CN110855397B - Ads-b延迟转发电文检测及干扰台定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种ADS‑B延迟转发电文检测及干扰台定位方法。其包括电文位置间隔统计特性计算、延迟转发电文检测及提取、延迟转发电文的位置与接收时刻计算以及干扰台定位等步骤。针对延迟转发电文的检测与相应干扰台定位问题，本发明提供的ADS‑B延迟转发电文检测及干扰台定位方法根据ADS‑B地面站接收电文的位置间隔的分布特点，利用电文位置间隔统计特性实现延迟转发电文检测。根据延迟转发电文的原始电文位置与干扰台间的空间关系，利用ADS‑B地面站获取的延迟转发电文位置及接收时刻，采用多点定位技术实现对干扰台定位。仿真结果表明，本发明方法可以有效实现延迟转发报文检测及干扰台定位。

Description

ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法
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ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法。
背景技术
广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)技术采用明码广播方式，使其辐射的电文面临较严重的电子欺骗干扰风险。本世纪初以来，围绕如何提升ADS-B系统抗干扰能力，以实现对电子欺骗干扰识别成为推进新一代空管监视体系建设亟待解决的问题。
对ADS-B系统抗干扰的研究主要围绕增强ADS-B数据链的保密性及确定ADS-B电文的真实性两方面开展。增强ADS-B数据链的保密性通常需要对现有航空标准进行修订，这势必会影响ADS-B技术在国际上的推广。确定ADS-B电文的真实性通常是需要利用其它系统或技术手段，如多点定位、多源融合等配合，通过对航空器的位置验证以实现对ADS-B电文真实性的判识。确定ADS-B电文真实性的方法虽然增加了系统成本，但可以很好地与现行技术兼容，更具实际意义。
但无论是增强ADS-B数据链的保密性方法，还是确定ADS-B电文的真实性方法均没涉及对干扰源的定位，不利于对干扰台的举证与取缔。通常ADS-B系统所面临的电子欺骗干扰主要涉及延迟转发式干扰和自主生成式干扰两类。由于延迟转发式干扰技术难度较低，攻击者更倾向于选择此类干扰。
航空器的ADS-B电文是由机载S模式应答机遵循航空无线电技术委员会的DO-260标准，按不同的重复率发射的。ADS-B电文中传递的信息类型主要有航空器的位置、速度、事件和识别码等信息。ADS-B延迟转发干扰是干扰台接收并存储航空器的真实ADS-B电文，经过一段时间的延迟后再辐射，再辐射的电文被ADS-B地面站接收，对ADS-B系统生成航迹造成干扰。ADS-B地面站受到延迟转发干扰时，延迟转发电文与实时电文交织在一起。由于ADS-B电文本身不包含时间信息，ADS-B地面站是根据接收电文的时间对航空器的位置用电文位置更新。延迟转发电文与实时电文的交织，使得ADS-B系统输出的航空器位置呈现剧烈变化，导致ADS-B系统不易形成稳定航迹。
因此，ADS-B系统需要具备检测是否受到延迟转发电文干扰的能力，从而能够剔除延迟转发电文。甚至，ADS-B系统应具备利用延迟转发电文实现对干扰台定位的能力。但目前尚缺少有效的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法。
为了达到上述目的，本发明提供的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)ADS-B地面站接收电文，计算电文位置间隔的均值及方差的S1阶段；
(2)根据步骤(1)得到的电文位置间隔的均值及方差，实现延迟转发电文检测及提取的S2阶段；
(3)解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，得到其位置与接收时刻的S3阶段；
(4)利用步骤(3)得到的延迟转发电文位置及其接收时刻，完成延迟转发干扰台定位的S4阶段。
在步骤(1)中，所述的ADS-B地面站接收电文，计算电文位置间隔的均值及方差的方法是：在ADS-B地面站接收电文后，分析相邻接收电文的位置统计特性，并计算得到电文位置间隔的均值和方差。
