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  • ISSN 1006-3080
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一种基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法

    作者简介: 马晓东(1993—),男,山东聊城人,硕士生,研究方向为大规模阵列信号处理。E-mail:1753903609@qq.com;
    通讯作者: 凌小峰, xfling@ecust.edu.cn
  • 中图分类号: V243.5

Distributed ADS-B Passive Positioning Anti-Spoofing Method Based on Opportunity Reference Source

    Corresponding author: Xiaofeng LING, xfling@ecust.edu.cn
  • CLC number: V243.5

  • 摘要: 广播式自动相关监视(ADS-B)系统面临着日益严峻的人为恶意虚假欺骗问题,多基站时差定位校验法是识别和定位欺骗源的有效方法。针对现有的多基站时差定位校验法存在站间同步成本高、易受全球导航卫星系统(GNSS)区域干扰影响等问题,提出了一种基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法。该方法通过动态选取可信ADS-B目标作为机会参考源来实现多站同步,有效地克服了传统的多基站时差定位校验法站间同步成本高、难以适应GNSS局部干扰场景的问题。仿真实验结果表明,在大量ADS-B真实源和欺骗源共存的情况下,本文方法不仅能够准确识别出虚假ADS-B报文,而且可以通过优选ADS-B机会参考源实现精确的站间同步,进而实现对发出虚假报文的欺骗源的准确定位。
  • 图 FIG. 218.  FIG. 218.

    Figure FIG. 218..  FIG. 218.

    图 1  基站时差定位校验系统空间结构图

    Figure 1.  Spatial structure diagram of multi station passive TDOA location ADS-B anti-spoofing method

    图 2  基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法实现流程图

    Figure 2.  Flow chart of distributed ADS-B passive positioning anti-spoofing method based on opportunity reference source

    图 3  基于不同方向机会参考源的站间同步精度

    Figure 3.  Time synchronization precision based on differentdirections of opportunistic reference sources

    图 4  基于不同距离机会参考源的站间同步精度

    Figure 4.  Time synchronization precision based on differentdistances of opportunistic reference sources

    图 5  仿真源空间分布图

    Figure 5.  Spatial distribution of simulation signal

    图 6  各机会参考源的时间同步误差

    Figure 6.  Time synchronization error of opportunity reference sources

    图 7  存疑组重定位结果空间分布图

    Figure 7.  Doubtful group relocation result spatial distribution diagram

    图 8  多机会参考源与GNSS的时钟同步误差

    Figure 8.  Time synchronization error of multiple opportunityreference source and GNSS

    图 9  多机会参考源与GNSS的定位误差

    Figure 9.  Positioning error of multiple opportunity reference source and GNSS

    表 1  存疑组重定位结果

    Table 1.  Relocation results of doubtful group

    Doubtful group message position/kmRelocation result/kmΔl/km
    (53,64,10)(74.021,15.899,0.365)0.433
    (90,90,10)(74.018,15.968,0.305)0.355
    (−100,−90,10)(−37.969,−44.031,0.271)0.275
    (−40,−80,10)(−37.999,−44.002,0.264)0.264
    (25,−12,10)(25.039,−11.894,9.989)0.113
    (−73,−60,10)(−72.975,−59.832,10.004)0.169
    (−98,−33,10)(−97.979,−33.245,10.029)0.248
    (−56,−40,10)(−55.898,−39.999,9.999)0.102
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-15
  • 网络出版日期:  2019-07-23
  • 刊出日期:  2020-02-01

一种基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法

    作者简介:马晓东(1993—),男,山东聊城人,硕士生,研究方向为大规模阵列信号处理。E-mail:1753903609@qq.com
    通讯作者: 凌小峰, xfling@ecust.edu.cn
  • 华东理工大学信息科学与工程学院,上海 200237

