CN111142126B - 一种基于单通道ads-b地面站的防欺骗综合解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单通道ADS‑B地面站的防欺骗综合解决方法，包括：(1)对单通道ADS‑B地面站的信号进行解调解码，获得ADS‑B原始报文，提取S模式地址，同时缓存中频数据；(2)在航迹数据库中查找是否具有该S模式地址的航迹实时信息：若没有则执行新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程；如果有则执行已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程；其中，所述新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程和已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程均采用ADS‑B广播时序模式特征验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS‑B报文/航迹的真实性进行验证和确认。本发明采用多种验证技术手段的组合验证方式，解决了采用单一验证技术手段不够准确的问题。

Description

一种基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法

技术领域

本发明涉及空管数据信息安全技术领域，尤其是一种基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法。

背景技术

ADS-B机载系统依靠全球卫星导航系统，获取自身的位置信息等进行广播，实现空对空，地对空的监视手段。相对于二次雷达监视系统来说，ADS-B系统具有数据更新率更快、覆盖范围更广、定位精度更高、受环境因素影响更小、建设成本更低的较多优点。

ADS-B系统是国际民航组织确定的未来主要监视手段之一，因此中国民航也在大力推行ADS-B监视系统的建设，2017年4月，中国民航完成首次ADS-B IN演示飞行，截止到2017年底，全国已经基本完成300余套ADS-B地面站的建设并试运行，实现高空空域全，2019年7月，全国ADS-B系统已正式启动运行。

但是由于ADS-B系统的开放共享式自动监视架构，以及其公开的技术标准与数据编码格式，使ADS-B系统易受人为干扰和出现错误信息，影响空管部门对ADS-B系统的信任，ADS-B的特点及带来缺陷主要在于：

1)采用公开的1090MHz频点收发，导致容易受到同频干扰，真实目标信息容易被监测和重放，频域上难以区分真实目标信号和干扰欺骗信号；

2)被动接收方式，根据外部广播信息被动接收监视，导致接收的监视信息受制于发射方，信息真假影响监视处理效果；

3)机载全向天线发射，单通道地面站全向接收，导致无法获取信号的辐射方向，从而在空间域上难以区分真实目标信号和干扰欺骗信号；

4)信息的公开性，导致制造干扰信号的可行性，对正常飞机的监视造成干扰；

5)ADS-B信息的接收处理是无身份验证的，因此无法对干扰信号进行过滤；

6)ADS-B信息传递是公开并且广播的，信息的公开意味着飞机位置的公开，导致其容易受到攻击；

因此我们需要在对ADS-B抗干扰防欺骗关键技术进行研究，探索并建立一套行之有效的ADS-B地面防欺骗技术手段，形成一套指导系统建设运行的解决方案，助力ADS-B系统在我国军民航空管系统的推广应用。

目前国外、国内均由对ADS-B防欺骗技术手段的研究，比如联合二次雷达进行数据融合验证、射频特征识别、信号到达角验证、信号到达时间差分析、ADS-B空地数据链加密等，目前国内外的研究仅限于采用某种技术段从某一信号特征或数据特征验证，并未形成完整可靠的一套解决方案，单一的技术手段并不能百分百解决ADS-B的欺骗问题，比如：

1)联合二次雷达数据进行数据融合验证的方式，只适合地面二次雷达覆盖区域，超出二次雷达覆盖区域的ADS-B数据有效性无法进行验证；

2)射频特征识别的验证方式，需要提前建立目标特征库，并且可以进行比较识别目标数量有限；

3)信号到达角度验证的方式，需要地面站另外安装定向天线，但是目前民航推广建设的ADS-B地面站大多数为全向天线(单通道)，并且该方式只能识别目标的角度信息，对于方向与真实目标一致的虚假目标无法判定；

4)信号到达时间差则需要多站联合解算目标位置，单一站点无法进行虚假目标识别；

5)ADS-B空地数据链加密的方式会导致ADS-B通信和计算性能下降，并且破坏ADS-B通信机制的开放性。

因此，需要多种合理有效技术手段结合，形成一个完整的基于当前单通道ADS-B地面站的防欺骗抗干扰技术方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对单通道ADS-B地面站的信号进行解调解码，获得ADS-B原始报文，提取S模式地址，同时缓存中频数据；

