陳 蕾 吳仁彪 盧 丹

(中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300)

1 引言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡(jiǎn)稱ADS-B)技術(shù)是一種新的監(jiān)視技術(shù)，通過(guò)結(jié)合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的定位，將其位置、速度、飛機(jī)身份與類型及飛行狀態(tài)等各種信息經(jīng)過(guò)擴(kuò)展斷續(xù)震蕩編碼，形成擴(kuò)展斷續(xù)震蕩信號(hào)，經(jīng)調(diào)制通過(guò)射頻數(shù)據(jù)鏈連續(xù)廣播其自身飛行狀態(tài)及位置速度等相關(guān)信息，以實(shí)現(xiàn)更加可靠的監(jiān)視。但是ADS-B信號(hào)格式公開(kāi)，并且信道不加密，這使得系統(tǒng)的安全性面臨極大風(fēng)險(xiǎn)，非常容易受到欺騙干擾的影響。目前國(guó)內(nèi)外已有很多實(shí)驗(yàn)成功對(duì)ADS-B系統(tǒng)實(shí)施了欺騙[1-2]，隨著ADS-B的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，ADS-B 的欺騙干擾自然成為威脅空中交通安全的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了很多研究，具體的解決方案可以歸納為三大類：第一類，基于密碼學(xué)的方法[3- 6]，此類方法均需要改變現(xiàn)行的ADS-B協(xié)議，與現(xiàn)有的ADS-B系統(tǒng)不能兼容，導(dǎo)致附加成本非常高，難于實(shí)施；第二類，基于多數(shù)據(jù)源的方法，文獻(xiàn)[7- 8]通過(guò)傳統(tǒng)監(jiān)視技術(shù)中的雷達(dá)作為輔助源，協(xié)助ADS-B系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，但這種方法需要多個(gè)數(shù)據(jù)源之間進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，復(fù)雜度高且在很大程度上依賴于傳統(tǒng)的監(jiān)視技術(shù)；文獻(xiàn)[9-11]通過(guò)多個(gè)基站進(jìn)行多點(diǎn)定位對(duì)目標(biāo)的真實(shí)位置進(jìn)行驗(yàn)證，文獻(xiàn)[12]利用接收信號(hào)強(qiáng)度對(duì)航跡進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)效果較差；文獻(xiàn)[13]利用信號(hào)時(shí)間間隔驗(yàn)證航跡的運(yùn)動(dòng)，文獻(xiàn)[14-15]利用多普勒效應(yīng)來(lái)檢測(cè)干擾，但需要多個(gè)基站協(xié)同工作以消除發(fā)射機(jī)自身的不確定性頻率偏移，這些方法中，基站之間的相對(duì)位置對(duì)算法影響都很大，且都需要多個(gè)地面站之間的同步，復(fù)雜度很高；第三類，基于單一數(shù)據(jù)源的方法[17-19]，此類方法目前都是通過(guò)陣列天線對(duì)目標(biāo)信號(hào)的來(lái)向進(jìn)行驗(yàn)證，此類方法復(fù)雜度有所降低，但陣列天線本身結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，且難于校準(zhǔn)，另外此類方法需要空間搜索測(cè)向，計(jì)算復(fù)雜度高，雖然文獻(xiàn)[20-21]提出了一種不需要空間搜索測(cè)向的方法，但是該方法需要已知陣列流形信息，并且對(duì)陣列誤差較為敏感，需要陣列校準(zhǔn)。

基于此，本文提出了一種基于多普勒頻率的欺騙式干擾檢測(cè)方法，此方法僅需要單一數(shù)據(jù)源且不需要陣列天線，復(fù)雜度大大降低，方法通過(guò)驗(yàn)證真實(shí)信號(hào)的多普勒頻移變化與報(bào)告的位置計(jì)算的多普勒頻移變化是否一致來(lái)檢測(cè)欺騙式干擾，通過(guò)求相關(guān)的方法消除了不同發(fā)射機(jī)中心頻偏不相同的問(wèn)題。相比于已有的方法，此方法避免使用多個(gè)接收機(jī)甚至多個(gè)數(shù)據(jù)源協(xié)同工作，且與現(xiàn)有ADS-B系統(tǒng)兼容，因而實(shí)用性較強(qiáng)。