摘要: 广播式自动相关监视(ADS-B)系统面临着日益严峻的人为恶意虚假欺骗问题,多基站时差定位校验法是识别和定位欺骗源的有效方法。针对现有的多基站时差定位校验法存在站间同步成本高、易受全球导航卫星系统(GNSS)区域干扰影响等问题,提出了一种基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法。该方法通过动态选取可信ADS-B目标作为机会参考源来实现多站同步,有效地克服了传统的多基站时差定位校验法站间同步成本高、难以适应GNSS局部干扰场景的问题。仿真实验结果表明,在大量ADS-B真实源和欺骗源共存的情况下,本文方法不仅能够准确识别出虚假ADS-B报文,而且可以通过优选ADS-B机会参考源实现精确的站间同步,进而实现对发出虚假报文的欺骗源的准确定位。

English Abstract

  • 广播式自动相关监视(ADS-B)是一种新型空中监视技术,采用开放式的数据协议,具有监视精度高、数据更新速率快、信息完整性强以及终端成本低、便于维护等特点,在世界各国航空运输系统,特别是空中交通管制中得到了广泛应用[1]。然而该技术也存在着很大的安全隐患,主要表现在两个方面:一是ADS-B系统采用公开的数据协议在不加密的信道传输,非常容易受到虚假ADS-B基站的恶意欺骗干扰;二是ADS-B系统高度依赖全球导航卫星系统(GNSS)进行飞行器位置感知,比较容易受到区域GNSS干扰和欺骗从而引发错误的飞行器位置播报[2-4]

    为了解决ADS-B系统防欺骗的问题,目前采用的方法主要有雷达数据校验法[5]、多基站时差定位校验法[6-7]和多阵列天线校验法[8-9],但这些方法都存在系统复杂、成本高的问题。随着GNSS授时精度的提高,有些方法采用了成本较低的基于GNSS授时的多基站时差定位设备,但这类设备严重依赖GNSS系统,无法适用GNSS局部干扰的场景。崔鹏泉等[10]提出使用确知飞机作为参考源进行高精度站间同步,以摆脱对GNSS站间同步的依赖,但其前提是作为参考源的飞机是已知真实的,故不适用于存在ADS-B欺骗源的场景,且其提出的高精度建立在民航飞机短时间往返飞过同一条航线的基础上,现实中难以实现。近年来国内外研究者还提出了一些其他方法,如Lee等[11]及Baek等[12]提出的基于密码学的方法,但此类方法需要改变现有的ADS-B协议,难以实施。另外,Sun等[13]提出了基于卡尔曼跟踪滤波的航迹校验法、吕宗平等[14]提出了基于GNSS完好性信息校验法、陈蕾等[15]提出了单站多普勒校验法,这些方法都具有成本和复杂度较低的特点,但都是基于数据或者信号波形域的校验,不具有位置和方位信息难以被欺骗的特点,仍然存在被类似“温水煮青蛙”[16]式的“逼真”目标欺骗的可能,而且也无法对欺骗源进行定位,不便于采取反制措施。

    本文针对ADS-B系统防欺骗技术存在的性能、成本和适应性方面的问题,提出了一种基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法。该方法建立在传统多基站时差定位校验法的基础上,具有可对欺骗源精确定位、防骗效果好、可靠性高的优点。同时通过引入基于相对位置吻合度的ADS-B源可信度分组和动态选择可信ADS-B目标源作为机会参考源的站间同步技术,仅借助于多个ADS-B接收基站自身接收ADS-B信号就可以同时实现虚假ADS-B报文的检测和欺骗源的定位功能,具有检测性能好、系统成本低且可实现欺骗源定位的特点。

    • 多基站时差定位校验法将ADS-B接收系统与广域无源定位系统(WAM)相结合,通过测量信号发射源发射ADS-B信号到达各基站的时间差(TDOA),从而对发出ADS-B信号的发射源进行时差无源定位,进而确定发射源的真实空间位置,此位置仅与发射源发射信号到达各测量基站的时间差有关,因此难以假冒。其空间结构如图1所示。

      图  1  基站时差定位校验系统空间结构图

      Figure 1.  Spatial structure diagram of multi station passive TDOA location ADS-B anti-spoofing method

