JP2017121926A - Ads−bメッセージを検証するためのシステム及び方法 - Google Patents

Ads−bメッセージを検証するためのシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】航空機が他の航空機から受信するADS−Bメッセージを検証するための新しいデバイスとプロセスを提案する。【解決手段】まず各ノード(他の航空機)から、ADS−Bメッセージ情報21を収集し、各ノードが検証可能かをチェックする。テレメトリ計算のためには、検証される各ノード毎に4つのタイムスタンプが提供されることが重要である(22)。付加的情報が必要なら、各ノードに要求メッセージを同報送信する(25)。システム(自機)は、ノード(他の航空機)の応答メッセージを受信し、受信メッセージの情報がテレメトリ計算に充分かをチェックする(26)。次に、ADS−Bメッセージが信頼できる(26T)か否か(26U)を判定する。テレメトリ計算で、航空機の位置がADS−Bメッセージの位置と一致するなら、ADS−Bメッセージは信頼できる。否定的な場合には、システムは、要求メッセージが同報送信されるステップに戻る。【選択図】図4

Description

本システム及び方法は、航空機間の情報伝達セキュリティの分野に関する。詳しく述べるならば、本システム及びプロセスは、ADS−B(放送型自動従属監視)のなりすまし(spoofing)に対抗する可読ツールを提供する。これにより、本明細書に記載のシステム及び方法は、なりすましの検出を行うことができる。
放送型自動従属監視システム(ADS−B)は、飛行中の航空機を監視するための情報源である。ADS−Bシステムは、認証や暗号化などのセキュリティ対策がないまま、情報を同報送信している。そのため、攻撃側は、誤った航空機位置、航空機速度、航空機ID又はその他のADS−Bデータを提供する、偽のADS−Bメッセージ(「なりすまし」)を容易に再現することができる。
TCASシステム(空中衝突防止システム)及びADS−Bシステムのパラメータに基づいて、侵入者の挙動がどのように計算されうるかを開示した米国特許出願公開第20120041620A1号に解決策が示されている。そのため、提供される解決策は、TCASシステムのアンテナによって送受信される信号の精度に依存する。その結果、提供される解決策は、信号の反射や妨害に左右される。
本開示は、上述の欠点を克服する解決策を提供する。
例示的な実施形態の第1の態様は、ADS−Bメッセージを検証するためのシステムを提供することである。航空機は、自機の周囲を飛行している航空機からADS−Bメッセージを継続的に受信している。そのため、ADS−Bメッセージを検証するためのシステムを提供することが必要となる。したがって、本開示は、モードSトランスポンダを備える放送型自動従属監視システム“ADS−B”を装備した航空機のADS−Bメッセージを検証するためのシステムを提供する。本開示のシステムは、
・モードSトランスポンダから受信した信号を復調して復号するように構成された受信機モジュールであって、受信したメッセージの種類を判定し、次にADS−Bメッセージ、要求メッセージ又は応答メッセージの各種メッセージからの情報を抽出して構文解析する受信機モジュールと、
・受信機モジュールによって抽出され構文解析された情報を処理するように構成されたプロセッサモジュールであって、提供される情報がテレメトリ計算を実行するのに充分か否かを計算し、充分な場合には、テレメトリ計算を実行し、テレメトリ計算とADS−Bメッセージに含まれる航空機の位置とを比較し、両者が一致する場合には信頼できるADS−Bメッセージとなり、そうでない場合には要求メッセージ、応答メッセージ、或いはその両方を送信するように構成されているプロセッサモジュールと、
・要求メッセージと応答メッセージをモードSトランスポンダに送信するため、要求メッセージと応答メッセージをフォーマット化するように構成されているトランスミッタモジュールと
を備える。
一実施形態では、受信機モジュールはADS−B検出器、要求検出器及び応答検出器を備える。ADS−B検出器はADS−Bメッセージを特定するように構成されている。要求検出器は要求メッセージを特定するように構成されている。最終的に、応答検出器は応答メッセージを特定するように構成されている。
一又は複数の実施形態では、プロセッサモジュールはテーブル(table)、ブレーン(brain)及びクロック(clock)を備える。テーブルは、ブレーンに提供される情報を保存するためのメモリからなる。クロックは、全地球的航法衛星システム(GNSS)に従ってシステムに時間基準を提供する。ブレーンは、i)ADS−Bメッセージに含まれる情報をテーブルに保存するように構成されたプロセッサを含みうる。当該情報は少なくとも、航空機ID、前記航空機IDに対する航空機位置、及び前記航空機IDに対する到着時刻である。ブレーンはまた、ii)テレメトリ計算を実行し、iii)当該テレメトリ計算の結果をADS−Bメッセージに含まれる航空機位置と比較し、iv)要求メッセージと応答メッセージをいつ送信するかを決定する。
一又は複数の実施形態では、トランスミッタモジュールは、要求メッセージと応答メッセージをそれぞれフォーマット化するため、要求トランスミッタと応答トランスミッタを備える。
本開示の第2の態様では、放送型自動従属監視システム“ADS−B”を装備した航空機のADS−Bメッセージを検証するための方法が提供される。本方法は、以下のステップ(又はサブステップ)、すなわち、
i)ADS−Bの範囲内にある航空機から周期的な時間ウィンドウにおいて航空機によって受信されるADS−Bメッセージ情報であって、少なくとも航空機ID、前記航空機IDに対する航空機位置、前記航空機IDに対する到着時刻、及び各航空機IDに対するタイムスタンプである情報を収集するステップと、
ii)ADS−Bの範囲内にある各航空機について、他の航空機から収集された少なくとも4つのタイムスタンプがあるか否かをチェックするステップであって、