(2)在航迹数据库中查找是否具有该S模式地址的航迹实时信息：若没有则执行新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程；如果有则执行已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程；

其中，所述新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程和已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程均采用ADS-B广播时序模式特征验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认。

进一步，所述新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程包括如下步骤：

a、根据缓存的中频数据得到信号幅度并进行标记；

b、计算信号到达时间以及信号距离并进行标记；

c、利用信号到达时间计算ADS-B广播时序模式并进行标记；

d、通过步骤a-c，获得报文原始数据和报文属性信息；

e、航迹初始化处理，并将报文属性信息更新到航迹数据库中的航迹属性信息；

f、提取航迹中的意图信息与RNP信息，并进行几何相符与意图相符的数据一致性验证；

g、以ADS-B报告位置为基础，计算报告位置对应的报告距离；

h、以步骤g计算的报告距离与步骤b计算的信号距离进行验证；

i、根据步骤f和步骤h的验证结果，标记该航迹当前的航迹置信度，并将航迹置信度更新到航迹属性信息中；

j、输出航迹数据和航迹属性信息，以及输出报文原始数据和报文属性信息。

进一步，所述新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程中，所述步骤i的方法为：

若步骤f和步骤h的验证结果全通过，则将航迹当前的航迹置信度设置为100％；

若步骤f和步骤h的验证结果全不通过，则将航迹当前的航迹置信度设置为0；

若步骤f和步骤h的验证结果不全通过，则设置航迹当前的航迹置信度为

进一步，所述已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程包括如下步骤：

a、根据缓存的中频数据得到信号幅度并进行标记；

b、计算信号到达时间以及信号距离并进行标记；

c、利用信号到达时间计算ADS-B广播时序模式并进行标记；

d、通过步骤a-c，获得报文原始数据和报文属性信息；

e、将报文属性信息与航迹数据库中存储的航迹属性信息进行对比，并根据对比结果调整航迹置信度或丢弃报文；

f、提取航迹中的意图信息与RNP信息，并进行几何相符与意图相符的数据一致性验证；

g、根据步骤f的验证结果，调整航迹置信度或丢弃航迹，并将航迹置信度更新到航迹属性信息中；

h、输出航迹数据和航迹属性信息，以及输出报文原始数据和报文属性信息。

进一步，所述已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程中，所述步骤e的方法为：

若对比全通过，则提升航迹置信度；

若对比不全通过，则丢弃报文，或者根据配置要求将报文纳入航迹跟踪处理流程，但需要根据不全通过的情况降低航迹置信度。

进一步，所述已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程中，所述步骤g的方法为：

若步骤f验证全通过，则提升航迹置信度；

若步骤f验证不全通过，则丢弃该航迹，或者根据不全通过的情况降低航迹置信度。

进一步，当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法为：接收各个单通道ADS-B地面站输出的数据，采用多点定位验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认。

进一步，当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法包括如下步骤：

a、接收多个单通道ADS-B地面站输出的航迹数据与航迹属性信息、以及报文原始数据与报文属性信息；

b、对相同目标、相同位置的航迹数据与航迹属性信息进行归类；对相同报文原始数据与报文属性信息进行归类；

c、利用航迹数据的高精度时间项，进行多点定位计算得到计算位置；

d、将计算位置和报告位置进行对比，同时利用各个单通道ADS-B地面站输出的航迹属性信息对同一个航迹进行交叉对比；

e、根据步骤d联合判别的对比结果调整航迹置信度；

f、利用报文的到达时间对报文的位置进行多点定位计算，得到报文计算位置；

g、将报文计算位置与当前航迹所处的位置进行交叉对比，同时利用各个单通道ADS-B地面站输出的报文属性信息对报文进行交叉对比；

h、若步骤g的联合判断通过，则进入航迹跟踪处理流程执行步骤i；若不通过，则丢弃报文，或者根据配置要求将报文纳入航迹跟踪处理流程，但需要根据不全通过的情况降低航迹置信度，然后进入航迹跟踪处理流程执行步骤i；