      设待测目标位置为$(x,y,z)$,测量主基站的位置为$({x_0},{y_0},{z_0})$,其余各副基站的位置分别为$({x_i},{y_i},{z_i})$${r_0}$${r_i}(i=1,2,3, \cdots )$分别为待测目标到主基站及各副基站的距离;$\Delta {t_i}$为待测目标发出的信号到达各副基站与主基站的时间差,则可由式(1)对待测目标进行时差无源定位:

      其中c为光速。由式(1)可知,对待测目标进行三维定位至少需要4个及以上的基站,且如何获得准确的TDOA值为本文方法的关键。

      根据时差无源定位的误差传递理论,无源定位系统的定位精度由几何精度因子(GDOP)表示为[17]

      其中:${\rm{d}}(\hat X)$为定位误差;${{{P}}_{{\rm{d}}(\hat X)}}$为定位误差的协方差矩阵;${\rm{trace}}({{{P}}_{{\rm{d}}(\hat X)}})$为相应协方差矩阵的迹。

      考虑到站址误差可控制在厘米级范围内,故忽略站址误差可得

      其中:${\rm{d}}({ R}) = {[{\rm d}(\Delta {r_1}),{\rm d}(\Delta {r_2}),\cdots,{\rm d}(\Delta {r_{\rm{i}}})]^{\rm T}}$C为待测目标与基站位置相关的系数矩阵:

      其中:${c_{ix}} = \dfrac{{x - {x_i}}}{{{r_i}}},\;{c_{iy}} = \dfrac{{y - {y_i}}}{{{r_i}}},\;{c_{iz}} = \dfrac{{z - {z_i}}}{{{r_i}}} $

      ${{B}} = {({{{C}}^{\rm{T}}}{{C}})^{ - 1}}{{{C}}^{\rm{T}}}$,则定位误差的协方差矩阵为

      其中:矩阵B由定位基站与待测目标的空间位置决定;矩阵${\rm{d}}({ R})$由信号到达各定位基站的时间差决定。从理论上讲,在待测目标位置不变的情况下,参与定位的基站数量越多,站距越大,测时误差越小,则待测目标的GDOP值越小,定位精度越高。由此可见,如何在基站数目增多、站间距离增大且存在ADS-B欺骗源及GNSS区域干扰的复杂环境下准确同步各基站的时钟是多基站时差定位校验法的关键。

    • 本文提出的基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法借助地理上分布式部署的多个独立ADS-B测量基站收集ADS-B报文和相应的本地到达时间(TOA)信息即可实现对欺骗ADS-B报文的准确识别和欺骗源的准确定位。具体实现过程如图2所示。

      图  2  基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法实现流程图

      Figure 2.  Flow chart of distributed ADS-B passive positioning anti-spoofing method based on opportunity reference source

      首先对ADS-B航迹进行处理与初筛,筛除一些航班信息、位置和飞行速度信息存在明显错误的ADS-B报文,降低虚假ADS-B报文的数据流量;而后对剩余的ADS-B目标进行基于相对位置吻合度的ADS-B目标可信度分组,并从区分出的可信组(Trusted group)中优选机会参考源,进行基于机会参考源的多站同步,并对存疑组(Doubtful group)中的所有元素进行时差无源定位;最后以无源定位结果为基础,将与无源定位结果差距较大的存疑组元素判别为虚假ADS-B报文,并上报其对应的欺骗源位置信息。

    • 相对位置吻合度验证方法基于对任意两个辐射源的观测,同组内的两个信号源所发射ADS-B报文信号到达两个不同测量基站的TDOA之差,当信号源为非欺骗源时,应与利用二者ADS-B报文解析出的GNSS定位坐标、所计算的TDOA之差吻合,即两者的误差在一定门限范围内。通过计算TDOA之差,消除了两个测量基站相对于标准时钟的误差。

