ES2912540T3 - Procedimiento de detección y localización de objetivos falsos ADS-B y sistema de radar secundario que implementa dicho procedimiento - Google Patents

Abstract

Procedimiento de detección y localización de generadores de spoofers (suplantaciones de identidad) ADS-B por un sistema de radar que comprende al menos un radar secundario, siendo un spoofer (transmisión aleatoria de datos) ADS-B una falsa squitter ADS-B, siendo una squitter ADS-B una señal de información de la posición de la aeronave transmitida a los receptores, incluyendo los receptores de los radares de dicho sistema, siendo dichas squitters ADS-B detectadas a lo largo del tiempo en diferentes orientaciones de la antena (1), estando dicho procedimiento caracterizado porque comprende, para cada radar secundario, al menos las siguientes etapas: - una primera etapa de detección de un spoofer ADS-B; - una segunda etapa de localización (22) de la posición acimutal de dicho generador de spoofer ADS-B, comprendiendo dicha segunda etapa las siguientes operaciones: - medición del acimut de la antena del radar secundario y de la potencia recibida en los diagramas suma, diferencia y control de la antena al detectar una squitter ADS-B; - generación y almacenamiento de al menos una hipótesis de acimut de dicho spoofer para cada squitter ADS-B detectada, siendo dicha hipótesis igual a la suma del acimut de dicha antena y una hipótesis de orientación estimada de dicho spoofer, estando dicha orientación estimada caracterizada por la aproximación entre el par de las relaciones de la potencia recibida en el diagrama suma y la potencia recibida en el diagrama de control, por una parte, y por la relación de la potencia recibida en el diagrama diferencia y la potencia recibida en el diagrama de control, por otra parte, y los mismos pares para las diferentes orientaciones posibles conocidas de la antena, y porque dicha segunda etapa lleva además a cabo una acumulación de dichas hipótesis a lo largo de un periodo de tiempo determinado, siendo el acimut de dicho spoofer ADS-B una función de dichas hipótesis.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de detección y localización de objetivos falsos ADS-B y sistema de radar secundario que implementa dicho procedimiento

La presente invención se refiere a un procedimiento de detección y localización por un radar secundario generador de información falsa ADS-B. También se refiere a un sistema de radar secundario que implementa dicho procedimiento.

El campo de la invención es el control del tráfico aéreo (ATC), donde el aumento de la tasa de actualización de las posiciones de los objetivos, entre otras cosas, es un medio para acercar los aviones y aumentar así el flujo de los mismos durante el despegue y el aterrizaje. La información de posición de los aviones no se activa en respuesta a las señales de interrogación del radar, sino que se transmite automáticamente desde los equipos de transmisión de los aviones. Esta información de posición no activada se denomina "squitter" (transmisión aleatoria de datos) y más concretamente ADS-B_out squitter según la expresión "Automatic Dependent Surveillance - Broadcast" (Vigilancia Dependiente Automática - Difusión).

Las “squitters” ADS-B_out se transmiten durante un periodo del orden de un segundo y, por lo tanto, permiten potencialmente una tasa de actualización de las posiciones de los objetivos mejor que dos segundos, en comparación con el periodo convencional del radar, del orden de 4 a 6 segundos.

Una de las principales deficiencias de la información ADS-B_out es que no está protegida por el diseño del protocolo de Modo S, que también es utilizado por el radar de Modo S, el protocolo en el que se basa la información ADS-B_out. Como resultado, es fácil y barato simular aeronaves falsas que emiten falsas squitters ("spoofer", (suplantación de identidad)) basados en máquinas informáticas de gama baja en tierra que generan mensajes ADS-B_out como lo haría una aeronave real. De este modo, las organizaciones malintencionadas pueden causar verdaderos trastornos al ATC, llegando incluso a provocar incidentes o accidentes entre aviones reales.

Debido a esta fragilidad, en la práctica el ADS-B_out no se suele utilizar operacionalmente solo en el control del tráfico aéreo.

En la literatura se ha propuesto una solución para detectar las squitters ADS-B explotando la WAM (Wide Area Multilateration, Multilateración de Área Amplia). Las limitaciones asociadas a esta solución son las de la WAM. El coste por metro cuadrado cubierto es elevado y la cobertura geográfica es limitada. Por último, causa contaminación electromagnética debido al uso de antenas pequeñas y por tanto desenfocadas.

Uno de los objetivos de la invención es superar las desventajas mencionadas anteriormente. A tal fin, el objeto de la invención es un procedimiento de detección y localización de generadores de spoofers ADS-B por un sistema de radar que comprende al menos un radar secundario, siendo un spoofer ADS-B una falsa squitter ADS-B, siendo una squitter ADS-B una señal de información de posición de la aeronave transmitida a los receptores, incluidos los receptores de los radares de dicho sistema, siendo dichas squitters ADS-B detectadas en el transcurso del tiempo en diferentes orientaciones de la antena, comprendiendo dicho procedimiento, para cada radar secundario, al menos las siguientes etapas:

- una primera etapa para detectar un spoofer ADS-B;

- una segunda etapa de localización de la posición acimutal de dicho generador de spoofer ADS-B, comprendiendo dicha segunda etapa las siguientes operaciones:

• medición del acimut de la antena de radar secundaria y de la potencia recibida en los diagramas de suma, diferencia y control de la antena al detectar una squitter ADS-B;

• generación y almacenamiento de al menos una hipótesis de acimut de dicho spoofer para cada squitter ADS-B detectada, siendo dicha hipótesis igual a la suma del acimut de dicha antena y una hipótesis de orientación estimada de dicho spoofer dicha orientación estimada se caracteriza por la conciliación entre la relación entre la potencia recibida en el diagrama de suma y la potencia recibida en el diagrama de control, por una parte, y la relación entre la potencia recibida en el diagrama de diferencia y la potencia recibida en el diagrama de control, por otra, y las mismas relaciones para las distintas orientaciones posibles conocidas de la antena

y que dicha segunda etapa realiza además una acumulación de dichos supuestos a lo largo de un periodo de tiempo determinado, siendo el acimut de dicho spoofer ADS-B una función de dichos supuestos.