在步骤(2)中，所述的根据步骤(1)得到的电文位置间隔的均值及方差，实现延迟转发电文检测及提取的方法是：首先分析无延迟转发电文和存在延迟转发电文两种情况下电文位置间隔统计特性的特点，进而根据步骤(1)得到的电文位置间隔的均值及方差，检测接收电文中是否存在延迟转发电文，若存在，提取相应电文。
在步骤(3)中，所述的解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，得到其位置与接收时刻的方法是：解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，得到各个延迟转发电文的位置；以关注期间内首个延迟转发电文的位置为原点P1(0,0)建立直角坐标系，以航空器的航向为x轴正方向，垂直于x轴且远离干扰台的方向为y轴正方向；干扰台的坐标点为PJ(xJ,yJ)；航空器以速度v沿x轴正向飞行，在时刻tsk于坐标点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电文；该电文在空间经过传播时间τk后被干扰台接收；电文经干扰台延迟转发后，再次被ADS-B地面站接收，此期间引入延迟量为τ；因此，经过延迟转发的电文被ADS-B地面站接收时刻为：
trk＝tsk+τk+τ+ξk
式中，ξk为电文传播过程中由测量及转发在内的因素所引入的随机误差，其服从方差为
Figure BDA0002263371240000031
的零均值高斯分布。
在步骤(4)中，所述的利用步骤(3)得到的延迟转发电文位置及其接收时刻，完成延迟转发干扰台定位的方法是：利用步骤(3)得到的延迟转发电文位置及其接收时刻，利用最小二乘方法得到干扰台的横坐标估计值以及干扰台与原点之间的距离估计值，进而实现干扰台的定位。
本发明提供的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法根据ADS-B地面站接收电文的位置间隔的分布特点，利用电文位置间隔统计特性实现延迟转发电文检测。根据延迟转发电文的原始电文位置与干扰台间的空间关系，利用ADS-B地面站获取的延迟转发电文位置及接收时刻，采用多点定位技术实现对干扰台定位。仿真结果表明，本发明所述方法可以有效实现延迟转发报文检测及干扰台定位。
附图说明
图1是本发明提供的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法流程图；
图2是延迟转发干扰对航迹更新的影响；
图3是干扰台与航迹间几何关系；
图4是电文位置间隔统计量的变化；
图5是定时误差对干扰台定位精度的影响；
图6是用于定位的电文数目对定位精度的影响；
图7是干扰台定位误差与其方位及距离的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明提供的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)ADS-B地面站接收电文，计算电文位置间隔的均值及方差的S1阶段：
ADS-B系统属于非独立式协作监视系统，相关航空器的监视信息是由被监视的航空器以协作方式主动提供的。ADS-B系统按电文接收时间顺序以电文位置更新航空器位置。ADS-B地面站接收电文后，对相邻接收电文的位置进行统计特性分析，并计算得到电文位置间隔的均值及方差。
(2)根据步骤(1)得到的电文位置间隔的均值及方差，实现延迟转发电文检测及提取的S2阶段：
根据DO-260标准的规定，为了避免来自不同航空器间的ADS-B电文发生持续碰撞，机载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电文之间的间隔服从0.4～0.6秒的均匀分布。在较短关注时间内，可将航空器的运动视为沿航线匀速直线飞行。那么，电文位置间隔也呈现均匀分布：
Figure BDA0002263371240000041
v为航空器飞行速度。
由于被监视空域内存在多架航空器，各航空器独立辐射ADS-B电文，势必存在来自不同航空器的电文同时或几乎同时被ADS-B地面站接收的情况。由于这些电文主体部分重叠，即发生电文碰撞，导致相应电文无法被解译，从而损失该电文中的位置信息。由于ADS-B电文发射间隔的随机性，使不同航空器的电文间不会产生连续碰撞，且碰撞概率较低。因此，考虑ADS-B地面站解译出的电文位置间隔通常存在两种情况，或为电文位置的单个间隔，其服从式(1)中电文位置间隔f1(x)分布，或因损失一个电文而导致位置间隔为未损失电文时的电文位置的两个相邻间隔之和，该电文位置间隔服从分布：