      设一组中两个报文信息的编号分别为0和1;测量主基站为A,副基站分别为B,C,D,…;${{\rm{TOA}}_{{\rm{A}}0}}$${{\rm{TOA}}_{{\rm{A}}1}}$分别为报文0、1到达主基站A的时间;${{\rm{TOA}}_{X0}}$${{\rm{TOA}}_{X1}}$ (X为B,C,D,…)分别为报文0、1到达各副基站的时间;${r_{{\rm{A}}0}}$${r_{{\rm{A}}1}}$分别为由报文0、1解算出的位置信息计算出的信号源到达主站A的距离;${r_{X0}}$${r_{X1}}$ (X为B,C,D,…)分别为由报文0、1解算出的位置计算出的ADS-B源到达各副基站的距离,则相对位置吻合度验证可通过不等式组(5)进行。

      其中:${T_{rX{\rm A}}} = [({r_{X1}} - {r_{{\rm{A}}1}}) - ({r_{X0}} - {r_{{\rm{A}}0}})]/c$${T_{tX{\rm A}}} = ({{\rm{TOA}}_{X1}} -$${\rm{TOA}}_{{\rm A}1})- ({{\rm{TOA}}_{X0}} - {{\rm{TOA}}_{{\rm{A}}0}})$;TH为距离误差门限。只有满足该不等式的目标才被认为相对位置吻合,可被划入可信组。

    • ADS-B目标可信度分组是利用各接收站点一定时间段内收到的ADS-B源(含真实源和欺骗源)的报文内位置信息和相应的本地TOA信息,通过计算ADS-B源之间的相对位置吻合度将ADS-B源进行分组。目标相对位置吻合度高且航迹稳定的划分进入可信组,其余的归入存疑组,并在可信组中挑选可信的ADS-B目标源作为机会参考源。具体步骤如下:

      (1)每隔一段时间(如10 s)截取监视空域中所接收到的ADS-B报文位置及其到达各测量站的到达时间(TOA)信息,并对这些报文信息进行随机两两分组。

      (2)对第1个分组进行相对位置吻合度验证。

      (3)按顺序对步骤(1)的分组逐个进行相对位置吻合度验证,直到找到第1个可信组。

      (4)以第1个可信组的2个组员为参考,迅速遍历所有ADS-B源,得到包含M个元素的初始可信组。

      (5)对初始可信组集合中的所有元素进行两两相对吻合度验证,找出符合所有元素间两两相对位置均吻合的最大子集,并将该子集确定为可信组,其余元素被划入存疑组;进一步在可信组中挑选较优的ADS-B目标源作为机会参考源。

    • 使用2.2节选取的机会参考源,参考源坐标${C_i}({x_i},{y_i},{z_i})$可直接由ADS-B报文得到,其在${t_i}$时刻发送ADS-B报文,各基站坐标分别为$({x_X},{y_X},{z_X})$X为A,B,C,D,…),各基站时钟与标准时钟的偏差为$\Delta {t_X}$,则机会参考源${C_i}$发出的ADS-B报文到达各基站的时间测量值可表示为

      对基于信号到达时间差的分布式多站定位系统来说只需要将系统时间同步到同一个基准即可,选择统一同步到主基站A,各副基站与主基站的时间基准之差为

      使用该时间基准之差修正各副基站的TOA测量值,即可使其他各基站在该时间点上的TOA值统一同步到主基站。

      在实现多站同步的前提下,可直接利用各站测量的到达时间差来对目标进行定位,4个或者以上的接收站即可实现对ADS-B源的三维时差无源定位。

    • 机会参考源的优选是每隔一段时间重新选取对于多站点同步较为有利的机会参考源,机会参考源的选取范围是2.2节划定的可信组,从中挑选一个或多个空间方位利于多站点同步且TOA测量精度较高的真实ADS-B源。如果规定的时间段内无法获得较为优良的可信组样本,则仍可继续使用前一时段的机会参考源,但是应当考虑各站点内部时钟频率不稳定因素引起的额外时钟同步误差。具体的机会参考源优化选取方法需要重点考虑其方位及与测量基站的距离对站间同步的影响。