En una implementación particular, dicho sistema de radar que tiene al menos dos radares secundarios, dicho procedimiento comprende una tercera etapa de localización de alcance de dicho generador de spoofer ADS-B, cruzando dicha tercera etapa los sectores angulares de acimut de cada radar secundario, siendo la distancia de dicho generador de spoofer ADS-B a un radar la distancia desde dicha intersección a dicho radar, siendo un sector angular de acimut un sector angular centrado en el acimut obtenido en dicha segunda etapa.

La desviación angular de dicha intersección proporciona, por ejemplo, la precisión de la localización acimutal de dicho generador de spoofer ADS-B.

La generación de dichos supuestos de acimut utiliza, por ejemplo, varias tolerancias de desviación entre:

- la precisión de la medición de dicha potencia;

- el número de supuestos acumulados ;

- la precisión de la lectura del diagrama de la antena.

Dichas hipótesis de acimut del spoofer ADS-B utilizan, por ejemplo, en paralelo varias precisiones de acimut de dichos diagramas de antena, definiéndose el acimut según pasos, siendo el paso de acimut para localizar un generador de spoofer en movimiento mayor que para localizar un generador estacionario.

En dicha segunda etapa, se acumulan, por ejemplo, dichos supuestos:

- durante un tiempo determinado para localizar un generador de spoofer ADS-B fijo;

- durante un tiempo más corto para localizar un generador de spoofer ADS-B en movimiento.

En dicha segunda etapa, dichas hipótesis de dicho spoofer ADS-B en un radar se desarrollan, por ejemplo, tanto en acimut como en elevación explotando en paralelo varias hipótesis basadas en varios diagramas de antena en acimut según diferentes cortes de elevación.

En dicha tercera etapa, dicho sistema que comprende al menos tres radares secundarios, dicho spoofer ADS-B se localiza en acimut, alcance y elevación mediante, por ejemplo, la intersección de sectores de ángulo sólido de cada radar secundario, siendo un sector de ángulo sólido un sector de ángulo sólido centrado en el acimut y la elevación obtenidos en dicha segunda etapa.

En dicha tercera etapa, la localización de dicho spoofer ADS-B se realiza, por ejemplo, según:

- la calidad de la localización definida en dicha segunda etapa;

- la incertidumbre sobre dicha localización definida por cada uno de dichos radares;

- la distancia de dicho spoofer ADS-B a cada uno de dichos receptores.

Dicha primera etapa se realiza, por ejemplo, mediante medios de detección externos a dichos sistemas de radar. La invención también se refiere a un radar secundario que implementa al menos las dos primeras etapas del procedimiento descrito anteriormente.

La invención también se refiere a un sistema de radar secundario, que comprende al menos dos radares del tipo anterior y medios de procesamiento capaces de comunicarse con dichos radares y capaces de implementar dicha tercera etapa del procedimiento como se ha descrito anteriormente. Dichos medios de procesamiento están, por ejemplo, incorporados en uno de dichos radares.

Otras características y ventajas de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción, que se hace con referencia a los dibujos anexos que muestran:

- La figura 1, un ejemplo de sinopsis de radar secundario en modo S;

- La figura 2, un ejemplo de una implementación de hardware de la invención en el sinóptico de radar de la figura 1;

- Figuras 3a a 3j, una ilustración de un modo de realización de una etapa del procedimiento según la invención; - La figura 4, una ilustración de la precisión de la detección y la localización acimutal de un spoofer;

- Las figuras 5a a 5c, una ilustración de la realización de una posible tercera etapa del procedimiento según la invención.

Con referencia a la figura 1, que muestra un ejemplo de sinóptico de radar secundario en Modo S, se recuerdan los principios de dicho radar. Este principio (los intercambios Modo S entre el interrogador y la aeronave se definen detalladamente en el Anexo 10 vol.4 de la OACI) consiste en:

- emitir interrogaciones selectivas:

• bien indicando el destinatario: un único objetivo designado por su dirección en Modo S (campo de 24 bits);

• o bien indicando el identificador del emisor (Identifier Code_IC);

- recibir respuestas selectivas:

• que indica el identificador del remitente: la misma dirección en Modo S del objetivo;

• cuyo contenido principal depende del mensaje:

o DF4: definir la altitud ;

o DF5: definir la identidad (código A) ;

o DF20 : define la altitud más el registro BDS, cuyo número es conocido en particular por la interrogación que lo solicitó;

o DF21: define la identidad (código A) más el registro BDS, cuyo número es conocido por la interrogación que lo solicitó.

En el resto de la descripción, consideraremos el radar principalmente en términos del protocolo de Modo S, si tiene o no la capacidad de procesar los protocolos SSR e IFF que no están involucrados en la patente, pero que sin embargo están presentes en la configuración más común de un radar secundario de vigilancia.

En su uso habitual, el radar secundario funciona en modo síncrono, es decir, transmite una interrogación y espera una respuesta coherente con ella, lo que le permite localizar por medición (en acimut y distancia) e identificar (por la dirección del modo S) el objetivo.

Para realizar esta tarea de forma eficiente, el radar está equipado con una antena 1 que tiene varios diagramas 11, 12, 14, 15 cuyas funciones son clásicamente:

- un diagrama suma 11, en lo sucesivo denominado SUM, para interrogar y detectar la respuesta sincrónica del objetivo;

- un diagrama de diferencias 12, denominado DIFF, para localizar con precisión el objetivo en el haz SUM;

- un primer diagrama de control 15, denominado CONT_front, para bloquear y rechazar las respuestas de los objetivos orientados hacia la antena que no están presentes en el haz SUM principal pero que son interrogados por un lóbulo SUM secundario;

- un segundo diagrama de control 14, denominado CONT_back, para bloquear y rechazar las respuestas de los objetivos situados en la parte posterior de la antena (por lo tanto, necesariamente no presentes en el haz SUM pero interrogados por la fuga del lóbulo frontal SUM).

Dependiendo de la misión y, por tanto, del rendimiento esperado del radar, las antenas pueden ser:

- de varios diagramas:

• 4 diagramas: SUM DIFF, CONT_Front y CONT_Back;

• 3 diagramas: SUM DIFF, CONT (CONT_Front y CONT_Back se agrupan en la antena) ;

• 2 diagramas: SUM DIFF/CONT (DIFF, CONT_Front y CONT_Back se agrupan en la antena).

