地面站之间的距离，而无法反映电文中航空器报告位置与ADS-B地面站之间的距离。图2所示的航迹上报告点与ADS-B地面站之间的距离关系被破坏，导致ADS-B地面站的定位误差估计迅速增大。
从数学模型的角度也可以得出同样的结论。当ADS-B地面站接收的电文无论其来源如何，式(14)中的矩阵A不受影响，但其中的数据矢量y的各个元素所涉及ADS-B电文在空间中的传播时间的测量值τk或测量距离rk反映的内容发生改变。在欺骗航迹的条件下，式(14)将出现较大的误差，从而导致ADS-B地面站的定位误差估计迅速增大。
综上所述，由欺骗航迹电文进行逆向定位会产生较大的误差，而真实航迹电文进行逆向定位产生的误差将受到相应门限的约束。因此，将步骤(2)得到的逆向定位误差与步骤(3)得到的逆向定位误差门限进行比较，若逆向定位误差小于定位误差门限，则为真实电文，否则为欺骗电文。
实验结果
本发明提供的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法可以通过以下实验进一步说明。
首先，考虑某航空器沿航线以v＝300m/s匀速飞行。若以关注期间的首个报告点作为原点，考虑该航空器飞行150km范围，ADS-B地面站在图2所示的直角坐标系中的位置为(75km,-20km)。假设航空器按DO-260标准平均每秒发射2次位置电文，ADS-B地面站利用顺序接收到的50个电文判断ADS-B电文的真伪。
利用来自于真实航迹的电文对ADS-B地面站进行逆向定位的定位误差与相应门限的比较如图3所示。由图3可见，定位误差门限与用于定位的航迹报告点位置到ADS-B地面站的距离相关。两者的距离越远，相应的门限越高。对ADS-B地面站进行逆向定位的误差也具有相似的特点，但由于定时不确定因素的存在，定位误差存在着一定的抖动，但定位误差基本上低于相应的门限，只存在少量时刻非常接近于定位误差门限的情况。
利用来自于干扰台站发射欺骗电文对ADS-B地面站进行逆向定位的定位误差与相应门限的比较如图4所示。由图4可见，采用欺骗电文形成的航迹信息对ADS-B地面站进行逆向定位时，由于接收电文的时刻将不涉及反映航迹报告点与ADS-B地面站间距离的分量，破坏了图2所示的定位结构，从而导致逆向定位误差迅速增大，相应的误差值甚至大于ADS-B地面站与航迹间的距离，使定位完全失效。因此，相应的定位误差也势必远大于定位误差门限。欺骗航迹的定位误差与用于定位的航迹报告点位置到ADS-B地面站的距离相关。当两者的距离减小时，相应的定位误差也减小，但仍然是高于定位误差门限。
由图3与图4可见，无论是真实航迹还是欺骗航迹，当用于定位的航迹报告点位置与ADS-B地面站最近时，相应的定位误差最小，同时，相应的定位误差门限也是最小。这个最小距离的值是否影响检测航迹真伪的效果，不妨调整ADS-B地面站距航迹距离，在每个距离上进行200次蒙特卡洛实验。
由图5可见，当ADS-B地面站与真实航迹间的距离增大时，定位误差门限也呈增大趋势。同时，定位误差估计虽有波动，但也呈增大趋势。ADS-B地面站与真实航迹间的距离较大时，定位估计误差与其门限的差距也相对较大，这说明逆向定位误差评判航迹真伪的方法对于非过顶航迹的可靠性更高。
对于欺骗航迹，由图6可见，定位误差估计仍远大于其门限，但与真实航迹有所不同的在于其定位误差估计并未随ADS-B地面站与欺骗航迹间的距离增大而增大。
实验结果表明，本发明提供的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法可以使用单个ADS-B地面站实现对ADS-B电文真实性的有效检测。

Claims (5)

1.一种基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法，其特征在于，所述的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)ADS-B地面站接收并解析ADS-B电文，得到电文接收时刻及航空器位置信息的S1阶段；
(2)根据步骤(1)得到的电文接收时刻及航空器位置信息，对ADS-B地面站进行逆向定位，并估计逆向定位误差的S2阶段；
(3)利用步骤(1)得到的航空器位置信息，计算逆向定位误差门限的S3阶段；
(4)将步骤(2)得到的逆向定位误差与步骤(3)得到的逆向定位误差门限进行比较，完成电文真实性判识的S4阶段。
2.根据权利要求1所述的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的ADS-B地面站接收并解析ADS-B电文，得到电文接收时刻及航空器位置信息的方法是：ADS-B地面站接收ADS-B电文，并记录ADS-B地面站接收第k个ADS-B电文的时刻；通过对包含位置信息的ADS-B电文进行解析，得到经度、纬度在内的信息，进而计算出航空器位置信息。
3.根据权利要求1所述的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的根据步骤(1)得到的电文接收时刻及航空器位置信息，对ADS-B地面站进行逆向定位，并估计逆向定位误差的方法是：利用步骤(1)得到的ADS-B电文接收时刻及航空器位置，计算航空器各报告点所发射ADS-B电文在空间传播的时间，进而得到航空器各报告点与ADS-B地面站间的距离；通过对ADS-B电文接收时刻存在的测量误差进行分析，得到航空器报告点与ADS-B地面站之间距离的测量误差，进而利用最小二乘方法估计出ADS-B地面站的逆向定位误差。
4.根据权利要求1所述的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述的利用步骤(1)得到的航空器位置信息，计算逆向定位误差门限的方法是：利用步骤(1)得到的多个航空器报告点的位置信息，计算其与ADS-B地面站之间的距离，确定逆向定位误差所服从的分布，进而计算出逆向定位误差门限。
5.根据权利要求1所述的基于逆向定位技术的ADS-B电文真实性检测方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的将步骤(3)得到的逆向定位误差与步骤(4)得到的逆向定位误差门限进行比较，完成电文真实性判识的方法是：将步骤(3)得到的逆向定位误差与步骤(4)得到的逆向定位误差门限进行比较，若逆向定位误差小于定位误差门限，则为真实电文，否则为欺骗电文。
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