摘  要： 针对ADS-B技术存在的抗干扰能力低、容易受到干扰和欺骗的问题，在分析传统的ADS-B信息校验技术的基础上，提出了一种利用无线电测向技术实现ADS-B信息校验的新方法。该方法可以实现ADS-B虚假目标的有效识别。
关键词： ADS-B；测向天线；信息校验

    ADS-B[1]技术是ICAO（国际民航组织）推荐使用的集卫星导航、数据通信和航空监视应用于一体的新一代交通运输系统的先进技术。ADS-B技术将卫星导航、通信链路、机载设备（IN，OUT）以及地面设备（IN，OUT）等先进技术相结合，提供了更加安全、高效的空中交通监视手段，能有效提高地面管制人员和空中飞行人员的运行态势感知能力，扩大航空监视的有效覆盖范围，提高空中交通安全水平、空域容量与运行效率[2]。
    ADS-B系统作为民航ATM系统一个新兴的监视技术，其具有非独立和被动监视的特点，这使得装备ADS-B机载发射设备的航空器并不一定会提供有保障的、连续的飞机状态和意图信息，在ADS-B 系统运行期间，报文丢失、传输误码、主动的电子欺骗以及被动的其他信号干扰都将降低ADS-B数据的完整性[3]，使得整个系统的安全等级大大降低，为飞行人员的自主飞行和管制人员的有效监控造成重大的误导，带来了一定的安全隐患。
    当前，信息化技术已在民航各项业务中发挥着举足轻重的作用，ADS-B的信息校验方法关系到ADS-B的信息安全，已成为全球民航业界专业人士共同思考和面对的课题。解决该类问题，确保ADS-B的信息安全，关键在于对ADS-B报文进行信息校验，确认ADS-B数据报文的完整性，对ADS-B报文信息进行查错与纠错，识别ADS-B有效信息，对于错误信息进行过滤，防止受到人为欺骗。
1 传统校验方法
    当前常用到的对ADS-B信息进行校验的方法主要有两类：独立校验和非独立校验[4]。其具体实现方法为：NIC导航数据完好性判断、Kalman滤波器跟踪预测和多传感的数据融合对比。
1.1 NIC导航数据完好性判断
    RTCA DO-260/EUROCAE ED-102中规定，在较低版本(Version 0)中的ADS-B在状态矢量报告报文信息里用NUC(Navigation Uncertainty Category)来描述ADS-B的信息可靠性，但是当升级到较高版本(Version 2)，在RTCA DO-260B/EUROCAE ED-129中，ADS-B报文在状态矢量字段中包含了NIC(Navigation Integrity Category)[5-6]，NIC值用于判断ADS-B报文报告的地理位置信息是否可用于监视应用，可以通过该数值来判断报文的完好性。
1.2 Kalman滤波器跟踪预测
    利用自适应的Kalman Filters 算法对接收到的ADS-B信号的噪声进行滤波[7-8]，识别、抑制错误数据，平滑、补充丢失数据，并提供当前最优状态的估计值，预测目标飞机在下一时刻的位置。当接收到的实际位置和预测的位置接近时，判定数据达到完好性要求，该目标为真目标；反之，当实际位置和预测的位置相差大于某个门限时，则认为该目标为假目标，丢弃该数据[9]。该方法在航迹预推中应用较广。
1.3 多传感器的数据融合对比
    在同一时间，针对同一目标使用雷达和ADS-B两种监视技术，对各系统接收到的信息进行数据融合[10]，提供最小位置误差的系统航迹，对ADS-B信息进行对比验证，确定目标的真伪和可靠性。
    针对虚假目标模拟静态目标、线性运动目标以及预设航迹单、多目标，并通过便携式发射器进行发射，完成了模拟信息对外广播的欺骗方法，在ADS-B信息接收端，按照上面提到的传统的ADS-B信息校验方法，对数据进行处理，基本上都能辨别信息的真伪。
    但是，当来自虚假目标的模拟的ADS-B数据完全按照标准ADS-B报文格式进行编码和处理时，从报文传输和编码的角度分析，由于ADS-B系统采用了公开的频率，其调试方式、数据格式和通信方式也都有相应的技术文档对其进行了详细的说明，并且所有的ADS-B报文必须遵照这一技术文档进行编码和传输，因此，有特殊意图的用户完全可以在地面或是在空中模拟空中飞行的飞机定时广播的信息报文，以及地面基站询问、其他飞机询问、应答的数据，因而对其他飞机和地面基站而言，这个模拟的飞机与其他飞机相比可能没有明显的区别。针对此类类型的电子欺骗，在采用传统的校验方法时，就不能有效地辨别信息的真伪。
2 测向天线校验
    对于完全符合技术要求的ADS-B欺骗信息报文，可以利用无线电信号的传输特性，从无线电信号的角度分析，如果只是在地面固定地点模拟ADS-B信号，则在信号强度和方向性等方面与实际的ADS-B信号应该有差别，如果在地面上设置有方向性的无线电测向天线，则很容易跟踪并发现该信号的无线电波束。此时，可以利用电磁波传播特性，采用无线电测向设备测定无线电波来验证信息的真伪。
    本文所研究的信息校验方法是采用测向天线方式对信息源发出的无线电波信号进行方位验证[11]，确保信号源方位与信息内容预测方位的一致性，防止虚假目标模拟正常的ADS-B信号来对接收方进行欺骗。
2.1 测向天线校验ADS-B信息原理
    ADS-B信息的经度、纬度、高度等位置信息都包含在ADS-B的报文中，因此ADS-B的发射设备在向外广播ADS-B报文信息时，被接收站接收后可以计算出该目标在下一时刻的预测位置，如果实测信息源方位和来自信息的预测方位能够有效匹配，即通过ADS-B地面站设备收到的ADS-B信息和通过测向天线侦测到的无线电信号源的位置是一致的，则可以判断该ADS-B信息是可靠的；反之，则不然。
2.2 测向天线校验ADS-B信息流程
    图1为使用测向天线对目标进行限定范围搜索的流程。