- de diferentes tamaños:

- en anchura:

o con una gran anchura para tener un haz principal fino que proporcione una alta ganancia, así como ser selectivo y preciso en el acimut;

- en altura:

o con una gran altura, como la Gran Apertura Vertical (LVA), que proporciona ganancia y protección contra las reflexiones en el suelo (principalmente en ATC);

o con una pequeña altura, tipo "rayo" que proporciona movilidad (principalmente en IFF).

Mientras que los diagramas SUM y DIFF son clásicamente delgados con lóbulos de 3 dB entre 2,4° y 10°, los diagramas CONT_Front y CONT_Back buscan cubrir prácticamente 180° cada uno, respectivamente.

Las antenas también pueden ser:

- de diagramas fijos, llamados "mecánicos" y giratorios;

- de diagramas evolutivos, con escaneo electrónico, conocidos como "AESA", fijos o giratorios.

En el siguiente texto de la patente, se describe la configuración de antena más completa, es decir, 4 diagramas en una antena giratoria, sabiendo que las demás configuraciones se tratan de forma similar sea cual sea el número de diagramas de antena utilizados, tanto si la antena es giratoria como fija. Sin embargo, para simplificar la descripción, se puede utilizar la configuración de 3 diagramas utilizando CONT en lugar de CONT_Front y CONT_Back.

El principio básico del receptor de squitter ADS-B que utiliza el mismo protocolo del modo S (mensajes definidos en detalle por el Anexo 10 vol.4 de la oAc I) es:

- recibir respuestas selectivas no solicitadas y, por tanto, asíncronas:

• indicando el identificador del transmisor: la misma dirección en Modo S (campo de 24 bits) del objetivo que se transmite al radar durante las interrogaciones y las respuestas selectivas descritas anteriormente

• la naturaleza del contenido del mensaje (DF=17), cuya naturaleza varía según el campo TC del mensaje:

o 1 a 4 "Aircraft identification” (Identificación de la aeronave)

o 5 a 8 "Surface position” (Posición en superficie)

o 9 a 18 "Airborne position (Baro Alt)” (Posición en el aire (Baro Alt))

o 19 "Airborne velocities” (Velocidades en el aire)

o 20 a 22 " Airborne position (GNSS Height)” (Posición en el aire (altura GNSS))

o 23 " Test message” (Mensaje de prueba)

o 24 "Surface system status” (Estado del sistema en superficie)

o 25 a 27 "Reserved” (Reservado)

o 28 "Extended squitter AC status” (Estado de la squitter extendido AC)

o 29 "Target state and status (V.2)” (Estado del objetivo y estado (V.2))

o 30 " Reserved” (Reservado)

o 31 "Aircraft Operation status” (Estado de funcionamiento de la aeronave).

La lista anterior se da a modo de ejemplo y es indicativa y evolutiva.

En su uso habitual, un receptor ADS-B_in funciona por tanto en modo asíncrono, es decir, escucha a lo largo de 360° un mensaje en Modo S muy similar al del radar para la localización (acimut y distancia) e identificación (dirección en modo S) de un objetivo.

Para realizar esta tarea de forma eficiente, el receptor ADS-B_in está equipado con:

- bien con una antena omnidireccional que cubra 360°, que es una configuración habitual;

- o bien con varias antenas de diagrama ancho que cubren 360° en total:

• dos antenas de cobertura superior de 180° espalda con espalda, que es la configuración más común;

• más raramente, tres antenas con una cobertura superior a 120° o cuatro antenas con una cobertura superior a 90°;

cuya función es únicamente detectar la respuesta asíncrona del objetivo y descodificar su contenido, según los formatos mencionados anteriormente, mediante un único diagrama (del tipo suma).

Dado que el radar secundario y el receptor ADS-B_in utilizan mensajes casi idénticos (misma frecuencia 1090MHz, misma forma de onda, misma estructura de datos del mensaje de respuesta) es fácil integrar la función de escucha de las squitters ADS-B asíncronas en el radar escuchándolas a través de los diferentes diagramas de la antena del radar, principalmente, pero no sólo, a través del diagrama omnidireccional:

- bien por una función de recepción asociada a un diagrama de antena omnidireccional: CONT;

- o bien por dos receptores asociados cada uno a uno de los dos diagramas de antena semiomnidireccionales:

CONT_front y CONT_Back.

La escucha de las squitters ADS-B puede completarse explotando los diagramas SUM o incluso SUM y DIFF en la detección como complemento de CONT. Cabe señalar que sólo el análisis del mensaje ADS-B es específico para ADS-B. Todo lo demás es común, incluidos los cables de bajada de la antena, la junta rotativa si el radar está girando, la transposición de las señales de 1090 MHz a banda base, y esto para todos los diagramas de antena del radar.

Antes de describir la invención con más detalle, se describen los componentes del radar en Modo S de la figura 1. El sinóptico muestra el funcionamiento sincrónico del radar en Modo S:

- en el lado izquierdo 100 por la generación de interrogaciones ;

- en el lado derecho 200 por el procesamiento sincrónico de las respuestas asociadas,

así como las sincronizaciones entre ellas mediante las flechas cruzadas entre la izquierda y la derecha.

Las funciones de los elementos principales se enumeran a continuación:

La antena 1 irradia interrogaciones a 1030 MHz y respuestas de retroalimentación a 1090 MHz, según los cuatro diagramas: SUM, DIFF, CONT_Front y CONT_Back, o tres diagramas (SUM, DIFF, CONT). o dos diagramas (SUM, DIFF/CONT).

Una junta rotativa 2 y los cables de bajada de la antena, para una antena giratoria, proporcionan:

- el acoplamiento de RF de las señales transmitidas de 1030 MHz y recibidas de 1090 MHz de forma independiente para los cuatro diagramas entre las partes giratoria y fija del radar;

- la difusión de la posición en acimut 201 del eje del lóbulo principal de la antena.