2 信號(hào)模型和問(wèn)題陳述

2.1 信號(hào)模型

1090ES數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)茿DS-B 系統(tǒng)中應(yīng)用的最為廣泛的數(shù)據(jù)鏈，其以1090 MHz作為載頻，采用ASK(Amplitude Shift Keying)調(diào)制，通過(guò)不同種類的數(shù)據(jù)幀廣播包括空中位置消息、空中速度消息、地面位置消息、飛機(jī)身份與類型消息、事件驅(qū)動(dòng)消息等多種類別的消息，不同類別的幀格式基本相同，如圖1所示，每幀時(shí)長(zhǎng)120 μs，包括固定8 μs的前導(dǎo)脈沖和112 μs的數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域采用PPM(Pulse Position Modulation)調(diào)制，數(shù)據(jù)速率為1 MHz。在112 bit的數(shù)據(jù)域中，不同種類的數(shù)據(jù)幀的ME(Message Field)字段包含著相應(yīng)類別的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

圖1 ADS-B幀格式Fig.1 ADS-B frame structure

根據(jù)國(guó)際民航組織(ICAO)制定的ADS-B標(biāo)準(zhǔn)[22]，飛機(jī)上安裝的ADS-B發(fā)射機(jī)的射頻中心頻率在1090 MHz±1 MHz，即飛機(jī)的ADS-B發(fā)射機(jī)中心頻率并不是穩(wěn)定在1090 MHz的中心頻率上，發(fā)射機(jī)的中心頻偏為ΔfT。那么接收信號(hào)的載波頻率可以表示為：

fc0=f0+fd+ΔfT

(1)

其中，f0表示載波的中心頻率，這里表示中頻信號(hào)的載波頻率(本文為10 MHz)，fd表示相應(yīng)與接收信號(hào)的多普勒頻移。那么時(shí)刻t接收到的一幀消息可以表示為：

(2)

上式中，A表示接收到的信號(hào)的功率，D(t)表示基帶信號(hào)，φ和fc0分別表示初始相位和中頻載波頻率。e(t)表示復(fù)高斯白噪聲。

2.2 問(wèn)題陳述

我們考慮一個(gè)真實(shí)飛機(jī)和欺騙源同時(shí)存在場(chǎng)景，假設(shè)真實(shí)飛機(jī)‘AA’通過(guò)其機(jī)載ADS-B發(fā)射機(jī)正常發(fā)送其速度和位置等消息，可得到一系列航跡點(diǎn)。欺騙干擾機(jī)在接收機(jī)附近可以保證其干擾信號(hào)都能被接收機(jī)正常接收到的位置，通過(guò)偽造正確格式和編碼內(nèi)容的位置、速度等一系列ADS-B消息，使接收機(jī)解碼出虛假飛機(jī)目標(biāo)‘BB’相應(yīng)的ADS-B報(bào)文，并進(jìn)一步顯示在管制員屏幕上，擾亂空中交通秩序。當(dāng)然，為了某種目的，干擾機(jī)可能不會(huì)一直位于同一位置，而是頻繁的改變其位置，甚至可能在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)施干擾。因此，本文考慮兩種欺騙場(chǎng)景：

1)欺騙干擾機(jī)在接收機(jī)附近某一固定位置實(shí)施干擾；

2)欺騙干擾機(jī)在接收機(jī)附近運(yùn)動(dòng)并實(shí)施干擾。

3 欺騙干擾檢測(cè)方法

3.1 報(bào)文多普勒頻移計(jì)算方法

在ADS-B空中速度消息中，包含速度的東西方向分量、南北方向分量和垂直分量，即其速度矢量可以表達(dá)在以飛機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)的東北天坐標(biāo)系內(nèi)，而ADS-B的空中位置消息中，位置信息通過(guò)大地坐標(biāo)系中的經(jīng)度(λ)、緯度(φ)和高度(h)進(jìn)行描述，因而計(jì)算多普勒頻率時(shí)，需要通過(guò)將大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為以飛機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)的東北天坐標(biāo)系，將位于大地坐標(biāo)系中的由接收機(jī)到飛機(jī)的指向向量轉(zhuǎn)化到以飛機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)的東北天坐標(biāo)系中，進(jìn)而計(jì)算多普勒頻率。

將大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到以飛機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)的東北天坐標(biāo)系需要借助地心地固坐標(biāo)系，假設(shè)ADS-B接收機(jī)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(λR,φR,hR)，飛機(jī)的空中位置坐標(biāo)為(λT,φT,hT)，那么二者在地心地固坐標(biāo)系中可以分別表示為

(3)

(4)

那么進(jìn)一步可得，在地心地固直角坐標(biāo)系中，由飛機(jī)到接收機(jī)的方向向量為

(5)

利用坐標(biāo)變換矩陣S將觀測(cè)向量轉(zhuǎn)換到東北天坐標(biāo)系中，即

penu=S·pecef

(6)

其中坐標(biāo)變換矩陣S為

(7)