i、提取航迹中的意图信息与RNP信息，并进行几何相符与意图相符的数据一致性验证；

j、根据步骤i的验证结果，调整航迹置信度，并将航迹置信度更新到航迹属性信息中；

k、输出航迹数据和航迹属性信息，以及输出报文原始数据和报文属性信息。

进一步，当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法中，所述步骤e的方法为：

若步骤d联合判别全通过，则提升航迹置信度；

若步骤d联合判别不全通过，则降低航迹置信度。

进一步，当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法中，所述步骤j的方法为：

若步骤i验证全通过，则提升航迹置信度；

若步骤i验证不全通过，则丢弃该航迹，或者根据不全通过的情况降低航迹置信度为

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用多种验证技术手段的组合验证方式，解决了采用单一验证技术手段不够准确的问题：

(1)在地处偏远地区，ADS-B地面站布站比较稀少，站点之间通信困难，不能基于多站形成多点定位，使用单个单通道ADS-B地面站，采用ADS-B广播时序模式特征验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认

(2)当可以使用多个单通道ADS-B地面站形成多点定位时，采用多点定位验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认。

以上两种验证方式均采用了4种验证技术手段的组合验证方式，从而实现了目前最为可靠的防欺骗验证手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的单个单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法的流程框图。

图2为本发明的新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程的流程框图。

图3为本发明的已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程的流程框图。

图4为本发明的多个单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的设计原理为：采用ADS-B广播时序模式特征验证、几何相符、意图相符、基于幅度—距离关联的信号距离验证、基于TDOA的多点定位验证五种验证技术手段分别从ADS-B信号的信源特征、数据一致性验证(几何相符与意图相符均为数据一致性验证)、信号的发射距离验证以及信号的发射位置验证四个方面进行交叉验证，提出了一个可实现单通道ADS-B地面站单独验证，亦可实现多个单通道ADS-B地面站综合验证的ADS-B防欺骗抗干扰综合解决方案。

上述的五种验证技术手段如下：

(1)ADS-B广播时序模式特征验证：

该方式是在链路层对ADS-B广播报文在时序上的特征进行提取和分类。ADS-B消息在广播时，其重复周期是遵循标准的(参见DO-260B和DO-181E)，因此可以通过k-均值聚类算法等方法，将报文按照时间分布划分为不同的类别，建立并存储飞机广播时序模式特征库。通过接收空中真实飞机的报文，并对报文打上时间戳，统计来自同一架飞机之间的报文排序规律，包括不同类型报文排列顺序、同类型报文时间间隔、同类型报文时间间隔变化值，并与特征库中的数据进行对比。当误差超过设定门限值时，判定为校验不通过，反之为通过。

(2)幅度-距离验证：

该方式是从信号发射距离角度对目标进行验证。目标的信号强度与目标的距离呈现负相关关系。电磁信号到达接收机端口的功率Pr可以用下式进行表示：

Pr＝Pt+Gt-los-Gs+Gr

其中：

los＝32.44+20logd+20logf

其中，Gt表示应答机天线增益；Gr表示地面站接收天线的增益；Gs为线缆损耗；Pr为信号到达接收机端口功率；los为发射目标经过距离d传播以后的传输损耗。

根据上式，我们可以通过信号强度的绝对值，确定目标的距离范围，并用该距离与飞机广播的位置计算出的距离进行比对，根据比对结果，判定真假目标。

(3)几何相符：

该方式是从数据一致性角度对目标进行验证。从TC(飞机航迹变化)可以获取飞机的计划航线信息和TC(航迹变化点)。根据飞机发送的ADS-B报告中获取的实际位置与ADS-B航迹变化报告中的预定位置是否满足RNP(所需导航性能)约束条件，来进行飞机目标几何相符验证。

(4)意图相符：

该方式是从数据一致性角度对目标进行验证。从TC(飞机航迹变化)可以获取飞机的计划航线信息和TC(航迹变化点)。根据飞机发送ADS-B报告中获取的飞机速度、飞行朝向(水平朝向与垂直朝向)与ADS-B航迹变化报告中的飞机速度、飞行朝向(水平朝向与垂直朝向)是否满足RNP(所需导航性能)约束条件，来进行飞机目标意图相符验证。