Un procesamiento de RF comprende:

- un duplexor o circulador 3 que proporciona un acoplamiento de RF entre las señales transmitidas a 1030 MHz y recibidas a 1090 MHz de forma independiente para los cuatro diagramas;

- un transmisor de 4 vías que proporciona:

• la transmisión de las interrogaciones a 1030 MHz en el diagrama SUM;

• bloqueo de transpondedores fuera del lóbulo SUM en 1030 MHz por los diagramas CONT_Front y CONT_Back;

• esto para los diferentes protocolos secundarios: IFF, SSR y Modo S ;

- un receptor 5 que recibe respuestas a 1090 MHz en los cuatro diagramas SUM, DIFF, CONT_Front y CONT_Back, para los diferentes protocolos secundarios: IFF, SSR y Modo S.

Un procesamiento en tiempo real comprende:

- una gestión espacio-temporal 6 que garantiza la gestión en tiempo real de los periodos de interrogación y de escucha asociados para los diferentes protocolos secundarios: IFF, SSR y Modo S;

- un procesamiento de la señal 7 asegurando :

• el procesamiento de las respuestas en los periodos de escucha asociados a las interrogaciones para los diferentes protocolos secundarios: IFF, SSR y Modo S ;

• la detección y decodificación de respuestas sincrónicas en el lóbulo principal de la antena utilizando los cuatro diagramas:

o SUM: para detectar las respuestas recibidas en el lóbulo principal;

o DIFF: para la localización acimutal fina de las respuestas recibidas en el lóbulo principal SUM y posiblemente para la detección;

o CONT_Front y CONT_Back: para rechazar las respuestas recibidas en los lóbulos laterales de SUM y DIFF en el caso de una detección en el lóbulo principal de DIFF.

Un procesamiento en el lóbulo principal de la antena comprende:

- una gestión de los objetivos presentes en el lóbulo, asegurando:

o la preparación de las transacciones (interrogaciones y respuestas) a realizar en el siguiente lóbulo para los diferentes protocolos secundarios IFF, SSR y Modo S;

o la colocación de las interrogaciones y respuestas en Modo S en el futuro período de pase de lista según el estado de las transacciones que acaban de realizarse.

- Los extractores 9 que aseguran la constitución de parcelas para cada uno de los diferentes protocolos secundarios IFF, SSR y Modo S, a partir de las respuestas sincrónicas recibidas en el lóbulo según el protocolo utilizado en las interrogaciones.

Un procesamiento multigiro 10 comprende:

- una gestión 101 de las tareas Modo S a realizar con los objetivos en cobertura, asegurando la previsión de las posiciones de los objetivos (fechas de emisión) y la preparación de las tareas a realizar con estas posiciones según las solicitudes internas y externas y el estado de las transacciones de las rondas anteriores;

- una asociación de parcelas y un seguimiento 102 de los objetivos en la cobertura que garantiza el seguimiento de los objetivos para mejorar el rendimiento (por ejemplo, la eliminación de parcelas falsas, el control de los datos decodificados) y para predecir la posición futura de los objetivos.

Una interfaz de usuario permite al radar tener en cuenta diferentes solicitudes y visualizar las parcelas y el seguimiento del objetivo.

La figura 2 ilustra la realización material de la invención presentando el sinóptico del radar de la figura 1 incrementado por los elementos propios de la invención. Estos elementos se muestran como líneas discontinuas. Aunque el funcionamiento del radar en modo S es sincrónico, la figura 2 muestra que el procesamiento añadido para la invención no está relacionado con la transmisión y sólo explota la posición acimutal del eje del lóbulo principal de la antena.

La mayor parte de los elementos permanecen sin cambios, verificando así la no intrusión de la invención en el funcionamiento operativo del radar en modo S. En particular, se añaden interrogaciones selectivas al spoofer ADS_B para intentar localizarlo de forma sincronizada con el radar según el modo de funcionamiento clásico de un radar en modo S como para cualquier objetivo nuevo.

Las funciones de los principales elementos añadidos se describen a continuación.

- En el procesamiento en tiempo real 6:

• La gestión espacio-temporal 601 (“Space Time Management”)

• o Transmite 602 la posición acimutal del lóbulo principal de la antena al procesamiento de la respuesta asíncrona en Modo S 21 (véase más adelante);

- En el procesamiento de señales 7:

• Se añade el procesamiento permanente de las respuestas asíncronas en Modo S (independientemente de los periodos de escucha asociados a las interrogaciones), lo que garantiza la detección y descodificación de las respuestas asíncronas explotando por separado pero por igual los cuatro diagramas SUM, DIFF, CONT_Front y CONT_Back:

o detectar todas las respuestas asíncronas recibidas para descodificar estas respuestas de tipo DF=17, extraer los datos del mensaje y la dirección del Modo S;

o para enriquecer cada respuesta decodificada con las siguientes características: hora de la detección, acimut del lóbulo principal de la antena en el momento de la detección, desapuntamiento de la respuesta en el lóbulo principal (tensión monopulso) y potencias recibidas en SUM, DIFF, CONT_Front y CONT_Back, en el caso de detección de squitters espontáneas en SUM, la respuesta puede ser procesada como una respuesta síncrona asignándole una tensión de medición de la desviación que lo ubica con precisión en acimut en el lóbulo;

• las respuestas sincrónicas se enriquecen con la potencia medida en SUM, DIFF, CONT_Front, la hora de detección y el acimut de la antena.

- En el procesamiento en el lóbulo principal :

• En el extractor 901 de modo S:

• las parcelas de Modo S se enriquecen con sus respuestas sincrónicas, cada una con la potencia medida en SUM, DIFF, CONT_Front y el acimut de la antena.