Figure BDA0002263371240000042
假设ADS-B电文碰撞的概率为pc，即ADS-B地面站解译出的相邻电文位置间隔服从式(2)中电文位置间隔f2(x)分布的概率为pc。如此，相邻电文位置间隔服从式(1)中电文位置间隔f1(x)的概率为1-pc。
综合考虑两种情况下相邻电文位置间隔的分布，可获得ADS-B电文位置平均间隔为：
mX＝(1+pc)m1 (3)
式中，m1＝0.5v为式(1)中电文位置间隔f1(x)分布的均值。相应的方差为：
Figure BDA0002263371240000043
式中，
Figure BDA0002263371240000044
为式(1)中电文位置间隔f1(x)分布的方差。
当存在延迟转发干扰时，相邻的电文位置之间的间隔分布会发生较显著的变化。延迟转发干扰对航迹更新的影响如图2所示。航空器在P0、P1和P2等处辐射的ADS-B电文被ADS-B地面站接收的同时，也会被干扰台所接收。干扰台将接收的电文延迟一段时间后再转发。ADS-B地面站接收的延迟转发电文与航空器Pk、Pk+1和Pk+2等处辐射的实时电文在时间上交织，从而使ADS-B系统解译出航空器的位置更新顺序为Pk,P′0,Pk+1,P′1,Pk+2,…。航空器位置更新的跳跃剧烈程度与干扰台的延迟量有关。
当ADS-B地面站接收到一个延迟转发电文时，该电文位置与ADS-B地面站在其前后接收的实时电文的电文位置之间的间隔约为N个和(N+1)个标准间隔。干扰台转发延迟量和干扰台到ADS-B地面站之间的电波传播时间共同决定N值。通常，为实现干扰的目的，干扰台的延迟时间远大于ADS-B电文的重复周期，因此N相对较大。
延迟转发电文位置与其前后相邻电文的电文位置之间间隔分别服从如下两个高斯分布：
Figure BDA0002263371240000051
和
Figure BDA0002263371240000052
因此，当延迟转发电文与真实电文出现交织时，ADS-B地面站解译出的电文位置间隔的均值为：
mJ＝(N+0.5)m1 (7)
相应的方差为：
Figure BDA0002263371240000053
通过比较式(3)和(7)、式(4)和(8)可见，当存在延迟转发电文时，顺序接收电文中的报告位置点间距离的均值与方差均显著增大。利用此特点，ADS-B地面站通过对步骤(1)计算得到的电文位置间隔统计特性进行分析，可以检测接收电文中是否存在延迟转发电文，并可以根据电文位置特点将相应的延迟转发电文提取出来。
(3)解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，得到其位置与接收时刻的S3阶段：
解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，可以得到各个延迟转发电文的位置xk。以关注期间内首个延迟转发电文的位置为原点P1(0,0)建立直角坐标系xoy，如图3所示。以航空器的航向为x轴正方向，垂直于x轴且远离干扰台的方向为y轴正方向。干扰台的坐标点为PJ(xJ,yJ)。航空器以速度v沿x轴正向飞行，在时刻tsk于坐标点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电文。该电文在空间经过传播时间τk后被干扰台接收。电文经干扰台延迟转发后，再次被ADS-B地面站接收，此期间引入延迟量为τ。因此，经过延迟转发的电文被ADS-B地面站接收时刻为：
trk＝tsk+τk+τ+ξk (9)
式中，ξk为电文传播过程中由测量及转发在内的因素所引入的随机误差，其服从方差为
Figure BDA0002263371240000061
的零均值高斯分布。
因此，第k个延迟转发电文的位置和接收时刻分别为xk和trk。
(4)利用步骤(3)得到的延迟转发电文的位置及其接收时刻，完成延迟转发干扰台定位的S4阶段：
ADS-B地面站利用步骤(3)得到的延迟转发电文的位置及其接收时刻，可以对延迟转发电文的干扰台进行定位。由式(9)可见，干扰台转发电文的延迟量τ的引入使得ADS-B地面站对该电文接收的时刻trk出现偏差，从而影响对航空器的位置更新。为消除该延迟量τ的影响，需要对延迟转发电文进行差分处理：
trk-tr1＝tsk-ts1+τk-τ1+ξk-ξ1 (10)
两差分电文的传播路径差：
Figure BDA0002263371240000062
式中，c为电波在空中的传播速度，trk1＝trk-tr1为两电文的接收时间间隔，εk＝c(ξk-ξ1)为距离误差项。式(11)可变形为：
