基于机会参考源实现分布式ADS-B无源定位防欺骗功能的方法与流程

本发明涉及信息安全领域，尤其涉及航空器安全监控和信息安全交叉技术领域，具体是指一种基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法。

背景技术：

广播式自动相关监视(ads-b)是利用机载导航传感系统，获得飞行器的精确位置和速度等信息，并利用空地、空空数据链自动向外广播，以完成对飞机状态监控和信息传递的新型交通监视技术。ads-b系统采用开放式的数据协议，具有监视精度高、数据更新率快、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。然而该系统也存在着很大的安全隐患，主要表现在两个方面：一方面是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；另一方面是ads-b系统高度依赖gnss系统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。

为了解决ads-b系统防欺骗的问题，目前业界采用的方法主要有雷达数据校验法、多基站时差定位校验法和多阵列天线校验法，但是都存在系统复杂、成本高昂的瓶颈；随着gnss授时精度的提高，也有采用较低成本的基于gnss授时的多基站时差定位设备，但是该类设备本身也严重依赖gnss系统，无法适用gnss局部干扰的场景。此外，近年来国内外研究者也提出了一些其他方法，包括论文1(muellerk,krozelj.aircraftads-bintentverificationbasedonakalmantrackingfilter.aiaajournal,2013)提出的基于卡尔曼跟踪滤波的航迹校验法、中国专利(基于gnss完好性信息的ads-b自主式防欺骗方法，专利号cn201610231106.1)提出的基于gnss完好性信息校验法、以及论文2(陈蕾,吴仁彪,卢丹.利用多普勒效应的ads-b欺骗式干扰检测方法.信号处理,2018(6))提出的单站多普勒校验法；这些方法都具有成本和复杂度较低的特点，但是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“逼真”的目标欺骗的可能，而且也无法对干扰源进行定位，不便于采取反制和执法措施。

技术实现要素：

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足精确定位、防骗效果好、可靠性高的基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法。

为了实现上述目的，本发明的基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法如下：

该基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的ads-b系统进行航迹处理，并剔除干扰信息和筛选错误的报文；

(2)所述的ads-b系统进行相对位置吻合度验证，并将ads-b源划分为可信组和存疑组；

(3)从所述的可信组选取适合多站点同步及本地到达时间toa测量精度高的机会参考源；

(4)通过所述的机会参考源报文中的位置信息和各站点位置信息计算各站的本地到达时间toa同步修正值；

(5)通过到达时间差对所述的ads-b目标源进行无源定位；

(6)检测欺骗ads-b源并上报。

较佳地，所述的步骤(1)的干扰信息包括目标位置、运动信息和航班标识明显错误的虚假ads-b报文。

较佳地，所述的步骤(2)包括以下步骤：

(2.1)每隔一定时间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信息，并对这些报文信息进行随机两两分组；

(2.2)对第一个分组进行相对位置吻合度验证；

(2.3)按顺序对步骤(2.1)的分组逐个进行相对位置吻合度验证直至找出可信组；

(2.4)遍历ads-b源得出包含m元素的初始可信组；

(2.5)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，并确定为可信组，其余所有元素被划入存疑组。

较佳地，所述的步骤(2.2)中的进行相对位置吻合度验证，具体为：

根据以下公式进行相对位置吻合度验证：

其中，toaa0、toaa1分别为报文0、1到达主站a的到达时间，toax0、toax1(x＝b、c、d……)分别为报文0、1到达各分站的到达时间，ra0、ra1分别为由报文0、1计算出的信号源到达主站a的距离，rx0、rx1(x＝b、c、d……)分别为由报文0、1计算出的ads-b源到达各分站的距离，c为电磁波传输速度，b、c、d……为各分站，mtl为一个距离误差门限。

较佳地，所述的步骤(3)包括以下步骤：

(3.1)判断是否存在信噪大和报文给出的导航完整性等级最高的ads-b源，如果是，则选择所述的ads-b源作为机会参考源；否则，继续步骤(3.2)；

(3.2)沿用当前参考源。

较佳地，所述的步骤(4)包括以下步骤：

(4.1)通过所述的机会参考源计算机会参考源ci发出的ads-b报文到达各基站的到达时间测量值；

(4.2)计算各副基站与主基站的时间基准之差；

(4.3)通过所述的时间基准之差修正各副站的本地到达时间toa测量值。

较佳地，所述的步骤(4.1)中的计算机会参考源ci发出的ads-b报文到达各基站的到达时间测量值，具体为：

根据以下公式计算机会参考源ci发出的ads-b报文到达各基站的到达时间测量值：

其中，toaxi(x＝b、c、d……)为报文i到达各分站的到达时间，ti为发送ads-b报文的时刻，rxi(x＝b、c、d……)为由报文i计算出的ads-b源到达各分站的距离，δtx为与标准时钟的偏差，c为电磁波传输速度，a、b、c、d……为各分站。