- En el procesamiento multivuelta 10:

• La asociación 101 de las parcelas y seguimiento de objetivos en cobertura (Association & Tracker): • transmite pistas con dirección en Modo S con respuestas enriquecidas de potencia medida en SUM, DIFF, CONT_Front y acimut de antena;

• se añade el procesamiento de la squitter ADS-B 22, que comprende:

o un procesamiento de compensación ADS-B que:

■ rastrea las squitters ADS-B para filtrar las falsas detecciones y decodificaciones; ■ valida las pistas ADS-B comparándolas con las pistas de radar sincrónicas antes de emitirlas;

■ para las pistas ADS-B no correlacionadas con las pistas síncronas del radar, ya que pueden ser nuevas (aún no detectadas en "All Call" por el radar), requiere una interrogación selectiva por parte del radar en su posición prevista durante la ejecución del diagrama SUM (si es necesario a lo largo de varias vueltas si no tiene éxito).

o Procesamiento de spoofer ADS-B:

■ para las pistas ADS-B no detectables por la interrogación selectiva del radar, la pista ADS-B no está validada y se considera potencialmente un spoofer ADS-B;

■ para calcular la posición acimutal del spoofer correlacionando la información de potencia recibida en SUM, DIFF, CONT_Front y CONT_Back de cada detección de la squitter ADS-B del spoofer con los diagramas medidos (en fábrica o en campo). El procedimiento según la invención comprende al menos dos etapas:

- una primera etapa para detectar un spoofer ADS-B en el radar;

- una segunda etapa de pre-localización en acimut de la posición del spoofer ADS-B en el radar;

Esta segunda etapa puede ir seguida de una tercera etapa:

- esta tercera etapa realiza una localización afinada del acimut y la distancia del spoofer ADS-B en una configuración multirradar, normalmente en el centro de control.

El objetivo de la detección y posterior localización de un generador de falsas squitters ADS_B (spoofers) es no tener en cuenta la información difundida en las squitters tanto a nivel de los radares como a nivel de los centros de control, y en particular poner fin a la actividad de este generador lo antes posible permitiendo que las unidades intervengan en el lugar. Como no todos los equipos receptores de squitters ADS_B podrán necesariamente aplicar la invención, es necesario actuar con rapidez.

Cabe señalar que los usuarios habituales de ADS_B son los ACAS anticolisión a bordo de los aviones, ya que estos sistemas anticolisión también tratan de utilizar los spoofers.

Los medios para detectar un spoofer ADS-B mediante otro sensor activo (radar o sensor de tipo WAM), utilizado en la primera etapa, son conocidos por el experto. La información sobre la detección también podría proporcionarse por medios externos al radar.

Sin embargo, en la versión de recepción ADS-B_in integrada en el radar, los medios de detección tienen como objeto:

- Validar las squitters ADS-B antes de la distribución externa de los datos de la squitter ADS-B en compensación estándar CAT021 a los usuarios comunes;

- Eliminar, o marcar como dudosas, las squitters consideradas "atípicas" de la compensación estándar CAT021 a los usuarios habituales, caracterizándose estas squitters en particular por:

• Una no detección de un objetivo ADS-B por el radar en una posición emitida por estas squitters ABS-B;

• Una incoherencia de posición entre la detección del radar y la posición ADS-B emitida;

• Una incoherencia de potencia según la distancia declarada del radar teniendo en cuenta las ganancias de los diagramas de antena del radar que detectó la squitter;

• Una incoherencia en el contenido de los datos transmitidos entre los datos extraídos por el radar y los emitidos por la squitter ADS-B;

• Una tasa de squitters recibidas diferente de la norma ADS-B (aplicada por otros objetivos);

o Declarar la presencia del spoofer ADS-B en una nueva compensación dedicada a este efecto a un centro de supervisión, a priori multi radar.

Cabe señalar que las respuestas ADS-B son estructuralmente idénticas a las respuestas sincrónicas Modo S para el radar, sin embargo los datos difieren entre DF04, DF05, DF20 y DF21 por un lado y DF17 por otro. Por lo tanto, existe una similitud de procesamiento entre el receptor de radar y el receptor ADS-B, lo que garantiza la fiabilidad debido al procesamiento común.

- en la forma de onda: frecuencia de la portadora 1090MHz y en la modulación de la señal (PPM);

- en la estructura del mensaje: misma estructura del mensaje en Modo S (preámbulo, datos y CRC);

Como objetivo de radar en modo S, la squitter ADS-B se identifica por su dirección Modo S (voluntariamente común a los radares Modo S, WAM y receptor ADS-B_in).

Además, como la función de recepción de la squitter ADS-B está integrada en el radar, permite ventajosamente: - para asegurar que una respuesta ADS-B recibida, muy probablemente, en el diagrama CONT (o CONT_front, CONT_back dependiendo del tipo de antena) debe ser interrogable en modo síncrono por el diagrama SUM de la misma antena en la posición de acimut y distancia donde la squitter ADS-B dice estar, ya que la diferencia de ganancia entre SUM y CONT es clásicamente cercana a los 20 dB de media a favor de SUM;

- para asegurar esta interrogación selectiva con gran reactividad, evitando cualquier incertidumbre sobre la posición evolutiva del objetivo que emitió la squitter;

- completar, si es necesario, este primer análisis con un análisis de :

• la potencia recibida de la squitter en función de su distancia declarada al radar con respecto a los otros objetivos circundantes, de hecho para los otros objetivos recibidos en el radar y en el ADS-B es posible evaluar, según su distancia y en instantes muy cercanos (típicamente menos de 4 a 6 segundos según la rotación del radar) la desviación media de la potencia:

o en la recepción sincrónica por parte del radar con el diagrama SUM;

o en la recepción asíncrona del receptor ADS-B probablemente con el diagrama CONT;

• el comportamiento de vuelo de este último.

La segunda etapa, la realización de la prelocalización acimutal del spoofer ADS-B, es específico de la invención. Por lo tanto, se aplica principalmente a las squitters ADS-B que la primera etapa de detección ha detectado como spoofer o marcado como dudoso. Para facilitar la descripción, podemos referirnos a esto como ubicación del spoofer ADS-B, entendiéndose que es de hecho la ubicación del generador de spoofer ADS-B. Teóricamente, la prelocalización en acimut de un spoofer ADS-B por un radar secundario que integre la recepción ADS-B podría realizarse a partir de la detección de una squitter ADS-B en el lóbulo principal del radar. En este caso, la función de monopulso, combinada con la detección de la squitter, permite medir el acimut del generador de la squitter con la misma precisión que con el radar de una sola squitter. Sin embargo, esto sólo es posible si:

- la recepción de las squitters ADS-B se trata como las respuestas síncronas del radar con detección en todos los diagramas, teniendo asociada a cada respuesta (síncrona o asíncrona) tanto la potencia por diagrama como el valor del monopulso atribuido a la respuesta asíncrona que es la squitter;

- la detección de las squitters se realiza en el lóbulo principal (orientación donde la función monopulso es funcional) del orden de /-1,2° (lóbulo clásico de 3dB), es decir, con una probabilidad temporal de 2,4/360 igual al 0,66%, que es muy baja.