    • 考虑四站定位、“Y”形布站、站间距离为16 km的场景。在距离主基站A 50 km处,以主基站A与基站B基线正北方为起点,顺时针方向为正方向,每隔30°分布一个机会参考源,机会参考源高度为10 km。又设ADS-B定位水平误差为100 m,高度误差为7.5 m。各基站TOA测量误差为10 ns,本地时钟频率稳定度为10−9 Hz。为了简洁起见,在此仅列出主基站A及副基站B的同步误差情况。在1 000次蒙特卡洛仿真条件下,主基站A与及副基站B的同步误差如图3所示。

      图  3  基于不同方向机会参考源的站间同步精度

      Figure 3.  Time synchronization precision based on differentdirections of opportunistic reference sources

      图3可知,位于两基站基线方向上的机会参考源具有较高的同步精度,因此机会参考源在空间方向上应选择在两基站基线附近。

    • 保持参考源所在空间方向不变,在主基站A与副基站B基线方向上,以主基站A为原点,每隔10 km分布一个机会参考源。在1 000次蒙特卡洛仿真条件下,主基站A与副基站B的同步误差如图4所示。

      图  4  基于不同距离机会参考源的站间同步精度

      Figure 4.  Time synchronization precision based on differentdistances of opportunistic reference sources

      图4可知,在机会参考源空间方向确定的情况下,机会参考源距离主站越远,站间同步误差越小。考虑到基站TOA测量误差会随接收信号功率的衰减及信噪比的上升而增大,即观测站TOA测量误差与机会参考源和基站的距离成正比,故应在基站TOA测量误差恶化程度不大的范围内选取距主基站最远的机会参考源。

      综合以上分析可知,机会参考源的选取应在空间方向上靠近监测站基线;在与测量基站的距离上要综合考虑基站的TOA测量误差,在基站TOA测量误差允许的范围内尽量远离主基站。进一步还可以根据不同接收基站选定不同机会参考源从而获得更高的站间同步精度。此外,ADS-B系统从定位测量到信号发射的延时误差及此时飞机的飞行状态也会对同步产生一定影响,在机会参考源选取时还应避免选择导航完整性等级较差或处于较大机动状态的目标。

    • 仿真实验基于四站定位,“Y”形布站,站间距离为16 km。利用Matlab随机产生两个欺骗源,坐标分别为(74,16,0)及(−38,−44,0),再针对每个欺骗源随机产生2条虚假ADS-B报文。此外随机产生不同的真实飞机所发ADS-B报文若干。虚假ADS-B报文、欺骗源、真实ADS-B报文及基站的空间分布如图5所示。在国际民航组织针对ADS-B系统提出的最低性能标准《DO-2608》的附件U中,明确阐述了ADS-B系统从定位测量到信号发射,在具有补偿机制的情况下系统延时误差范围为−200~400 ms[18],故设民航飞机平飞速度为250 m/s,方向随机产生,其ADS-B信号发射的延时误差为0.4 s。ADS-B报文水平定位误差为100 m,高度误差为7.5 m。接收站TOA测量误差为10 ns,各基站本地时钟频率稳定度为10−9 Hz。

      图  5  仿真源空间分布图

      Figure 5.  Spatial distribution of simulation signal

    • 将3.1节生成的虚假ADS-B报文与真实ADS-B报文混合后随机两两分组,并依据2.2节方法获得所有元素间两两满足相对位置吻合的最大子集作为可信组,其余报文归于存疑组(本仿真取TH=120 ns)。在筛选出的可信组中,依据2.3节机会参考源优化选取方法,选择位于主基站A及副基站B基线附近且距离主基站A有一定距离的机会参考源1(3,−90,10)以同步主基站A与副基站B;同理选择机会参考源2(87,50,10)同步主基站A与副基站C;选择机会参考源3(−86,47,10)同步主基站A与副基站D。进行1 000次蒙特卡洛实验得到各机会参考源的时钟同步误差如图6所示。