(5)多点定位验证：

该方式是从信号发射位置角度对目标进行验证。接收多个单通道ADS-B地面站送来的时间信息，根据同一目标到达不同站点的时间差TDOA计算目标的空间几何位置，利用计算位置与目标报告位置进行比较，判定目标的真伪。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例提供的一种基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法，包括如下步骤：

(1)对单通道ADS-B地面站的信号进行解调解码，获得ADS-B原始报文，提取S模式地址，同时缓存中频数据；

(2)在航迹数据库中查找是否具有该S模式地址的航迹实时信息：若没有则执行新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程；如果有则执行已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程；

其中，所述新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程和已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程均采用ADS-B广播时序模式特征验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认。

如图2所示，所述新航迹目标抗干扰防欺骗处理流程包括如下步骤：

a、根据缓存的中频数据得到信号幅度并进行标记；

b、计算信号到达时间以及信号距离并进行标记；

c、利用信号到达时间计算ADS-B广播时序模式并进行标记；

d、通过步骤a-c，获得报文原始数据和报文属性信息；

e、航迹初始化处理，并将报文属性信息更新到航迹数据库中的航迹属性信息；

f、提取航迹中的意图信息与RNP信息，并进行几何相符与意图相符的数据一致性验证；

g、以ADS-B报告位置为基础，计算报告位置对应的报告距离；

h、以步骤g计算的报告距离与步骤b计算的信号距离进行验证；

i、根据步骤f和步骤h的验证结果，标记该航迹当前的航迹置信度，并将航迹置信度更新到航迹属性信息中；所述步骤i的方法为：

若步骤f和步骤h的验证结果全通过，则将航迹当前的航迹置信度设置为100％；

若步骤f和步骤h的验证结果全不通过，则将航迹当前的航迹置信度设置为0；

若步骤f和步骤h的验证结果不全通过，则设置当前航迹的航迹置信度为

j、输出航迹数据和航迹属性信息，以及输出报文原始数据和报文属性信息。

如图3所示，所述已有航迹目标抗干扰防欺骗处理流程包括如下步骤：

a、根据缓存的中频数据得到信号幅度并进行标记；

b、计算信号到达时间以及信号距离并进行标记；

c、利用信号到达时间计算ADS-B广播时序模式并进行标记；

d、通过步骤a-c，获得报文原始数据和报文属性信息；

e、将报文属性信息与航迹数据库中存储的航迹属性信息进行对比，并根据对比结果调整航迹置信度或丢弃报文；所述步骤e的方法为：

若对比全通过，则提升航迹置信度；

若对比不全通过，则丢弃报文，或者根据配置要求将报文纳入航迹跟踪处理流程，但需要根据不全通过的情况降低航迹置信度。

f、提取航迹中的意图信息与RNP信息，并进行几何相符与意图相符的数据一致性验证；

g、根据步骤f的验证结果，调整航迹置信度或丢弃航迹，并将航迹置信度更新到航迹属性信息中；所述步骤g的方法为：

若步骤f验证全通过，则提升航迹置信度；

若步骤f验证不全通过，则丢弃该航迹，或者根据不全通过的情况降低航迹置信度。

h、输出航迹数据和航迹属性信息，以及输出报文原始数据和报文属性信息。

如图4所示，当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法为：接收各个单通道ADS-B地面站输出的数据，采用多点定位验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认。