a)肯定的な場合には、各航空機IDに対してテレメトリ計算を実行して、航空機位置と比較し、両者が一致する場合には受信したADS−Bメッセージは信頼できるものとなり、一致しない場合には信頼できないものとし、
b)否定的な場合には、引き続き、ステップiii)を実行するステップを有する。
ステップiii)は、ADS−Bの範囲内にある他の航空機からの要求メッセージが所定の時間遅延の範囲内で受信されるか否かをチェックするステップであって、
a)肯定的な場合には、周期的な時間ウィンドウにおいて収集されたADS−Bメッセージ情報を有する応答メッセージを同報送信し、
b)否定的な場合には、引き続き、
iv)所定の時間遅延後、ADS−Bの範囲内にある航空機に要求メッセージを同報送信し、サブプロセスi)〜iii)を繰り返す。
一又は複数の実施形態では、ADS−Bメッセージ情報を収集するステップ(又はサブステップ)は更に、i)周期的な時間ウィンドウの間に受信したADS−Bメッセージを処理すること、ii)時間ウィンドウカウンタの値をインクリメントすること、iii)タイムスタンプカウンタを始動すること、iv)ADS−Bメッセージが受信されるとタイムスタンプを判定すること、v)主張された(claimed)航空機アドレスとADS−B位置を共に抽出すること、vi)主張された航空機アドレスとADS−B位置をテーブルに記録すること、vii)周期的な時間ウィンドウがまだ開いている場合には、受信したADS−Bメッセージの聴取と処理を継続すること、viii)周期的な時間ウィンドウが閉じている場合には、次の周期的な時間ウィンドウまでADS−Bメッセージの処理を停止すること、を含む。
一又は複数の実施形態では、要求メッセージを同報送信するステップ(又はサブステップ)は更に、i)検証されるノードが存在するか否かを判定するためにテーブルをチェックすることを含み、ADS−Bによって主張された位置がマルチラテレーションによって計算された位置と一致するときには、ノードは検証されたとみなされる。ノードが検証される必要がある場合には、システムは、マルチラテレーション計算を実行するため、周囲の航空機(ノード)からのデータを要求しうる。必要とされるデータを要求するため、要求メッセージを同報送信する上述のステップ(又はサブステップ)は更に、ii)要求メッセージを生成すること、iii)ランダム時間遅延を決定すること、iv)ランダム時間遅延を待つことを含み、この遅延は待機期間を決定することを意味しており、待機時間においてはシステムが何らの要求を送信することも求められず、グループの他のノードによって送信されたあらゆる要求を検出するため1030MHzチャネルを聴取するのであり、v)ランダム時間遅延の間に要求が受信された場合には、自己の要求メッセージを破棄してサブプロセスを終了し、vi)ランダム時間遅延の間に要求が受信されなかった場合には、システムは自己の要求メッセージを同報送信する。このメッセージは、グループの残りのノード(ADS−Bの範囲内の航空機)によって受信され、同報送信応答メッセージサブプロセスが引き起こされる。要求メッセージが同報送信されると、要求メッセージを同報送信するステップ(又はサブプロセス)は終了する。
一又は複数の実施形態では、応答メッセージを同報送信するステップ(又はサブプロセス)は更に、i)他のノードによって送信されるあらゆる要求を検出するため継続的に聴取することを含む。聴取は一般的に1030MHzチャネルで実行される。要求が検出されると、システムは、他のノードが計算を実行するのに有用となりうる、自己のテーブルの情報を同報送信する。送信チャネルを大幅に効率的に利用するため、本開示のプロセスは、送信時間スロットの割り当てに基づく送信手続きを規定する。各ノードは、自己の送信時間スロットを決定する。応答メッセージを同報送信するサブプロセスは更に、ii)航空機アドレスによって自己のテーブルをソートすることを含む。最も低位の航空機アドレス“AA”を有するノードは、グループのノードリストの1番目とみなされる。iii)送信時間スロットの自己割り当て(self−assignment)。搭載されているシステムによって自己割り当てされた時間スロットは、リスト中での自己の位置に対応している。システムが自己の送信時間スロットを理解すると、応答メッセージを同報送信するサブプロセスは更に、iv)応答メッセージを生成すること、v)ランダム時間遅延を決定すること、vi)時間スロットが満了したか否かをチェックすることを含む。各メッセージは、1つのADS−B受信メッセージのタイムスタンプに関する情報を含む。メッセージは、あらかじめ決定された送信時間スロット中に送信される。メッセージを送信する正確な瞬間はランダム時間遅延によって決定される。このランダム時間遅延の機能は、2つ以上のノードが同じ送信時間スロットを選択した場合に、送信が衝突する可能性を低減すること、vii)ランダム時間遅延の満了まで待機すること、viii)テーブルの1行のデータを含む応答メッセージを同報送信すること、ix)テーブルの各ノードに関する情報が送信されるまで、ステップiv)〜viii)を必要に応じて何度でも繰り返すことにある。
一又は複数の実施形態では、テレメトリ計算(マルチラテレーション計算と同じことを意味する)を実行するステップ(又はサブプロセス)は更に、i)グループの他のノードから受信された応答の候補を継続的に聴取すること、ii)応答メッセージが受信されたときには、少なくとも航空機アドレス“AA”及びタイムスタンプを抽出すること、iii)抽出された航空機アドレスとタイムスタンプをテーブルに記録すること、iv)ノードの位置を検証するため、マルチラテレーション“MLAT”計算を実行するのに充分な情報があるか否かをチェックすること、v)入手可能な情報がノードを検証するのに充分でない場合には、システムは新しい応答メッセージを引き続き待つ。充分な情報がある場合には、ステップi)〜iv)が繰り返され、システムはMLAT計算を実行する。次にシステムは、テレメトリの結果とADS−Bメッセージによって主張された位置と比較し、具体的なノードが信頼できるものか否かを判定し、vii)最終的に、航空機搭乗員がその状況を認識するように、結果はリアルタイムで示される。