La probabilidad por este modo de localización es por tanto muy baja aunque real. Ventajosamente, en esta segunda etapa, la invención utiliza un modo de localización más eficiente, en el sentido de la probabilidad temporal en particular. Este modo, que se detalla a continuación, consiste en explotar el hecho de que las squitters ADS-B encuentran (o muestrean) diagramas de antena en diferentes orientaciones, siendo la orientación el desapuntamiento respecto del eje principal de la antena. El conocimiento de la antena, combinado con la medición de la potencia por medio de diagramas, permite elaborar hipótesis de orientación y, por lo tanto, de acimut por squitter recibida. La acumulación de estas hipótesis permite que aparezca el acimut más probable.

Este procedimiento de localización se describe ahora en detalle. Dado que las squitters ADS-B son, por naturaleza, asíncronas y son recibidas en todo momento por el radar, muestrean los diagramas de antena en diferentes orientaciones. En concreto, son recogidas por los diagramas de antena en diferentes orientaciones.

En efecto, cada squitter ADS-B se califica también en amplitud según los diferentes diagramas (SUM, DIFF y CONT) de la antena, así como el tiempo y el acimut de la misma.

Se sabe que, para una antena secundaria ATC típica o incluso una antena IFF convencional, los diagramas son muy evolutivos en cuanto a su orientación. Se deduce claramente que las potencias relativas SUM vs CONT y DIFF vs CONT son calificadores de la orientación en el que se recibe una squitter ADS-B. Tener en cuenta el acimut de la antena en el momento de la recepción de la squitter permite asociar a cada squitter una o varias hipótesis de posibles posiciones en acimut de la fuente generadora de ADS-B de las squitters.

Las figuras 3a a 3j ilustran, a modo de ejemplo, el procedimiento descrito anteriormente. En este ejemplo el radar tiene una antena IFF con tres diagramas típicos: SUM, DIFF y CONT. El periodo de rotación de la antena es de 4,8 segundos. Un spoofer ADS-B situado a 100° de acimut emite periódicamente squitters a una velocidad bastante baja (periodo igual a 0,5 segundos).

En este contexto, las Figuras 3a a 3j ilustran diferentes ubicaciones de las squitters del spoofer en los diagramas SUM, DIFF y CONT a lo largo de una revolución de orden N, los diagramas girando con la antena. Los diagramas SUM, DIFF y CONT están referenciados 31, 32, 33 en las figuras respectivamente.

En esta representación, el inicio de un giro de antena corresponde a la posición de la antena en la que el diagrama SUM está centrado en el acimut 0°. Esta configuración se ilustra en el diagrama de la figura 3a. Los diagramas de las figuras 3b a 3e muestran sucesivamente una posición de antena (diagrama SUM centrado en este acimut), desplazada en acimut 37,5° (diferencia acimutal media entre 2 squitters ADS-B) y luego las posiciones desplazadas 75°, 112,5° y 150°, permaneciendo siempre el spoofer en el acimut 100°.

Del mismo modo, los diagramas de las figuras 3f a 3j muestran la segunda parte del giro de la antena en sucesión de arriba a abajo con las posiciones de la antena a 187,5°, 225°, 262,5°, 300° y 337,5°.

Para cada detección de una squitter ADS-B, el procedimiento según la invención asocia la posición acimutal de la antena y el nivel recibido en cada uno de los diagramas de antena como se muestra en la tabla siguiente a modo de ejemplo:

Dependiendo de la precisión de prelocalización acimutal requerida del spoofer ADS-B, estos valores son acumulados por la squitter ADS-B al final del turno N a los adquiridos en los turnos anteriores para el mismo objetivo.

La precisión de la prelocalización acimutal puede considerarse relacionada con:

- el número de squitters recibidas (preferiblemente en un tiempo corto en caso de que el objetivo se mueva en el espacio);

- a la potencia de las squitters y, por tanto, a priori a la distancia entre el radar y el spoofer;

- la tasa de squitters generadas por el spoofer (más puntos de muestra en el diagrama);

- a la utilización en la siguiente etapa de los diagramas de antena en su lugar de utilización para tener en cuenta las posibles distorsiones de los diagramas debidas a las reflexiones o a las trayectorias múltiples.

A nivel del radar, la segunda etapa para la prelocalización en acimut de un generador de squitters ADS-B consiste en estimar su posición en acimut explotando sus características de potencia y el conocimiento de los diagramas comunes de los sensores radar y ADS-B_in. Como ya se ha mencionado, las mediciones pueden acumularse en varias rondas en función de la precisión de localización deseada.

A partir de cada tripleta de mediciones de las potencias recibidas en CONT, SUM y DIFF (en dBm), se calculan fácilmente los pares de potencias relativas de SUM con respecto a CONT (SUM/CONT) y de DIFF con respecto a CONT (DIFF/CONT), en dB.

En los diagramas de antena se buscan las orientaciones que dan un par de valores cercanos a N dB del obtenido para cada squitter. La posición acimutal de la antena se combina entonces con el tiempo de la squitter para crear una o más hipótesis del acimut del spoofer:

Az(Sp) = Az(A) G(S_ADS-B) (1)

donde:

- Az(Sp) es una hipótesis del acimut del Spoofer;

- Az(A) es el acimut de la antena;

- G(S_ADS-B) es la estimación de la orientación de la squitter ADS-B.

El acimut del generador del spoofer es una función de estos supuestos. Para determinar este acimut se pueden utilizar varias funciones de probabilidad conocidas de otra manera.

El conocimiento de los diagramas de antena SUM, DIFF y CONT es necesario para formar todas estas estimaciones de orientación. Para ello, estos diagramas se miden, por ejemplo, en la fábrica en la que se fabrican las antenas, o en el lugar en el que los radares están en funcionamiento. La medición de estos diagramas puede realizarse con una tolerancia de desviación de potencia ajustable según varios factores, y con una precisión de definición de los diagramas de antena según varios enfoques.