Figure BDA0002263371240000063
根据第k个电文的坐标点Pk(xk,0)可以将其与干扰台间距离表示为：
Figure BDA0002263371240000064
将式(13)代入式(12)，并对等式两侧平方得：
Figure BDA0002263371240000065
式中，ηk为误差项。
若关注期间内接收到K+1个延迟转发电文，则可构建出K个类似于式(14)的等式。将这些等式合并为矢量形式：
y＝ATp+e (15)
式中，y＝[y2,y3,…,yK+1]T、
Figure BDA0002263371240000071
A＝[a2,a3,…,aK+1]、ak＝[xk-x1,(ctrk1-c(xk-x1)/v)]T、p＝[xJ,r1]T和e＝[η2,η3,…,ηK+1]T。
所以，定位误差p的最小二乘估计值为：
Figure BDA0002263371240000072
由于获得干扰台的横坐标估计值
Figure BDA0002263371240000073
和原点P1(0,0)与干扰台的坐标点PJ(xJ,yJ)间的距离估计值为/>
Figure BDA0002263371240000074
由此可以获得干扰台的纵坐标估计值为：
Figure BDA0002263371240000075
实验结果
本发明提供的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法可以通过以下仿真实验验证其有效性。
首先，评估ADS-B地面站采用顺序电文位置间隔的均值与标准差来判断延迟转发电文存在与否的可行性。考虑某航空器沿航线以v＝300m/s的速度匀速飞行。以关注期间内首个电文位置为原点，持续采集该航空器在航线飞行150km范围内的电文。ADS-B地面站在图3所示的直角坐标系中的坐标点为(50km,-20km)，干扰台的坐标点为(80km,-25km)。航空器按DO-260标准辐射位置电文，干扰台引入的电文延迟为10s。假设航空器飞临(75km,0km)附近时干扰台的延迟转发电文开始介入。ADS-B电文碰撞的概率为pc＝0.01。ADS-B地面站利用顺序接收的50个电文位置信息判断ADS-B地面站是否受到延迟转发干扰的影响。
由图4可见，干扰台启动前后，电文位置间隔的均值与标准差的差异较大。当干扰台启动后，报告点之间的距离均值及标准差迅速升高，且显著高于无延迟转发报文时情况。电文位置间隔的均值受影响更为显著。仿真结果与理论分析的均值及标准差具有非常好的相符度。
下面分析利用提取出的延迟转发电文及其接收时刻信息对干扰台定位的性能。采用与前例相同的场景，探讨系统定时误差对干扰台定位性能的影响。定义干扰台定位的均方根误差：
Figure BDA0002263371240000081
在不同定时误差下利用200次蒙特卡洛实验结果统计干扰台的均方根误差，如图5所示。由图5可见，在相同的航线位置，当定时误差增大时，相应干扰台定位的均方根误差也随之增大。同时，干扰台定位误差也和电文位置与干扰台的相对位置有关。当电文位置处于干扰台与航线的垂直区域(不妨称之为正视区域)附近时，定位均方根误差最小。当电文位置远离正视区域时，定位均方根误差增大。
考虑用于定位干扰台的延迟转发电文数目对干扰台定位精度的影响。采用与前例类似场景，但ADS-B地面站定时误差的标准差固定为σt＝60ns。采用不同数量的电文，利用200次蒙特卡洛实验结果统计干扰台位置估计的均方根误差。正视区域附近的定位误差与电文数目之间的关系如图6所示。由图6可见，随着延迟转发电文数目的增加，对干扰台定位精度也逐渐提高。在使用较高电文数目进行定位时，定位精度的变化也相对比较缓慢，更适宜在较大范围内实现对干扰台的高精度定位。
对比图5和图6可以发现，在航线上，航空器若远离正视区域，对干扰台的定位误差会显著升高。航空器远离航线的正视区域，不仅仅是电文位置与干扰台间的距离增大，干扰台位置矢量与航向矢量间的夹角也发生变化。需要分析干扰台与电文位置间的距离与方位对干扰台的定位误差是如何影响的。
利用50个延迟转发电文建立坐标系，分析干扰台在不同方位及距离上的定位误差变化。干扰台方位定义为干扰台位置矢量相对航向反方向朝向y轴负向旋转的角度。ADS-B地面站定时误差的标准差固定为σt＝60ns，同样以200次蒙特卡洛实验结果统计定位干扰台的均方根误差随干扰台方位在0°～180°范围内变化的情况，如图7所示。