另外，可從ADS-B的空中速度消息中解碼得出以飛機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)的東北天坐標(biāo)系中的速度矢量venu，進(jìn)一步可計(jì)算出接收機(jī)接收到ADS-B信號(hào)的多普勒頻率：

(8)

其中，λ=c/fc表示載波波長(zhǎng)，載波頻率fc≈1090 MHz，c為電磁波傳播速度。

3.2 檢測(cè)算法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件[22]，ADS-B消息的發(fā)射頻率約為每秒6.2條，其中空中位置消息、空中速度消息、事件驅(qū)動(dòng)消息均為每秒2條，身份消息為每秒0.2條。假設(shè)飛機(jī)從位置A到達(dá)位置B，歷時(shí)n秒，共發(fā)送空中位置消息2n條，空中速度消息2n條，事件驅(qū)動(dòng)消息2n條，記為

X={X1,X2,...,Xn}

(9)

其中，Xi表示第i秒發(fā)送的消息的集合，具體包括

Xi={sνi1,sνi2,spi1,spi2,sei1,sei2}

(10)

已知接收機(jī)本身的三維位置PR(λR,φR,hR)，可根據(jù)3.1所述方法計(jì)算第i秒報(bào)文對(duì)應(yīng)的多普勒頻移fdi。

另一方面，利用FFT算法可對(duì)Xi中的消息分別進(jìn)行頻率估計(jì)，可得到一組真實(shí)信號(hào)的頻率估計(jì)值：

(11)

(12)

那么，對(duì)于式(9)所給出的所有信號(hào)組，可由式(8)和式(12)分別計(jì)算出一組報(bào)文對(duì)應(yīng)的多普勒頻率和一組信號(hào)估計(jì)頻率：

fd={fd1,fd2,...,fdn}

(13)

(14)

對(duì)于真實(shí)目標(biāo)，有

(15)

(16)

ρ≥ε

(17)

則判定為真實(shí)目標(biāo)，否則判定為欺騙式干擾目標(biāo)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)接收機(jī)位置為東經(jīng)117.3621，北緯39.1089，高度為20 ft，在接收機(jī)附近水平范圍40 km內(nèi)隨機(jī)生成500條航跡，高度為30000～34000 ft，位置關(guān)系及航跡示意如圖2(a)所示，航跡時(shí)間長(zhǎng)度為27.5 s，共發(fā)送55條ADS-B空中位置消息，所有飛機(jī)都假設(shè)在巡航狀態(tài)，速度800 km/h左右。欺騙源位于地面，假設(shè)欺騙源靜止不動(dòng)，欺騙目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)的發(fā)射機(jī)頻偏均在(-10 kHz,10 kHz)范圍內(nèi)隨機(jī)分布，結(jié)果如圖2(b)所示，真實(shí)目標(biāo)的相關(guān)值集中在1附近，而欺騙干擾目標(biāo)的相關(guān)結(jié)果集中在0附近，當(dāng)檢測(cè)門限ε∈(0.4,0.6)時(shí)，能夠完全區(qū)分欺騙干擾目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)。

圖2 靜止欺騙源仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Static deceptive source simulation results

進(jìn)一步，我們假設(shè)欺騙源在接收機(jī)附近運(yùn)動(dòng)，考慮實(shí)際情況，我們令接收機(jī)位置不變?nèi)詾闁|經(jīng)117.3621，北緯39.1089，高度為20 ft。在接收機(jī)附近5 km范圍內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，時(shí)長(zhǎng)仍為27.5 s，欺騙源發(fā)出欺騙干擾消息的時(shí)間間隔與真實(shí)ADS-B發(fā)射機(jī)一致，欺騙源的高度5 ft，接收機(jī)位置、欺騙源運(yùn)動(dòng)軌跡的經(jīng)緯度相對(duì)位置關(guān)系如圖3(a)所示，欺騙目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)的發(fā)射機(jī)頻偏均在(-10 kHz,10 kHz)范圍內(nèi)隨機(jī)分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示，真實(shí)目標(biāo)的相關(guān)值仍集中在1附近，虛假目標(biāo)的相關(guān)結(jié)果也在0附近，仍能夠較好的區(qū)分真實(shí)目標(biāo)和虛假目標(biāo)。