El valor de la tolerancia está relacionado con varios factores como:

- la precisión de la medición de la potencia: cuanto mayor sea la precisión, menor será el valor de N, siendo N el valor de tolerancia de la hipótesis de orientación;

- la velocidad de convergencia esperada para encontrar la prelocalización acimutal, es decir, el número de hipótesis acumuladas antes de poder emitir una prelocalización acimutal del spoofer;

- el conocimiento preciso de los diagramas de antena en el lugar, es decir, de hecho la precisión accesible de los diagramas de antena (precisión del estudio de los diagramas de antena).

Este procedimiento de localización acimutal, llevado a cabo en la tercera etapa, puede, por supuesto, ser realizado simultáneamente por los diferentes radares secundarios del sistema cuando M es mayor que 1, siendo M el número de radares secundarios utilizados en el sistema de radar que implementa el procedimiento según la invención. Para cada generador de squitters ADS-B, que tiene la misma dirección de Modo S, se acumulan los sucesivos supuestos de acimut según dos enfoques:

- ya sea adaptado para los objetivos que evolucionan en acimut durante un tiempo corto que puede ser, por ejemplo, la duración de una o varias vueltas de antena (los objetivos que evolucionan son, por ejemplo, los generadores de spoofers embarcados en drones a corta distancia), en este caso es preferible realizar varias prelocalizaciones independientes con poca precisión y luego seguir el objetivo para evaluar su movimiento y predecir su próxima posición en acimut;

- ya sea adaptado para un objetivo estable durante un tiempo más largo (muchas vueltas de antena, por ejemplo, 10 vueltas) para tener una mayor precisión.

Para localizar toscamente un spoofer en movimiento, se puede elegir una precisión de acimut con un tamaño de paso medio, por ejemplo de 0,5° a 1°. Para localizar con precisión un spoofer fijo, se puede elegir un paso muy fino: 0,1° por ejemplo. Por supuesto, este procedimiento puede llevarse a cabo simultáneamente para ambos enfoques con el fin de dar cabida a cualquier tipo de evolución del spoofer.

La figura 4 ilustra la precisión de localización de un spoofer fijo, obtenida mediante el procesamiento de la señal de radar en esta segunda etapa, en función del número de squitters detectadas, es decir, en función del número de supuestos acimutales de estas squitters acumuladas a lo largo de uno o más giros de antena.

En resumen, cuando se recibe una squitter ADS-B, se mejora con mediciones de potencia relativa entre los diagramas de antena SUM, DIFF y CONT. Al correlacionarlos con los diagramas de la antena, se hacen varias hipótesis sobre el desapuntamiento del spoofer con respecto al eje principal de la antena (siendo este desapuntamiento la orientación) en el momento de la recepción de la squitter. A partir del acimut de la antena, se calculan los diferentes supuestos de acimut del spoofer (véase la relación (1) anterior).

Acumulando para cada squitter del mismo spoofer (que tenga la misma dirección de Modo S) las diferentes hipótesis de acimut, se puede determinar el acimut más probable. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número de squitters del spoofer recibidos, más precisa será la localización acimutal del chivato, como se muestra en la figura 4.

El spoofer considerado en esta figura 4 es el de las figuras 3a y 3b, posicionado en el acimut 100°. La figura 4 muestra los picos de correlación de los supuestos de acimut obtenidos para diferentes números de squitters, en función del acimut. Muestra seis gráficos de correlación 41, 42, 43, 44, 45, 46 correspondientes a 10, 20, 30, 40, 50 y 60 squitters respectivamente. En este ejemplo, se puede observar que se obtiene una precisión de localización utilizable a partir de 30 squitters (gráfico 43) y que se consigue un afinamiento de la localización a medida que aumenta el número de squitters (gráficos 44 a 46).

Las figuras 5a a 5c ilustran la tercera etapa del procedimiento según la invención. El principio de esta tercera etapa consiste en cruzar las prelocalizaciones de varios radares (obtenidas en la segunda etapa), para:

- afinar la posición acimutal del spoofer ADS-B (con respecto a los radares), si la posición acimutal obtenida en la segunda etapa se considera insuficiente;

- calcular la distancia del spoofer ADS-B (desde los radares) ;

mediante la intersección de las prelocalizaciones de los radares, siendo estas prelocalizaciones ponderadas por : - la calidad de la prelocalización (nivel de correlación de picos) ;

- la incertidumbre de esta prelocalización en cada uno de los radares (niveles relativos de los picos de correlación obtenidos para los radares);

- la distancia del spoofer a los distintos radares.

La figura 5a muestra la ubicación acimutal del spoofer para un primer radar posicionado en un punto R1. El acimut obtenido por este primer radar está representado por un sector angular 51 dentro de la zona de cobertura 51' del radar.

La figura 5b añade un segundo radar y la representación acimutal del spoofer con respecto a este segundo radar. Este segundo radar se sitúa en un punto R2. El acimut del spoofer está representado por un sector angular 52 dentro del área de cobertura del radar 52'. El acimut afinado del spoofer es la intersección de los dos acimuts, es decir, los dos sectores angulares 51, 52. Esta intersección también proporciona la distancia del spoofer a los radares, estando el objetivo posicionado dentro de esta intersección.

La figura 5c añade un tercer radar. Este tercer radar se sitúa en el punto R3. El acimut del spoofer está representado por un sector angular 53 dentro del área de cobertura del radar 53'. El acimut afinado del spoofer es la intersección de los tres acimuts, es decir, los tres sectores angulares 51, 52, 53. Esta intersección también mejora la precisión de la medición de la distancia del spoofer respecto a los radares.

Clásicamente, las mediciones afinadas de acimut y alcance se calculan a partir de las mediciones de acimut (sectores angulares 51, 52, 53) suministradas por los radares a un centro de cálculo, que puede estar alojado en los medios de procesamiento de uno de los radares R1, R2, R3 o en un ordenador independiente. Los datos del acimut se transmiten por los medios de comunicación conocidos.

También es posible prelocalizar el objetivo en elevación a nivel del radar (para eventualmente localizarlo en altitud por un sistema multi radar en un segundo tiempo según las figuras 5a a 5c, que se adapta en el caso de un UAV equipado con un spoofer).