由图7可见干扰台定位误差随着干扰台方位变化的情况。当干扰台与电文位置处于正视关系时，即干扰台方位在100°附近时，定位的均方根误差最小。当偏向两侧时，均方根误差有所抬升。由图7中还可发现，从总体趋势而言，随着干扰台与电文位置间的距离增大，相应的定位误差也增大。但存在特例，如图7中的10km对应的曲线，在正视区域出现定位误差增大的情况。其原因在于电文位置与干扰台之间的距离较小，不同电文位置与干扰台间的距离差异过小，受定时误差的影响，相应的距离差异不能很好地反映到对干扰台定位过程中，从而导致定位误差提升。图7中存在个别点的定位误差突然降低的情况。这是由于ADS-B电文碰撞，导致部分电文丢失，使采用的电文位置在空间尺度上的跨度加大，进而使定位精度提高。对于欺骗航迹，由图7可见，定位误差估计仍远大于其上界，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。
仿真结果表明，本发明提供的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法利用电文位置间隔的均值可以有效地实现对延迟转发电文存在与否的检测。干扰台的定位精度与ADS-B地面站的定时精度、采用定位的电文数目、干扰台与航线间距离和干扰台方位等因素有关。采用正视区域的位置电文可以获得对干扰台较好的定位性能。

Claims (3)

1.一种ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法，其特征在于，所述的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)ADS-B地面站接收电文，计算电文位置间隔的均值及方差的S1阶段；
(2)根据步骤(1)得到的电文位置间隔的均值及方差，实现延迟转发电文检测及提取的S2阶段；
(3)解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，得到其位置与接收时刻的S3阶段；
(4)利用步骤(3)得到的延迟转发电文位置及其接收时刻，完成延迟转发干扰台定位的S4阶段；
在步骤(2)中，所述的根据步骤(1)得到的电文位置间隔的均值及方差，实现延迟转发电文检测及提取的方法是：首先分析无延迟转发电文和存在延迟转发电文两种情况下电文位置间隔统计特性的特点，进而根据步骤(1)得到的电文位置间隔的均值及方差，检测接收电文中是否存在延迟转发电文，若存在，提取相应电文；
在步骤(3)中，所述的解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，得到其位置与接收时刻的方法是：解译步骤(2)提取出的延迟转发电文，得到各个延迟转发电文的位置；以关注期间内首个延迟转发电文的位置为原点P1(0,0)建立直角坐标系，以航空器的航向为x轴正方向，垂直于x轴且远离干扰台的方向为y轴正方向；干扰台的坐标点为PJ(xJ,yJ)；航空器以速度v沿x轴正向飞行，在时刻tsk于坐标点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电文；该电文在空间经过传播时间τk后被干扰台接收；电文经干扰台延迟转发后，再次被ADS-B地面站接收，此期间引入延迟量为τ；因此，经过延迟转发的电文被ADS-B地面站接收时刻为：
trk＝tsk+τk+τ+ξk
式中，ξk为电文传播过程中由测量及转发在内的因素所引入的随机误差，其服从方差为
Figure FDA0004044692190000011
的零均值高斯分布。
2.根据权利要求1所述的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的ADS-B地面站接收电文，计算电文位置间隔的均值及方差的方法是：在ADS-B地面站接收电文后，分析相邻接收电文的位置统计特性，并计算得到电文位置间隔的均值和方差。
3.根据权利要求1所述的ADS-B延迟转发电文检测及干扰台定位方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的利用步骤(3)得到的延迟转发电文位置及其接收时刻，完成延迟转发干扰台定位的方法是：利用步骤(3)得到的延迟转发电文位置及其接收时刻，利用最小二乘方法得到干扰台的横坐标估计值以及干扰台与原点之间的距离估计值，进而实现干扰台的定位。
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