本開示の第3の態様は、航空機が自機のADS−Bの範囲内にある航空機から受信したADS−Bメッセージを検証するため、一又は複数の上述の実施形態で説明されたシステム及び/又はプロセスを利用できるようにする。
本開示の第4の態様は、航空機に読込まれると、放送型自動従属監視システム“ADS−B”を構成するコンピュータプログラムが保存されたコンピュータ可読媒体を提供し、これによりADS−Bシステムは更にADS−Bメッセージを検証することができる。
本開示の第5の態様は、自機のADS−Bの範囲内にある航空機から受信したADS−Bメッセージを検証するためのシステムを含む航空機を提供し、このシステムは、
・モードSトランスポンダから受信した信号を復調して復号するように構成された受信機モジュールであって、受信したメッセージの種類を判定し、ADS−Bメッセージ、要求メッセージ又は応答メッセージの各種メッセージからの情報を抽出して構文解析する受信機モジュールと、
・受信機モジュールによって抽出され構文解析された情報を処理するプロセッサモジュールであって、提供された情報がテレメトリ計算を実行するのに充分か否かを計算し、充分な場合には、テレメトリ計算を実行し、テレメトリ計算とADS−Bメッセージに含まれる航空機の位置とを比較し、両者が一致する場合には、信頼できるADS−Bメッセージであり、そうでない場合には、要求メッセージ、応答メッセージ、或いはその両方を送信するように更に構成されているプロセッサモジュールと、
・前記要求メッセージと応答メッセージをモードSトランスポンダに送信するために、要求メッセージと応答メッセージをフォーマット化するトランスミッタモジュールと
を備える。
一又は複数の実施形態では、航空機に提供される受信機モジュールは、ADS−B検出器、要求検出器及び応答検出器を備える。ADS−B検出器はADS−Bメッセージを特定するように構成されている。要求検出器は要求メッセージを特定するように構成されている。また、応答検出器は応答メッセージを特定するように構成されている。
一又は複数の実施形態では、航空機に提供されるプロセッサモジュールは、テーブル、ブレーン及びクロックを備える。テーブルはブレーンに提供される情報を保存するためのメモリからなり、クロックは全地球的航法衛星システムに従ってシステムに時間基準を提供し、ブレーンは、
・少なくとも航空機ID、前記航空機IDに対する航空機位置、及び前記航空機IDに対する到着時刻である、ADS−Bメッセージに含まれる情報をテーブルに保存し、
・テレメトリ計算を実行し、
・テレメトリ計算の結果とADS−Bメッセージに含まれる航空機の位置とを比較して、要求メッセージと応答メッセージをいつ送信するかを決定する
ように構成されているプロセッサからなる。
本明細書で使用されているように、特定の機能を実行するように構成されたシステム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアは、実際に、いかなる変更も行わずにその特定の機能を実行することが可能であり、更なる改変をした後にその特定の機能を実行するという単に潜在能力を有するというものではない。言い換えるならば、特定の機能を実行するように構成されたシステム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアは、特定の機能を実行するという目的のために、特に選択され、作り出され、実装され、利用され、プログラムされ、かつ/又は設計される。本明細書で使用される、「ように構成された」という表現は、システム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアが更なる改変なしで特定の機能を実行することを可能にする、システム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアの特性が存在することを意味する。この開示において、特定の機能を実行するように構成されたと表現されるシステム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアは、その機能を実行するように適合している、及び/又は、実行するように作動可能であると、さらに又は或いは表現することもできる。
例示的な実施形態の特性と考えられる新規の機能は、添付の特許請求の範囲に明記される。しかしながら、例示的な実施形態と、好ましい使用モードと、その更なる目的及び特徴とは、添付図面を参照して本開示の例示的な実施形態の後述の詳細な説明を読むことによって、最もよく理解されるであろう。
航空機Aが航空機AのADS−Bの範囲内及び範囲外の航空機によって取り囲まれている例示的な飛行状況を示す。 ADS−Bメッセージを検証するための例示的なシステムを示す。 ADS−Bメッセージを検証するためのシステムに含まれる例示的なテーブルを示す。 ADS−Bメッセージを検証するための例示的なプロセスのフローチャート表現を含む。 ADS−Bメッセージ情報を収集するための例示的なサブプロセスのフローチャート表現を含む。 要求メッセージを同報送信するための例示的なサブプロセスのフローチャート表現を含む。 応答メッセージを同報送信するための例示的なサブプロセスのフローチャート表現を含む。 テレメトリ計算を実行するための例示的なサブプロセスのフローチャート表現を含む。
以下の説明では、「ノード」は「航空機」の同義語として使用されるが、これは両者が本開示の範囲内で同じ意味を有するためである。加えて、方法がサブプロセスを含む本明細書では、方法とプロセスも交換可能に使用されうる。
本開示は、幾つかのノード間で交換されるADS−B(放送型自動従属監視)メッセージを検証するためのシステム及び方法の実施形態を記述している。開示された検証システム及び方法は、ADS−Bメッセージを攻撃実行のための支援プラットフォームとして使用する攻撃者に対して有効である。有利には、開示された検証システム及び方法は、航空機で受信したADS−Bメッセージに着目している。結果として、これは、暗号化技術を使用する従来技術によるセキュリティ発明よりも進んでいることを意味する。
