褚慶博，董榮軍

（內(nèi)蒙古自治區(qū)郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

0 引 言

空管監(jiān)視系統(tǒng)作為空中交通管制人員的“眼睛”，主要職責(zé)就是對(duì)影響飛行安全的天氣現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別以及跟蹤。通過(guò)深入了解可知，空管領(lǐng)域中采用的監(jiān)視手段比較多，結(jié)合近幾年我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)多種空管監(jiān)視新技術(shù)，如雷達(dá)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）、多點(diǎn)定位等。各個(gè)監(jiān)視方式手段都具有相應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍。

1 空管監(jiān)視系統(tǒng)中的無(wú)線通信技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，空管監(jiān)視系統(tǒng)中的無(wú)線通信技術(shù)主要有兩類，分別是空中交通管制和信息服務(wù)。其中，空中交通管制主要應(yīng)用在地面管制人員與機(jī)組人員的通話，可在飛行階段使用。而信息服務(wù)則是為機(jī)組人員提供相關(guān)信息，具體包括天氣狀況、交通信息等，以此增強(qiáng)飛行人員情景意識(shí)。圖1為空管監(jiān)視系統(tǒng)中的無(wú)線通信技術(shù)[1]。

圖1 空管監(jiān)視系統(tǒng)中的無(wú)線通信技術(shù)

1.1 空中交通管制

1.1.1 話音通信

通過(guò)了解，管制員與飛行員之間主要采用的是話音通信。在具體通信中，需要飛行員通過(guò)地-空進(jìn)行通話，按照相關(guān)流程在所規(guī)定的報(bào)告點(diǎn)向管制員報(bào)告相關(guān)信息，即飛行時(shí)間、飛行高度以及飛行請(qǐng)求等，這樣有助于管制人員確定和把握航空器的交通情況[2]。一般來(lái)說(shuō)，高頻（High Frequency，HF）多應(yīng)用于邊遠(yuǎn)地域上空等超視距的遠(yuǎn)程通信聯(lián)絡(luò)。因話音通信存在一定的弊端，且隨著近幾年全球飛機(jī)數(shù)量的增長(zhǎng)，使得甚高頻（Very High Frequency，VHF）通道越發(fā)擁擠，無(wú)線電話音的通信方式也需要進(jìn)行改變。

1.1.2 管制員-飛行員數(shù)據(jù)連鏈通信

管制員-飛行員數(shù)據(jù)連鏈通信（Controller-Pilot Data Link Communication，CPDLC）作為新型的地-空雙向數(shù)據(jù)鏈，在使用中可支持管制員與飛行員數(shù)據(jù)直接交換，同時(shí)也可作為兩者進(jìn)行通信的手段。為解決以往話音通信信號(hào)存在的失真、延遲等問(wèn)題，CPDLC的出現(xiàn)有效滿足了現(xiàn)代需求。管制員與飛行員之間可在這一通信手段的幫助下實(shí)現(xiàn)信息交換和共享。其優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：一是通信消息可通過(guò)文本形式為相關(guān)人員提供實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而減少差錯(cuò)問(wèn)題；二是通信信息可進(jìn)行復(fù)制、粘貼和儲(chǔ)存，方便相關(guān)人員進(jìn)行查閱；三是根據(jù)具體需求和空域能力選擇所要收發(fā)的信息。

1.1.3 一次監(jiān)視雷達(dá)

一次監(jiān)視雷達(dá)（Primary Surveillance Radar，PSR）在實(shí)際應(yīng)用中可直接由工作人員獨(dú)立進(jìn)行。具體操作時(shí)，可在無(wú)線電波的輔助下掌握目標(biāo)定位。通過(guò)深入了解，以雷達(dá)方式所發(fā)射出的電磁波在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后會(huì)進(jìn)行反射，這時(shí)相關(guān)人員可結(jié)合雷達(dá)獲取到的信號(hào)信息和時(shí)間進(jìn)行測(cè)距，與此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)掃描同步進(jìn)行。通過(guò)測(cè)量所發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的方位角可有效確定目標(biāo)方位，這些位置信息可直接通過(guò)雷達(dá)屏幕以光點(diǎn)的形式呈現(xiàn)給管制員[3]。

結(jié)合目前使用情況來(lái)分析，管制員在對(duì)區(qū)域飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)視時(shí)主要應(yīng)用的是一次監(jiān)視雷達(dá)。在其輔助下，空域監(jiān)視能力得以提升，且這一監(jiān)視手段具有較高的精度，能進(jìn)一步提高空域利用率。但是在具體使用中，一次雷達(dá)依然存在弊端，特別是在目標(biāo)身份、信息監(jiān)視方面，未能進(jìn)行有效識(shí)別，且造價(jià)成本較高。