考慮到信噪比對(duì)頻率估計(jì)有一定的影響，下面選取了真實(shí)航跡和欺騙航跡各500條在不同信噪比條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)定判決門限為0.4，當(dāng)所用ADS-B消息的幀數(shù)量不同時(shí)，得到如圖4所示的結(jié)果，圖4(a)為不同信號(hào)條數(shù)對(duì)應(yīng)的誤檢測(cè)概率隨信噪比變化圖，圖4(b)表示不同信號(hào)條數(shù)下對(duì)應(yīng)的漏檢測(cè)概率隨信噪比變化?？梢?jiàn)，選用的ADS-B幀數(shù)量越多，真實(shí)目標(biāo)與欺騙干擾目標(biāo)的區(qū)分度越高，檢測(cè)效果越好。

圖4 不同幀個(gè)數(shù)下檢測(cè)結(jié)果隨信噪比變化關(guān)系曲線Fig.4 The curve of detection results changing with SNR using different frame number

考慮到多普勒頻率的變化率與接收機(jī)和航跡的相對(duì)位置有關(guān)，下面利用不同位置處的接收機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這里分別選取了位于航跡分布范圍的中心點(diǎn)正下方(117.362, 39.1089, 20)和距離航跡分布中心點(diǎn)正下方60 km(116.921, 39.521, 20)、100 km(116.572, 39.748, 20)和150 km(40.109, 116.262, 20)的四個(gè)接收機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出不同距離對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果隨信噪比變化情況，結(jié)果如圖5所示，圖5(a)(b)分別為設(shè)定檢測(cè)門限為0.4時(shí)的誤檢測(cè)概率和漏檢測(cè)概率。由圖可以看出航跡與接收機(jī)的平面距離對(duì)真實(shí)目標(biāo)的判定結(jié)果基本無(wú)影響，而對(duì)于虛假目標(biāo)，欺騙的航跡與接收機(jī)距離越近，多普勒頻率的變化也就越明顯，檢測(cè)效果越好。

考慮此外，本文將所提方法與文獻(xiàn)[15]中M.Sch?fer所提方法進(jìn)行粗略比較，M.S所提方法利用兩個(gè)以上的接收機(jī)，和一組速度、位置消息進(jìn)行干擾檢測(cè)，其思想是利用不同接收機(jī)接收頻率的差值來(lái)消除發(fā)射機(jī)頻率偏移的影響，驗(yàn)證目標(biāo)相對(duì)于不同接收機(jī)的多普勒頻率差值是否與其估計(jì)的頻率差值相等。圖6所示為M.S方法與本文所提方法的檢測(cè)效果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)接收機(jī)的位置分別為(117.37, 39.42, 30)和(117.36, 38.77, 30)，航跡與前述實(shí)驗(yàn)中相同，欺騙源靜止，M.S方法所用時(shí)長(zhǎng)為1 s，本方法所用時(shí)長(zhǎng)為25 s，M.S 方法所用接收機(jī)為2個(gè)，本方法所用接收機(jī)為1個(gè)。可見(jiàn)，本方法在利用單個(gè)接收機(jī)的情況下通過(guò)增加判斷時(shí)長(zhǎng)達(dá)到了比M.S方法更好的檢測(cè)效果。

圖5 不同距離下檢測(cè)結(jié)果隨信噪比變化關(guān)系曲線Fig.5 The curve of detection results changing with SNR in different distance

圖6 本方法與M.S方法檢測(cè)效果比較Fig.6 The comparison of two detection method

5 結(jié)論

本文提出了一種基于多普勒頻偏的欺騙式干擾檢測(cè)方法，對(duì)于飛機(jī)目標(biāo)報(bào)告的一組信息，可分別根據(jù)其信號(hào)和報(bào)文內(nèi)容計(jì)算一組頻偏，對(duì)于真實(shí)目標(biāo)，根據(jù)其信號(hào)估計(jì)出的頻偏與報(bào)文內(nèi)容計(jì)算出的頻偏應(yīng)為線性關(guān)系，而對(duì)于欺騙干擾目標(biāo)，則不存在這種相關(guān)性。利用這種相關(guān)性，避免了機(jī)載的ADS-B發(fā)射機(jī)的中心頻率存在頻偏對(duì)使用多普勒來(lái)判定欺騙干擾目標(biāo)的影響，使得多普勒效應(yīng)能夠被應(yīng)用于欺騙干擾檢測(cè)中。在頻率估計(jì)過(guò)程中，方法充分利用了飛機(jī)發(fā)射的各種類型的ADS-B消息，以提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。相比于其他方法，本方法由于充分利用了各種類型的ADS-B消息，減少了對(duì)于其他接收機(jī)的要求，僅需單天線的單一接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)判決。實(shí)際應(yīng)用中，由于同頻的二次雷達(dá)信號(hào)等可能與ADS-B信號(hào)產(chǎn)生同頻干擾，會(huì)影響到頻偏的估計(jì)，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選。