図1に示されるように、航空機Aとこれを取り囲む7機の航空機B〜Hには、放送型自動従属監視システム“ADS−B”とモードSトランスポンダが備わっている。航空機Aは、自機のADS−Bの範囲内にあるノードから受信したADS−Bメッセージ、すなわち、航空機B〜Eから受信したメッセージを検証することを望む。
上記を行うため、航空機A及び航空機AのADS−Bの範囲内にあるすべての航空機には、本開示のシステム及び方法が備わっていなければならない。ADS−Bメッセージを検証するためシステム1は、受信機モジュール2、プロセッサモジュール3、トランスミッタモジュール4及びデータベース8を含む。システム1は、GNSSシステム6、モードSトランスポンダ5及びADS−Bシステム7に接続される。本システムは、カスタマイズ可能である。カスタマイズによって、検証されたADS−BメッセージだけがADS−Bシステム7へ送信されるようにしてもよいし、或いは、すべてのADS−BメッセージがADS−Bシステム7へ送信されるが、各メッセージには航空機搭乗員への情報として信頼できる又は信頼できないと標識が付けられるようにしてもよい。そのような情報は、スクリーン9での視覚表現によって航空機搭乗員に示される。
GNSSシステム6は、図2に示した例示的な実施形態として、航空機Aの位置及び、すべてのノードB〜Hのための同一の時間基準でもある航空機Aの時間基準を提供する。モードSトランスポンダ5は、周囲のノードB〜Hから受信したメッセージをシステム1に提供し、システム1からのメッセージを周囲のノードB〜Hへ同報送信する。
受信機モジュール2は、モードSトランスポンダ5から受信した信号を復調して復号するように構成されたプロセッサである。本開示のシステム1は3種類のメッセージ、すなわち、複数のADS−Bシステムによって共用されるADS−Bメッセージ18、要求メッセージ20及び応答メッセージ19を使用する。したがって、システム1はまた、受信したメッセージの種類を判定し、各種のメッセージに含まれる情報を抽出して構文解析するように構成されている。各種のメッセージを処理するため、受信機モジュール2は、ADS−Bメッセージ18を特定するように構成されたADS−B検出器10、要求メッセージ20を特定するように構成された要求検出器11、及び応答メッセージ19を検出するように構成された応答検出器12を含みうる。
プロセッサモジュール3は、幾つかのサブモジュール13〜15を含んでもよく、これらのモジュールの各々は、受信機モジュールによって抽出され構文解析された情報を処理するように構成されている。プロセッサモジュール3は、テーブル13、ブレーン14及びクロック15を含みうる。クロック15は、システム1に時間基準を提供し、GNSSシステム6によって提供される時間に同期される。ブレーン14は、受信したADS−Bデータが信頼できるか否かの判定を担うプロセッサ14である。ブレーン14は、受信機モジュール2から情報(航空機ID、航空機位置、到着時刻TOA)を受信し、これをテーブル13内に配置し、テレメトリ計算14bを実行し、その結果と、主張されたADS−B位置(ADS−Bメッセージ内の航空機位置)とを比較し、要求メッセージ又は応答メッセージをいつ送信するかを決定する。本明細書に記載されている方法により、システムは、提供された情報がテレメトリ計算を実行するのに充分か否か、また、要求メッセージ又は応答メッセージが送信されなければならないか否かを決定することができる。提供された情報がテレメトリ計算を実行するのに充分な場合には、プロセッサ14aはテレメトリ計算14bを実行し、テレメトリ計算とADS−Bメッセージに含まれる航空機の位置6aと比較し、両者が一致する場合には、ADS−Bメッセージは信頼できるものとなる。提供される情報がテレメトリ計算を実行するのに充分でない場合には、ノードAからの要求メッセージがADS−Bの範囲内のノードB〜Eへ送信される。ノードB〜Eは、応答メッセージによってノードAに応答する。データベースは、プロセッサモジュール3によって必要とされる情報とテレメトリ計算を実行するためのデータを保存するため、プロセッサモジュール3に接続される。テレメトリ計算はマルチラテレーション(MLAT)に基づいている。
マルチラテレーション(MLAT)は、トランスミッタの位置を正確に判別する協働監視アプリケーションとして定義されうる。MLATは、モードS又はADS−Bなどの異なる技術に応答して送信されうる航空機からのデータを使用する。航空機によって送信された信号は、わずかに(fractionally)異なる時刻に各ノードによって受信される。最新のコンピュータ処理技術を使用すると、個々の時間差により航空機の位置は正確に計算することができる。マルチラテレーションの基本的な考え方は、n個の変数を推定するには少なくともn個の方程式を有することである。未知の位置ベクトル(x,y,z)にエミッタ(図1の航空機A)があり、放射源は既知の位置(航空機B〜E)のN個の受信機の範囲内にあるとみなすと、エミッタから受信機の1つまでの距離(d)は次式のようになる。
Figure 2017121926
受信機iとmに対するTDOA方程式は次にようになる。
TDOAi−m = TOA − TOA
光速(c)を考慮すると、前述の方程式の間には、以下の直接的な関係が存在する。
c・TDOAi−m = d − d
ここで、
・TDOAは到着時刻の差
・x、y及びzは各受信機(受信機局としても航空機)の位置
・x、y及びzはエミッタ航空機の位置
である。
したがって、エミッタの位置を正確に判別するためには、少なくとも4つの受信機が必要となりうる。