    对图1中的流程分析如下：
    (1)测向天线系统通过本地测向天线系统自带的GPS设备获取测向天线系统在K时刻的精确GPS坐标，记为经度λ0、纬度φ0，高度h0，并将该GPS坐标作为本地方位换算的一个初始点。
    (2)系统控制器通过读取ADS-B接收机接收的目标航空器的ADS-B报文，对报文进行解析，获取目标航空器在K时刻自身发送出来的GPS坐标位置，并利用Kalman滤波预推计算出K+1时刻的目标航空器的GPS坐标预测值，记为经度λ、纬度φ、高度h。
    (3)利用(1)和(2)中的GPS坐标，根据式(1)可以计算出在K+1时刻目标位置与测向天线之间的方位角理论值β，根据式(2)计算出K+1时刻目标位置与测向天线之间的距离rh，等效地球半径为R，目标投影点的球心角为γ。

    (4)在K+1时刻，系统计算出K+1时刻的方位角β，通过天线控制的伺服系统，驱动天线调到方位角β，这时应接收到有效的ADS-B 信息，同时还可以计算出目标航空器与测向天线之间的距离为rh。
    (5)在测向天线预测目标的方位后，通过与测向天线系统连接的ADS-B接收设备对接收到的无线电信号进行解析，如果此时能够解析出正确的且与独立的ADS-B设备解析出来的ADS-B信息一致，则表明测向天线系统接收到的信号是真实飞行目标发送的，因此没有欺骗性的虚假模拟信号；否则，如果测向天线所连接的接收设备没有接收到ADS-B信息或者是接收到的ADS-B信息与独立接收设备接收到的信息不一致，则该信息为虚假的模拟目标。
    上述验证方式是通过先接收信息，再根据预计目标方位与实际接收到的目标位置进行对比；同样，可以通过测向天线有目的地搜索ADS-B信息，通过本地接收机解析后，获取信号源方位信息，再送到独立的ADS-B接收机进行对比验证，也可以得出信号源是否是同一目标。
    为了将测向天线系统快速而准确地指向预计目标的方位，需要利用解析的ADS-B信息中的目标高度、经纬度、速度等参数，采用较好的航迹预计算法，对目标的下一次发送信息的位置进行提前预计。通过测向天线伺服系统跟踪预计飞行器目标位置，对比ADS-B接收机是否接收到与上一次相关联的目标信息，便可以跟踪测量预计的飞行器，并根据结果判断目标的真伪。
    本文提出的基于无线电测向技术的ADS-B信息校验技术, 对比传统的ADS-B信息校验方法，该校验方法对于严格按照ADS-B报文格式编写的伪ADS-B报文信息，可以实现有效识别。该研究成果可以为中国民航在下一阶段对ADS-B技术的全面应用中，进行进一步的验证和校验方法的优化，可有效地检测ADS-B信息的合法性，实时地阻止ADS-B虚假目标的欺骗事件的发生，提高航空安全的保障性。
参考文献
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