      图  6  各机会参考源的时间同步误差

      Figure 6.  Time synchronization error of opportunity reference sources

      图6可以看出,利用多个空间方位有利于同步的机会参考源分别同步不同基站,与仅利用单一机会参考源相比,可显著提高所有基站间的时钟同步精度。

    • 利用多机会参考源进行站间同步后,重新计算存疑组所有元素的TDOA值,并重新定位,并以$\Delta l = \sqrt {\Delta {x^2} + \Delta {y^2} + \Delta {z^2}} $($\Delta x$$\Delta y$$\Delta z$分别表示各元素在xyz方向上的定位误差)表示各元素的重定位误差,其结果如表1所示。存疑组重定位结果空间分布如图7所示。

      Doubtful group message position/kmRelocation result/kmΔl/km
      (53,64,10)(74.021,15.899,0.365)0.433
      (90,90,10)(74.018,15.968,0.305)0.355
      (−100,−90,10)(−37.969,−44.031,0.271)0.275
      (−40,−80,10)(−37.999,−44.002,0.264)0.264
      (25,−12,10)(25.039,−11.894,9.989)0.113
      (−73,−60,10)(−72.975,−59.832,10.004)0.169
      (−98,−33,10)(−97.979,−33.245,10.029)0.248
      (−56,−40,10)(−55.898,−39.999,9.999)0.102

      表 1  存疑组重定位结果

      Table 1.  Relocation results of doubtful group

      图  7  存疑组重定位结果空间分布图

      Figure 7.  Doubtful group relocation result spatial distribution diagram

      表1图7可知,ADS-B报文位置为(53,64,10)及(90,90,10)的重定位结果为(74.021,15.899,0.365)及(74.018,15.968,0.305),显然二者为虚假ADS-B报文。ADS-B报文位置为(−40,−80,10)及(−100,−0,10)的重定位结果为(−37.969,−44.031,0.271)及(−37.999,−44.002,0.064),显然二者也为虚假ADS-B报文。存疑组中其余各点的报文位置与重定位位置差别不大,因此判定其为真实ADS-B报文。这与仿真当初的假设一致,至此仿真实验成功分辨出了所有虚假ADS-B报文并定位了其欺骗源位置。

    • 应用3.1~3.3节方法进行100次蒙特卡洛实验,每次实验的目标位置都随机产生,实验结果与基于GNSS站间同步的多基站时差定位校验法[7]进行对比。为方便性能对照,本文选用了与文献[7]同样的布站和目标位置,其中GNSS站间同步精度选取为典型应用精度20 ns(GNSS站间同步受到大气电离层散射等因素的干扰,实际应用精度很难超过20 ns,且野值较多[19])。

      图8图9分别示出了本文方法和文献[7]方法的站间同步和存疑组定位性能,实验结果表明,本文方法时钟同步误差RMS值为26.2 ns,存疑组定位精度RMS值为0.439 km,在不使用GNSS以避免GNSS区域干扰的前提下,取得了与GNSS站间同步法基本相当的时钟同步与定位精度。

      图  8  多机会参考源与GNSS的时钟同步误差

      Figure 8.  Time synchronization error of multiple opportunityreference source and GNSS

      图  9  多机会参考源与GNSS的定位误差

      Figure 9.  Positioning error of multiple opportunity reference source and GNSS

    • 本文针对现有ADS-B防欺骗方法的不足,结合多基站时差定位校验法的优点,提出了一种基于机会参考源的分布式ADS-B无源定位防欺骗方法。该方法通过动态选取可信ADS-B目标作为机会参考源实现多站同步,仅借助于多个ADS-B接收机自身接收ADS-B信号就可以同时实现欺骗ADS-B报文的检测和欺骗源的定位功能,具有检测性能好、可抗GNSS区域干扰且可实现欺骗源定位的特点,具有很高的实际应用价值。

(10)  表(1) 参考文献 (19) 相关文章 (1)

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