テーブル13の例示的な実施形態は図3に示されている。システム1は、決定済みの時間スロットの間にのみ、ADS−Bメッセージを処理する。これらの時間スロットは、TW、TW、…、TWと標識され、時間ウィンドウ識別子(TW識別子)と名付けられる。テーブル13の第1の列13aは航空機IDのためのもので、抽出及び保存されるすべてのADS−Bメッセージの各航空機アドレス用の24ビットのフィールドになっている。テーブル13の第2の列13bは、各ADS−Bメッセージに含まれる航空機位置のためのものである。テーブル13の第3の列13cは、タイムスタンプTS 、すなわち、航空機Yによって送信されたADS−Bメッセージに関して、航空機Xによって登録された到着時刻のためのものである。したがって、第1の値は「自己の」タイムスタンプ(図3のTS で、航空機Aが航空機BからADS−Bメッセージを受信する正確な瞬間)で、値の残りの部分は、要求メッセージの結果として、他のノード(航空機B〜E)によって登録されたタイムスタンプであるため、「外部の」タイムスタンプとなる。すなわち、航空機Aは要求メッセージを同報送信し、航空機B〜Eは応答メッセージで応答する。タイムスタンプは、具体的なTWの始まりとみなされる。テーブル13の第4の列13dは、検証されたステータスのためのものである。検証されたステータスは2種類の情報、すなわち、テレメトリ計算を実行するための充分な情報があるか否か(図3のYES/NO)、並びに、ADS−Bメッセージが信頼できるか信頼できないか、を提供する。したがって、図1に示した状況に従って図3に示したテーブル13の例示的な実施形態に関しては、テーブル13は航空機Aのための時間ウィンドウTW内のテーブルであって、ノードB、C及びEのテレメトリ計算の実行に充分な情報を有するが、ノードDのテレメトリ計算の実行には充分な情報を有していない。テレメトリ計算の実行に充分な情報を有するこれらのノードの中で、ノードB及びCは、ADS−Bで取得した位置がテレメトリ計算と一致しているため、信頼できるとみなされるが、ノードEは、ADS−Bで取得した位置が航空機Eに対するテレメトリ計算と一致していないため、信頼できないとみなされる。
トランスミッタモジュール4は、要求メッセージと応答メッセージをモードSトランスポンダ5に送信するため、要求メッセージと応答メッセージをフォーマット化するように構成されている。ノードAのモードSトランスポンダ5は、航空機AのADS−Bの範囲内にあるノード、すなわち、ノードB、C、D、E(図1参照)に、要求メッセージを含む信号を同報送信する。
システムは、図4に示すように要約できるプロセスを実行する。(図1に示した例示的な実施形態に対応する航空機Aに実装される)システムは最初に、ADS−Bの範囲内のノード(図1に示した例示的な実施形態に対応する航空機B〜E)から、ADS−Bメッセージ情報21を収集する。この収集プロセスは、一般的に周期的な時間ウィンドウの間に行われる。ADS−Bメッセージは、ADS−Bの範囲内のノード(図1の航空機B〜E)から1つのノード(図1の航空機A)によって受信されたメッセージである。ADS−Bメッセージに含まれる情報は、少なくとも送信側ノード(図1の航空機B〜E)の航空機ID、送信側ノードの位置及び送信側ノードの到着時刻である。受信側ノード(図1の航空機A)は、各受信メッセージにタイムスタンプを加え、タイムスタンプもテーブルに保存される。ADS−Bメッセージから抽出された情報は、(図1に示すように、ADS−Bの範囲内で航空機を取り囲む)ノードのグループをマッピングするために使用される。ADS−Bを介して受信された情報は、初期設定では信頼できないとみなされる。次に、システムは、ADS−Bの範囲内のノード(図1の航空機B〜E)が検証可能か否かをチェックする(22)。ノードを検証するため、システムは、ADS−Bメッセージに含まれる情報にマルチラテレーション“MLAT”計算(テレメトリ計算)を適用する。テレメトリ計算を適用するためには、検証される各ノードにつき少なくとも4つのタイムスタンプが提供されることが重要である(22)。テレメトリ計算を実行するため、システムが付加的な情報を必要とする場合には、システムは、ADS−Bの範囲内のノードに要求メッセージを同報送信する(25)。セキュリティ対策として、システムは、他のノードから他の要求メッセージを受信しないこと(23)を確実にするため、要求メッセージを同報送信する前に、一定の時間(ランダム時間遅延)だけ待機する。次に、システム(図1の航空機A)は、ADS−Bの範囲内のノード(図1の航空機B〜E)の応答メッセージを受信する。応答メッセージは各ノードのテーブルを含む。次に、システムは、受信メッセージに含まれる情報がテレメトリ計算を実行するのに充分か否かをチェックする(26)。肯定的な場合には、システムは、ADS−Bメッセージが信頼できる(26T)か信頼できない(26U)かを判定することができる。実行されたテレメトリ計算により、航空機の位置がADS−Bメッセージに含まれる位置と一致することが判明したときには、ADS−Bメッセージは信頼できる。否定的な場合には、システムは、要求メッセージが同報送信されるステップに戻る。
上述のADS−Bメッセージ情報収集のサブプロセス(21)を図5に詳細に示す。この収集のサブプロセスにより、システムは検証されるグループのノードを決定することができる。ADS−Bメッセージ収集のサブプロセスは、以下のように説明されうる。最初に、システム1は、ADS−B-INシステム(ATSAW、ASAS…)が始動された後、(自動的に、又は航空機搭乗員の裁量により)初期化される。次に、システムには、自機によって受信されたADS−B位置メッセージが提供される。システムは、決定された時間ウィンドウの間に、すなわち、システムが短い時間帯に「聴取」のみを行っている間に、受信されたADS−Bメッセージだけを処理する。これらの時間帯は、図5では「時間ウィンドウは開いているか(27)」として示されている。そのため、これらの時間ウィンドウは、「時間ウィンドウリスナー(TWL)」と呼ばれる。時間ウィンドウリスナー(TWL)は周期的である。時間ウィンドウリスナーは、システムにかかわらず同期されている。TWLは毎分最初の1秒で引き起こされ、10秒間反復される。TWLにより、システムは、周囲の各航空機の少なくとも1つのADS−Bメッセージを受信して処理することができる。次に、すべてのTWLは、6ビットカウンタを有するシステムによって特定される。