具体地，当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法包括如下步骤：

a、接收多个单通道ADS-B地面站输出的航迹数据与航迹属性信息、以及报文原始数据与报文属性信息；

b、对相同目标、相同位置的航迹数据与航迹属性信息进行归类；对相同报文原始数据与报文属性信息进行归类；

c、利用航迹数据的高精度时间项，进行多点定位计算得到计算位置；

d、将计算位置和报告位置进行对比，同时利用各个单通道ADS-B地面站输出的航迹属性信息对同一个航迹进行交叉对比；

e、根据步骤d联合判别的对比结果调整航迹置信度；所述步骤e的方法为：

若步骤d联合判别全通过，则提升航迹置信度；

若步骤d联合判别不全通过，则降低航迹置信度；

f、利用报文的到达时间对报文的位置进行多点定位计算，得到报文计算位置；

g、将报文计算位置与当前航迹所处的位置进行交叉对比，同时利用各个单通道ADS-B地面站输出的报文属性信息对报文进行交叉对比；

h、若步骤g的联合判断通过，则进入航迹跟踪处理流程执行步骤i；若不通过，则丢弃报文，或者根据配置要求将报文纳入航迹跟踪处理流程，但需要根据不全通过的情况降低航迹置信度，然后进入航迹跟踪处理流程执行步骤i；

i、提取航迹中的意图信息与RNP信息，并进行几何相符与意图相符的数据一致性验证；

j、根据步骤i的验证结果，调整航迹置信度，并将航迹置信度更新到航迹属性信息中；所述步骤j的方法为：

若步骤i验证全通过，则提升航迹置信度；

若步骤i验证不全通过，则丢弃该航迹，或者根据不全通过的情况降低航迹置信度为

k、输出航迹数据和航迹属性信息，以及输出报文原始数据和报文属性信息。

通过上述内容可知，本发明采用多种验证技术手段的组合验证方式，解决了采用单一验证技术手段不够准确的问题：

(1)在地处偏远地区，ADS-B地面站布站比较稀少，站点之间通信困难，不能基于多站形成多点定位，使用单个单通道ADS-B地面站，采用ADS-B广播时序模式特征验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认。

(2)当可以使用多个单通道ADS-B地面站形成多点定位时，采用多点定位验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认。

以上两种验证方式均采用了4种验证技术手段的组合验证方式，从而实现了目前最为可靠的防欺骗验证手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法，其特征在于，当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法为：接收各个单通道ADS-B地面站输出的数据，采用多点定位验证、几何相符、意图相符、以及基于幅度—距离关联的信号距离验证的组合验证方式，对ADS-B报文/航迹的真实性进行验证和确认；

当有多个单通道ADS-B地面站时，所述基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法包括如下步骤：

a、接收多个单通道ADS-B地面站输出的航迹数据与航迹属性信息、以及报文原始数据与报文属性信息；

b、对相同目标、相同位置的航迹数据与航迹属性信息进行归类；对相同报文原始数据与报文属性信息进行归类；

c、利用航迹数据的高精度时间项，进行多点定位计算得到计算位置；

d、将计算位置和报告位置进行对比，同时利用各个单通道ADS-B地面站输出的航迹属性信息对同一个航迹进行交叉对比；

e、根据步骤d联合判别的对比结果调整航迹置信度；

f、利用报文的到达时间对报文的位置进行多点定位计算，得到报文计算位置；

g、将报文计算位置与当前航迹所处的位置进行交叉对比，同时利用各个单通道ADS-B地面站输出的报文属性信息对报文进行交叉对比；

h、若步骤g的联合判断通过，则进入航迹跟踪处理流程执行步骤i；若不通过，则丢弃报文，或者根据配置要求将报文纳入航迹跟踪处理流程，但需要根据不全通过的情况降低航迹置信度，然后进入航迹跟踪处理流程执行步骤i；

i、提取航迹中的意图信息与RNP信息，并进行几何相符与意图相符的数据一致性验证；

j、根据步骤i的验证结果，调整航迹置信度，并将航迹置信度更新到航迹属性信息中；

k、输出航迹数据和航迹属性信息，以及输出报文原始数据和报文属性信息。

2.根据权利要求1所述的基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法，其特征在于，所述步骤e的方法为：

若步骤d联合判别全通过，则提升航迹置信度；

若步骤d联合判别不全通过，则降低航迹置信度。

3.根据权利要求1所述的基于单通道ADS-B地面站的防欺骗综合解决方法，其特征在于，所述步骤j的方法为：

若步骤i验证全通过，则提升航迹置信度；

若步骤i验证不全通过，则丢弃该航迹，或者根据不全通过的情况降低航迹置信度为

。

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