1.1.4 二次監(jiān)視雷達(dá)

二次監(jiān)視雷達(dá)（Secondary Surveillance Radar，SSR）就是通過(guò)地面站詢問(wèn)空中目標(biāo)，應(yīng)答機(jī)接收相關(guān)信號(hào)會(huì)及時(shí)進(jìn)行應(yīng)答。通過(guò)深入了解，這種監(jiān)視手段是根據(jù)波束反射的主要方向、時(shí)間等掌握目標(biāo)位置信息。在進(jìn)行空中交通管制信息傳輸過(guò)程中，一般是使用標(biāo)牌形式顯示[4]。

A/C模式航管二次雷達(dá)在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題包括異步干擾、傳輸數(shù)量有限等，相關(guān)人員可通過(guò)引入S模式二次雷達(dá)予以解決。對(duì)于這種使用方式，主要是將二次雷達(dá)與S數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行結(jié)合，從而為空中相關(guān)工作予以重要支持，同時(shí)還可在高飛行密度中對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視。結(jié)合實(shí)際了解到每架飛機(jī)都會(huì)制定專門的24 bit地址碼，這樣便于地面進(jìn)行針對(duì)性的呼叫管理，進(jìn)而能夠有效避免所有飛機(jī)同時(shí)應(yīng)答，造成解碼錯(cuò)誤、信號(hào)疊加等問(wèn)題。在S模式數(shù)據(jù)鏈功能下，可互傳更多的信息。與一次雷達(dá)相比，二次雷達(dá)優(yōu)勢(shì)更為顯著，即發(fā)射功率小、干擾雜波小等。隨著數(shù)據(jù)鏈的引入，使得地-空通信信息更為豐富[5]。

1.1.5 廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視

ADS-B在地-空通信數(shù)據(jù)鏈、空-空通信數(shù)據(jù)鏈中占據(jù)重要地位，在具體應(yīng)用中具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及傳遞信息豐富等特點(diǎn)。隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這種監(jiān)視技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多個(gè)國(guó)家的空管監(jiān)視中。ADS-B OUT主要是在衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的輔助下對(duì)飛機(jī)進(jìn)行精確定位，之后根據(jù)間隔向空中廣播自身信息，即具體位置、飛行速度等。通過(guò)ADS-B IN對(duì)其他飛行器廣播消息的接收，能夠有效了解和掌握周邊空域交通情況。

1.1.6 多點(diǎn)定位系統(tǒng)

通過(guò)深入了解，多點(diǎn)定位系統(tǒng)主要是利用地面多點(diǎn)定位對(duì)飛機(jī)機(jī)載應(yīng)答發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行接收，從而對(duì)飛機(jī)進(jìn)行精確定位。目標(biāo)能夠被多個(gè)地面臺(tái)站進(jìn)行檢測(cè)和解碼，之后將獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)逐漸傳送到中央處理器中[6]。中央處理器在接收到多個(gè)地面臺(tái)站的報(bào)告后會(huì)根據(jù)各個(gè)地面電臺(tái)信號(hào)接收的時(shí)間對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行計(jì)算，接著通過(guò)高刷新率完成對(duì)目標(biāo)定位跟蹤的任務(wù)，從而有效掌握飛機(jī)整個(gè)運(yùn)行軌跡。

從詢問(wèn)信號(hào)發(fā)射角度來(lái)分析，多點(diǎn)定位系統(tǒng)可分為兩種，一種是有源，一種是無(wú)源。其中，無(wú)源定位系統(tǒng)本身不會(huì)產(chǎn)生射頻信號(hào)，主要由接收站點(diǎn)組成，在使用中并不會(huì)對(duì)電磁環(huán)境產(chǎn)生干擾，但是其接收到的應(yīng)答信號(hào)并不具有規(guī)律，同時(shí)還不能進(jìn)行有效把控。對(duì)于有源定位系統(tǒng)，會(huì)有一個(gè)或多個(gè)發(fā)送設(shè)備，在具體使用中可自主發(fā)射出詢問(wèn)脈沖和應(yīng)答脈沖。這種有源定位系統(tǒng)會(huì)給電磁環(huán)境造成一定的干擾，因而有源多點(diǎn)定位系統(tǒng)需要在最大程度上降低A/C模式的詢問(wèn)頻率，以此減少對(duì)目標(biāo)應(yīng)答機(jī)的影響[7]。

1.2 信息服務(wù)

1.2.1 飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)

飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）是通過(guò)地面站以短信息傳輸?shù)姆绞脚c飛機(jī)進(jìn)行聯(lián)系的系統(tǒng)，主要由機(jī)載設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)提供商和地面處理系統(tǒng)組成。其工作原理就是借助相關(guān)設(shè)備收集傳感器接收到的數(shù)據(jù)，處理后利用系統(tǒng)對(duì)地面進(jìn)行傳輸。完成后，地面站通過(guò)信息中心將收集到的數(shù)據(jù)鏈報(bào)文傳送給相關(guān)部門。同樣，上行數(shù)據(jù)鏈報(bào)文可從地面進(jìn)行發(fā)送，經(jīng)過(guò)相關(guān)設(shè)備接收處理可供機(jī)組使用。對(duì)于這種報(bào)文收發(fā)，并不需要飛行員動(dòng)手操作[8]。

1.2.2 交通預(yù)警和防撞系統(tǒng)

交通預(yù)警和防撞系統(tǒng)（Traffic Alert and Collision Avoidance System，TCAS）在使用時(shí)主要對(duì)空域中運(yùn)行的飛機(jī)、位置等情況進(jìn)行監(jiān)視，從而幫助飛行員對(duì)鄰近本機(jī)空域的情況進(jìn)行有效了解和掌握，之后采用合適的回避措施。通過(guò)了解，這種系統(tǒng)主要是由應(yīng)答機(jī)、詢問(wèn)機(jī)等構(gòu)成，為了降低無(wú)線電干擾所帶來(lái)的影響，通常會(huì)適當(dāng)限制發(fā)射功率。

2 空管監(jiān)視系統(tǒng)面臨的主要安全問(wèn)題

2.1 信息竊取

信息竊取問(wèn)題十分常見(jiàn)，一般是通過(guò)蓄意監(jiān)聽(tīng)飛機(jī)信息，得到關(guān)于飛機(jī)的相關(guān)信息，如飛機(jī)識(shí)別代碼、身份信息等。對(duì)參與特殊性任務(wù)的飛機(jī)而言，信息暴露十分危險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)空管監(jiān)視系統(tǒng)的使用，可讓管制人員嚴(yán)格按照相關(guān)流程做好飛機(jī)位置的監(jiān)視工作[9]。而對(duì)于不法分子，則可利用簡(jiǎn)單的接收設(shè)備、天線等獲取飛機(jī)信息，這極大地增加了飛機(jī)的飛行風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 阻 塞

在破壞空管監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行中，無(wú)線電信號(hào)干擾是常用的一種手段。在特定工作頻率中，一臺(tái)具有高功率的無(wú)線電線信號(hào)發(fā)射阻塞干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)空中交通管制信號(hào)的接收產(chǎn)生干擾影響。阻塞干擾源可能會(huì)是本機(jī)中的雷達(dá)設(shè)備、商業(yè)廣播電臺(tái)發(fā)射塔等，也可能是不法分子所設(shè)置的，各個(gè)國(guó)家針對(duì)這種情況都專門出臺(tái)了相關(guān)法律法規(guī)。

2.3 消息注入

結(jié)合實(shí)際，空管監(jiān)視系統(tǒng)采用的通信技術(shù)主要是通過(guò)無(wú)線鏈路、無(wú)加密方式進(jìn)行傳輸。在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層中缺少加密和身份驗(yàn)證措施。通過(guò)計(jì)算機(jī)可對(duì)特定格式的虛假信號(hào)進(jìn)行模擬，之后使用天線加簡(jiǎn)單的接收發(fā)射設(shè)備，播放經(jīng)過(guò)偽造后的虛假目標(biāo)信號(hào)，從而對(duì)空中交通管制運(yùn)行產(chǎn)生影響。若管制員無(wú)法對(duì)信息真?zhèn)芜M(jìn)行有效辨別，則會(huì)對(duì)航空飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2.4 消息篡改

一般來(lái)說(shuō)，攻擊者會(huì)將所竊聽(tīng)到的信息進(jìn)行一定的修改，如航班信息，之后將其向飛機(jī)或管制員進(jìn)行發(fā)送。若接收端未有效辨別信息真?zhèn)?，則勢(shì)必會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。另外，攻擊方還可通過(guò)信息注入和消息刪除方式完成虛假信息的傳遞[10]。

3 結(jié) 論

空管監(jiān)視系統(tǒng)在應(yīng)用中的安全性問(wèn)題需要特別注意，一般主要是采用信息注入、信息刪除等方式進(jìn)行虛假信息的傳遞。為切實(shí)保護(hù)空管監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，有關(guān)防干擾技術(shù)的研究則會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。