6ビットカウンタは、新しいTWLのたびにインクリメントされ(28)、値が59に到達した後にリセットされる。このカウンタは、10分間(60個の取りうる値、0〜59)にTWLを特定するために使用される。毎時の最初のTWL(「タイムスタンプカウンタの始動(29)」)には、値0が割り当てられる。10分後、20分後などに始動するTWLには、同じ値が割り当てられる。同期を実行するこの方法により、グループ内の各システムは同一のTWL基準を有することが保証される。本システムはまた、各TWLにおいて、ADS−Bメッセージが受信されるTWLの正確な瞬間を判定するために使用される内部カウンタを含む。ADS−Bメッセージが受信される(30)と、システムはそのタイムスタンプを判定する(31)。タイムスタンプは、TWL数(TW、…、TW)及びTWL内部カウンタの値からなる。次に、メッセージは、主張された24ビットの航空機アドレスを抽出する(32)ため、また、主張されたADS−B位置を抽出する(33)ため、システムによって使用される。これらのデータはテーブルに記録される(34)。次に、TWLがまだ開いている(35)場合には、システムは受信したADS−Bメッセージの聴取と処理を継続する。一方、TWLが終了した場合には、システムは、次のTWLまでADS−Bメッセージの処理を停止する。
要求メッセージを同報送信する上述のステップ(25)は、図6に詳細に示されたサブプロセスによって実行される。すなわち、図6は、グループの残りのノードに要求を同報送信するため、システムの機能によって実行されるステップを表わすフロー図を示している。要求メッセージを同報送信するサブプロセス(25)は、以下のように詳細に説明される。最初に、システムは、検証されるノードが存在するか否かを判定するため、継続的にテーブルをチェックする(36)。ADS−Bによって主張された位置がマルチラテレーションによって計算された位置と一致するときには、ノードは検証されたとみなされる。ノードが検証される必要がある場合には、システムは、マルチラテレーション計算を実行するため、周囲の航空機(ノード)からデータを必要としうる。必要とされるデータを要求するため、システムは、照会すなわち要求メッセージを同報送信する(37)。照会により、システムは、周囲の航空機の周囲のシステムの具体的なTWLに関連する情報を要求している。そのため、要求メッセージはTWL識別子を含む。 生成された要求メッセージを送信する前に、システムはランダム遅延を決定する(38)。この遅延は、待機期間を決定することを意味しており、待機時間においてはシステムが何らの要求を送信することも要求されず(39)、グループの他のノードによって送信されるあらゆる要求を検出するため、1030MHzチャネルを聴取する。ランダム時間遅延の間に要求が受信(40)される場合には、システムは要求メッセージを破棄(42)し、プロセスは終了する(43)。ランダム時間遅延の間に要求が受信(40)されない場合には、システムは自己の要求メッセージを同報送信する(41)。このメッセージはグループの残りのノード(ADS−Bの範囲内の航空機)によって受信され、応答送信サブプロセスが引き起こされる。要求メッセージが同報送信されると、要求メッセージの同報送信サブプロセス(23)は終了する。
同報送信メッセージサブプロセス(24)は以下のステップを含む。最初に、他のノード44によって送信された何らかの照会を検出するため、システムは1030MHzのチャネルを継続的に聴取する。照会が検出されると、システムは、他のノードが計算を実行するのに有用となりうる自己のテーブルの情報を同報送信する。送信チャネルを大いに効率的に活用するため、本開示の方法は、送信時間スロットの割り当てに基づく送信手続きを規定する。各ノードは、自己の送信時間スロットを決定する。システムは最初に、航空機アドレス(AA)によって自己のテーブルをソートする(45)。最も低位のノードAAは、グループのノードリストの1番目とみなされる。搭載されているシステムによって自己割り当てされた時間スロットは、リスト中での自己の位置に対応している(46)。システムが自己の送信時間スロットを理解すると、システムは応答メッセージを生成する(47)。各メッセージは、1つのADS−B受信メッセージのタイムスタンプに関する情報を含む。メッセージは、あらかじめ決定された送信時間スロット中に送信される。メッセージを送信する正確な瞬間はランダム時間遅延によって決定される(48)。このランダム時間遅延の機能は、2つ以上のノードが同一の送信時間スロットを選択した場合に、送信衝突の可能性を低減することにある。応答メッセージは、割り当てられた送信時間スロットの間にのみ送信される(49)。応答メッセージは、ランダム時間遅延が終了すると送信される(50)。各システムは、時間スロットごとに1つの応答メッセージを送信する。応答は、1090MHzチャネルで最大送信電力を使用して、同報送信される(51)応答メッセージは、テーブルの1行のデータを含む。したがって、ステップ47〜51は、テーブルの各ノードに関する情報が送信されるまで、必要に応じて何度でも繰り返される。最終的に、テーブルが完全に送信されたとき、サブプロセスは終了する(53)。
図4のテレメトリ計算を実行する前述のサブプロセス(26)は、以下のように詳述される。図8は、計算を実行し、グループのノードから受信したADS−Bデータの信頼性を判定するため、開示されたシステムによって実行されるステップを提示するフロー図を示している。テレメトリ(マルチラテレーション)計算は継続的なサブプロセスである(26)。これは次のように説明することができる。システムは、グループの他のノードから受信された応答の候補を継続的に聴取する(54)。応答メッセージが受信されると、システムは、含まれる情報を抽出する。すなわち、航空機アドレスを抽出(55)し、タイムスタンプを抽出する(56)。次に、抽出されたデータはテーブルに記録される(57)。システムは次に、ノードの位置を検証するためのマルチラテレーション“MLAT”計算を実行するだけの充分な情報があるか否かをチェックする(58)。入手可能な情報がノードを検証するのに充分でない場合には、システムは引き続き新しい応答メッセージを待つ。次に、ステップ54〜58が繰り返される。充分な情報がある場合には、システムはMLAT計算を実行する(59)。システムは次にテレメトリの結果とADS−Bメッセージによって主張された位置とを比較(60)し、具体的なノードが信頼できるか否かを判定する。最終的に、システムは、航空機搭乗員がその状況を認識するように、結果をリアルタイムで提示する(61)。