Para ello, los supuestos de acimut se realizan en paralelo utilizando varios cortes de elevación de los diagramas de acimut según el mismo procedimiento descrito anteriormente y de forma independiente para cada corte.

Al final del periodo de integración de la squitter, reteniendo el pico de correlación más alto entre los diferentes cortes de elevación, se define simultáneamente una pre-localización en acimut y elevación.

Cabe señalar que el principio implementado consiste siempre en suponer que durante el tiempo de integración de las squitters antes de tomar una decisión sobre la prelocalización en acimut y elevación del objetivo, éste no ha evolucionado ni en acimut ni en elevación. Esto es válido para objetivos fijos o no demasiado progresivos, normalmente a unas pocas vueltas de antena del radar: el dron no debe estar demasiado cerca del radar para que su velocidad acimutal vista por el sensor siga siendo media.

La invención también puede utilizarse ventajosamente para detectar y localizar ciertos casos de fallo del transmisor ADS-B. En particular, la invención puede usarse para aumentar la seguridad en el control del tráfico aéreo (ATC), especialmente para eliminar o confirmar las dudas sobre las squitters con desviaciones posicionales. En particular, la información de prelocalización acimutal realizada en la segunda etapa puede ser transmitida a un centro ATC en un enlace dedicado para alertas ADS-B en caso de inconsistencias para aumentar la seguridad.

La invención se ha descrito para una antena giratoria. También es posible proporcionar una antena no giratoria cuyo haz se desplaza en acimut por apuntamientos aleatorios sucesivos.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de detección y localización de generadores de spoofers (suplantaciones de identidad) ADS-B por un sistema de radar que comprende al menos un radar secundario, siendo un spoofer (transmisión aleatoria de datos) ADS-B una falsa squitter ADS-B, siendo una squitter ADS-B una señal de información de la posición de la aeronave transmitida a los receptores, incluyendo los receptores de los radares de dicho sistema, siendo dichas squitters ADS-B detectadas a lo largo del tiempo en diferentes orientaciones de la antena (1), estando dicho procedimiento caracterizado porque comprende, para cada radar secundario, al menos las siguientes etapas:

- una primera etapa de detección de un spoofer ADS-B;

- una segunda etapa de localización (22) de la posición acimutal de dicho generador de spoofer ADS-B, comprendiendo dicha segunda etapa las siguientes operaciones:

- medición del acimut de la antena del radar secundario y de la potencia recibida en los diagramas suma, diferencia y control de la antena al detectar una squitter ADS-B;

- generación y almacenamiento de al menos una hipótesis de acimut de dicho spoofer para cada squitter ADS-B detectada, siendo dicha hipótesis igual a la suma del acimut de dicha antena y una hipótesis de orientación estimada de dicho spoofer, estando dicha orientación estimada caracterizada por la aproximación entre el par de las relaciones de la potencia recibida en el diagrama suma y la potencia recibida en el diagrama de control, por una parte, y por la relación de la potencia recibida en el diagrama diferencia y la potencia recibida en el diagrama de control, por otra parte, y los mismos pares para las diferentes orientaciones posibles conocidas de la antena, y porque dicha segunda etapa lleva además a cabo una acumulación de dichas hipótesis a lo largo de un periodo de tiempo determinado, siendo el acimut de dicho spoofer ADS-B una función de dichas hipótesis.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho sistema de radar comprende al menos dos radares secundarios, dicho procedimiento comprende una tercera etapa de localización a distancia de dicho generador de spoofer ADS-B, cruzando dicha tercera etapa los sectores angulares de acimut (51, 52, 53) de cada radar secundario, siendo alcáncela distancia de dicho generador de spoofer ADS-B a un radar la distancia desde dicha intersección a dicho radar, siendo un sector angular de acimut un sector angular centrado en el acimut obtenido en dicha segunda etapa.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la desviación angular de dicha intersección da la precisión de localización acimutal de dicho generador de spoofer ADS-B.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la generación de duchas hipótesis de acimut utiliza varias tolerancias de desviación entre:

- la precisión de la medición de dicha potencia;

- el número de hipótesis acumuladas;

- la precisión de la lectura del diagrama de la antena.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichas hipótesis de acimut de spoofer ADS-B utilizan en paralelo una pluralidad de precisiones de acimut de dichos diagramas de antena, definiéndose el acimut en función de los pasos, siendo el paso de acimut para localizar un generador de spoofer en movimiento más importante que para localizar un generador estacionario.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en dicha segunda etapa se acumulan dichas hipótesis:

- durante un tiempo determinado para localizar un generador de spoofer ADS-B fijo;

- durante un tiempo más corto para localizar un generador de spoofer ADS-B en movimiento.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, en dicha segunda etapa, dichas hipótesis de dicho spoofer ADS-B en un radar se desarrollan tanto en acimut como en elevación explotando en paralelo varias hipótesis basadas en varios diagramas de antena en acimut según diferentes cortes de elevación.

8. Procedimiento según la reivindicación 7 en su dependencia de la reivindicación 2, caracterizado porque en dicha tercera etapa, dicho sistema que comprende al menos tres radares secundarios, dicho spoofer ADS-B se localiza en acimut, distancia y elevación por la intersección de sectores angulares sólidos de cada radar secundario, siendo un sector angular sólido un sector de ángulo sólido centrado en acimut y en elevación obtenidos en dicha segunda etapa.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, caracterizado porque en dicha tercera etapa la localización de dicho spoofer ADS-B se realiza en función de:

- la calidad de la localización definida en dicha segunda etapa;

- la incertidumbre sobre dicha localización definida por cada uno de dichos radares;

- la distancia de dicho spoofer ADS-B a cada uno de dichos receptores.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha primera etapa se implementa con medios de detección externos a dichos sistemas de radar.

11. Radar secundario, caracterizado porque está adaptado para implementar dicha primera etapa y dicha segunda etapa del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

12. Sistema de radares secundarios, caracterizado porque comprende al menos dos radares secundarios según la reivindicación 11 y medios de procesamiento capaces de comunicarse con dichos radares y capaces de implementar dicha tercera etapa del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 10 en su dependencia de la reivindicación 2

13. Sistema según la reivindicación 12, caracterizado porque dichos medios de procesamiento están incorporados en uno de dichos radares.