Claims (13)

  1. 放送型自動従属監視システム“ADS−B”(7)を装備した航空機(A)のADS−Bメッセージ(1)を検証するためのシステムであって、
    モードSトランスポンダ(5)から受信した信号を復調して復号するように構成された受信機モジュール(2)であって、受信したメッセージ(18、19、20)の種類を判定し、次にADS−Bメッセージ(18)、要求メッセージ(19)又は応答メッセージ(20)の各種メッセージから情報を抽出して構文解析する受信機モジュール(2)と、
    前記受信機モジュール(2)によって抽出され構文解析された情報を処理するように構成されたプロセッサモジュール(3)であって、提供された前記情報がテレメトリ計算を実行するのに充分か否かを計算し、充分な場合には、テレメトリ計算を実行し、前記テレメトリ計算とADS−Bメッセージに含まれる航空機の位置とを比較し、両者が一致する場合には、信頼できるADS−Bメッセージとなり、そうでない場合には、要求メッセージ、応答メッセージ、或いはその両方を送信するように更に構成されているプロセッサモジュール(3)と、
    前記要求メッセージと前記応答メッセージを前記モードSトランスポンダ(5)に送信するため、前記要求メッセージと前記応答メッセージをフォーマット化するように構成されているトランスミッタモジュール(4)と
    を備えるシステム。
  2. 前記受信機モジュール(2)は、ADS−B検出器(10)、要求検出器(11)及び応答検出器(12)を備え、前記ADS−B検出器はADS−Bメッセージ(18)を特定するように構成され、前記要求検出器は要求メッセージ(20)を特定するように構成され、前記応答検出器は応答メッセージ(19)を特定するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記プロセッサモジュールは、テーブル(13)、ブレーン(14)及びクロック(15)を備え、前記テーブルは前記ブレーンに提供される情報を保存するためのメモリからなり、前記クロックは全地球的航法衛星システムに従って前記システム(1)に時間基準を提供し、前記ブレーンは、
    ・ADS−Bメッセージ(18)に含まれ、少なくとも航空機ID(13a)、前記航空機IDに対する航空機位置(13b)、及び前記航空機IDに対する到着時刻(13c)である前記情報を前記テーブル(13)に保存し、
    ・テレメトリ計算(14b)を実行し、
    ・前記テレメトリ計算の結果と前記ADS−Bメッセージに含まれる前記航空機位置とを比較し、
    ・前記要求メッセージと前記応答メッセージをいつ送信するかを決定する
    ように構成されたプロセッサからなる、請求項2に記載のシステム。
  4. 前記トランスミッタモジュールは、前記要求メッセージ(20)と前記応答メッセージ(19)をそれぞれフォーマット化するように構成されている要求トランスミッタ(16)と応答トランスミッタ(17)を備える、請求項3に記載のシステム。
  5. 放送型自動従属監視システム“ADS−B”を備える航空機のためのADS−Bメッセージを検証する方法であって、
    i)ADS−Bの範囲内にある航空機から周期的な時間ウィンドウにおいて前記航空機によって受信されるADS−Bメッセージ情報であって、少なくとも航空機ID、前記航空機IDに対する航空機位置、前記航空機IDに対する到着時刻、及び各航空機IDに対するタイムスタンプである情報を収集するサブプロセス(21)と、
    ii)ADS−Bの範囲内にある各航空機について、他の航空機から収集された少なくとも4つのタイムスタンプがあるか否かをチェックするサブプロセス(22)であって、
    a)肯定的な場合には、各航空機IDに対してテレメトリ計算を実行(26)して、前記航空機位置と比較し、両者が一致する場合には受信した前記ADS−Bメッセージは信頼でき(26T)、一致しない場合には信頼できないものとし(26U)、
    b)否定的な場合には、引き続き、
    iii)前記ADS−Bの範囲内にある他の航空機からの要求メッセージが所定の時間遅延の範囲内で受信されるか否かをチェックするサブプロセス(23)であって、
    a)肯定的な場合には、前記周期的な時間ウィンドウにおいて収集された前記ADS−Bメッセージ情報を有する応答メッセージを同報送信し(24)、
    b)否定的な場合には、引き続き、
    iv)前記所定の時間遅延後、前記ADS−Bの範囲内にある前記航空機に要求メッセージを同報送信(25)し、サブプロセスi)〜iii)を繰り返すサブプロセスと
    を含む方法。
  6. ADS−Bメッセージ情報を収集する前記サブプロセスは、
    前記周期的な時間ウィンドウ(27)の間に受信したADS−Bメッセージを処理すること、
    時間ウィンドウカウンタの値をインクリメントすること(28)、
    タイムスタンプカウンタを始動すること(29)、
    ADS−Bメッセージが受信される(30)と、タイムスタンプを判定すること(31)、
    主張された航空機アドレス及びADS−B位置の両方を抽出すること(32、33)、
    主張された前記航空機アドレスと前記ADS−B位置をテーブルに記録すること(34)、
    前記周期的な時間ウィンドウがまだ開いている場合には、前記受信したADS−Bメッセージの聴取と処理を継続すること(35)、そうでない場合には、
    次の周期的な時間ウィンドウまでADS−Bメッセージの処理を停止すること(35)
    を更に含む、請求項5に記載の方法。
  7. 要求メッセージを同報送信する(25)前記サブプロセスは、
    検証されるノードが存在するか否かを判定するために前記テーブルをチェックすること(36)、
    要求メッセージを生成すること(37)、
    ランダム時間遅延を決定すること(38)、
    前記ランダム時間遅延を待つこと(39)
    を更に含み、
    前記ランダム時間遅延の間に要求が受信(40)される場合には、前記システムは自己の前記要求メッセージを破棄(42)し、前記サブプロセスは終了(43)し、
    前記ランダム時間遅延の間に要求が受信(40)されない場合には、自己の前記要求メッセージが同報送信(41)され、前記サブプロセスは終了する、請求項5に記載の方法。
  8. 応答メッセージを同報送信する(24)前記サブプロセスは、
    i)他のノードによって送信された要求を検出するため、継続的に聴取すること(44)、
    ii)前記航空機アドレスによって、自己のテーブルをソートすること(45)、
    iii)送信時間スロットの自己割り当て(46)、
    iv)応答メッセージを生成すること(47)、
    v)ランダム時間遅延を決定すること(48)、
    vi)前記時間スロットが満了したか否かをチェックすること(49)、
    vii)前記ランダム時間遅延の前記満了を待つこと(50)、
    viii)前記テーブルの1行のデータを含む前記応答メッセージを同報送信すること(51)、
    ix)前記テーブルの各ノードに関する情報が送信されるまで、ステップiv)〜viii)を必要に応じて何度でも繰り返すこと(52)、及び
    x)前記テーブルが完全に送信されたとき、前記サブプロセスを終了すること(53)
    を更に含む、請求項5に記載の方法。
  9. テレメトリ計算を実行する前記サブプロセス(26)は、
    i)グループの他のノードから受信された応答の候補を継続的に聴取すること(54)、
    ii)応答メッセージが受信されたとき、少なくとも前記航空機アドレス及び前記タイムスタンプを抽出すること(55、56)、
    iii)抽出された航空機アドレス及びタイムスタンプを前記テーブルに記録すること(57)であって、
    前記ノードの前記位置を検証するため、マルチラテレーション“MLAT”計算を実行するのに充分な情報があるか否かをチェック(58)しつつ、入手可能な情報がノードを検証するのに充分でない場合には、前記システムは引き続き新しい応答メッセージを待ち、ステップi)〜iv)を繰り返し、充分な情報がある場合にはMLAT計算を実行(59)する、記録すること(57)、
    iv)前記テレメトリの結果をADS−Bメッセージによって主張された位置と比較(60)し、前記航空機が信頼できるか否かを判定すること、
    v)航空機搭乗員が状況を認識するように、前記結果をリアルタイムで提示すること(61)
    を更に含む、請求項5に記載の方法。
  10. 航空機(A)に読込まれると、放送型自動従属監視システム“ADS−B”を構成するコンピュータプログラムを保存したコンピュータ可読媒体を更に含み、これにより前記ADS−Bシステム(7)は更にADS−Bメッセージ(18)を検証することができる、請求項9に記載の方法。
  11. 自機のADS−Bの範囲内にある航空機(B、C、D、E)から受信したADS−Bメッセージ(18)を検証するためのシステム(1)を備える航空機(A)であって、前記システムは、
    モードSトランスポンダ(5)から受信した信号を復調して復号するように構成された受信機モジュール(2)であって、受信したメッセージ(18、19、20)の種類を判定し、次にADS−Bメッセージ(18)、要求メッセージ(19)又は応答メッセージ(20)の各種メッセージから情報を抽出して構文解析する受信機モジュール(2)と、
    前記受信機モジュール(2)によって抽出され構文解析された情報を処理するプロセッサモジュール(3)であって、提供された前記情報がテレメトリ計算を実行するのに充分か否かを計算し、充分な場合には、テレメトリ計算を実行し、前記テレメトリ計算とADS−Bメッセージに含まれる前記航空機の位置とを比較し、両者が一致する場合には信頼できるADS−Bメッセージとなり、そうでない場合には、要求メッセージ、応答メッセージ、或いはその両方を送信するように更に構成されているプロセッサモジュール(3)と、
    前記要求メッセージと前記応答メッセージを前記モードSトランスポンダ(5)に送信するため、前記要求メッセージと前記応答メッセージをフォーマット化するように構成されているトランスミッタモジュール(4)と
    を備える、航空機。
  12. 前記受信機モジュール(2)は、ADS−B検出器(10)、要求検出器(11)及び応答検出器(12)を備え、前記ADS−B検出器はADS−Bメッセージ(18)を特定し、前記要求検出器は要求メッセージ(20)を特定し、また、前記応答検出器は応答メッセージ(19)を特定する、請求項11に記載の航空機。
  13. 前記プロセッサモジュールは、テーブル(13)、ブレーン(14)及びクロック(15)を備え、前記テーブルは前記ブレーンに提供される情報を保存するためのメモリからなり、前記クロックは全地球的航法衛星システムに従って前記システム(1)に時間基準を提供し、前記ブレーンは、
    ・ADS−Bメッセージ(18)に含まれ、少なくとも航空機ID(13a)、前記航空機IDに対する航空機位置(13b)、及び前記航空機IDに対する到着時刻(13c)である前記情報を前記テーブル(13)に保存し、
    ・テレメトリ計算(14b)を実行し、
    ・前記テレメトリ計算の結果と前記ADS−Bメッセージに含まれる前記航空機位置とを比較し、
    ・前記要求メッセージと前記応答メッセージをいつ送信するかを決定する
    ように構成されたプロセッサからなる、請求項11に記載の航空機。
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