较佳地，所述的步骤(4.2)中的计算各副基站与主基站的时间基准之差，具体为：

根据以下公式计算各副基站与主基站的时间基准之差：

其中，δta为主站时钟与标准时钟的偏差，δtx为副站时钟与标准时钟的偏差，c为电磁波传输速度，toax0、toax1(x＝b、c、d……)分别为报文0、1到达各分站的到达时间，rxi(x＝b、c、d……)为由报文i计算出的ads-b源到达各分站的距离，rai为由报文i计算出的信号源到达主站a的距离，b、c、d……为各分站。

较佳地，所述的步骤(5)包括以下步骤：

(5.1)通过本地到达时间toa同步修正值计算ads-b目标源到达各个站点间的到达时间差；

(5.2)通过多站时差定位的方式估计ads-b目标源的实际位置。

较佳地，所述的步骤(6)包括以下步骤：

(6.1)判断所述的ads-b目标源的定位结果与相应ads-b报文中的位置信息的误差是否在误差范围内，如果是，则判定为真实ads-b源；否则，判定为欺骗ads-b源；

(6.2)上报所述的欺骗源的数量、干扰方式和实际位置信息估计值。

采用了本发明的基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法，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目标源作为参考源的站间同步技术，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、系统成本低且可实现欺骗源定位的特点。相比于背景技术，具有如下具体优点：(1)本发明相比于现有的雷达数据校验法、多阵列天线校验法和采用非gnss体制授时同步的多基站时差定位校验法具有显著的成本优势，并且具有布署和维护方便的优点。(2)本发明相比于采用gnss体制授时同步的多基站时差定位校验法相比，在保持成本相当的前提下，可以有效缓解多基站同步对高精度gnss系统的严重依赖，能够更好地适用gnss局部干扰的场景。(3)本发明相比于近年来提出的其他基于数据或者信号波形域的校验方法，虽然成本上有一定程度的增加，但是在校验方法的可靠性上具有明显的优势，并且具有能够提供欺骗源的位置信息的优点，能够为进一步的反制和执法提供更有效的情报。

附图说明

图1为本发明的基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法的处理流程图。

图2为本发明的基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法的应用场景示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

该基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法，其中包括以下步骤：

(1)所述的ads-b系统进行航迹处理，并剔除干扰信息和筛选错误的报文；

(2)所述的ads-b系统进行相对位置吻合度验证，并将ads-b源划分为可信组和存疑组；

(3)从所述的可信组选取适合多站点同步及本地到达时间toa测量精度高的机会参考源；

(4)通过所述的机会参考源报文中的位置信息和各站点位置信息计算各站的本地到达时间toa同步修正值；

(5)通过到达时间差对所述的ads-b目标源进行无源定位；

(6)检测欺骗ads-b源并上报。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(1)的干扰信息包括目标位置、运动信息和航班标识明显错误的虚假ads-b报文。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)包括以下步骤：

(2.1)每隔一定时间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信息，并对这些报文信息进行随机两两分组；

(2.2)对第一个分组进行相对位置吻合度验证；

(2.3)按顺序对步骤(2.1)的分组逐个进行相对位置吻合度验证直至找出可信组；

(2.4)遍历ads-b源得出包含m元素的初始可信组；

(2.5)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，并确定为可信组，其余所有元素被划入存疑组。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2.2)中的进行相对位置吻合度验证，具体为：

根据以下公式进行相对位置吻合度验证：

其中，toaa0、toaa1分别为报文0、1到达主站a的到达时间，toax0、toax1(x＝b、c、d……)分别为报文0、1到达各分站的到达时间，ra0、ra1分别为由报文0、1计算出的信号源到达主站a的距离，rx0、rx1(x＝b、c、d……)分别为由报文0、1计算出的ads-b源到达各分站的距离，c为电磁波传输速度，b、c、d……为各分站，mtl为一个距离误差门限。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)包括以下步骤：

(3.1)判断是否存在信噪大和报文给出的导航完整性等级最高的ads-b源，如果是，则选择所述的ads-b源作为机会参考源；否则，继续步骤(3.2)；

(3.2)沿用当前参考源。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(4)包括以下步骤：

(4.1)通过所述的机会参考源计算机会参考源ci发出的ads-b报文到达各基站的到达时间测量值；

(4.2)计算各副基站与主基站的时间基准之差；

(4.3)通过所述的时间基准之差修正各副站的本地到达时间toa测量值。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(4.1)中的计算机会参考源ci发出的ads-b报文到达各基站的到达时间测量值，具体为：

根据以下公式计算机会参考源ci发出的ads-b报文到达各基站的到达时间测量值：

其中，toaxi(x＝b、c、d……)为报文i到达各分站的到达时间，ti为发送ads-b报文的时刻，rxi(x＝b、c、d……)为由报文i计算出的ads-b源到达各分站的距离，δtx为与标准时钟的偏差，c为电磁波传输速度，a、b、c、d……为各分站。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(4.2)中的计算各副基站与主基站的时间基准之差，具体为：

根据以下公式计算各副基站与主基站的时间基准之差：

其中，δta为主站时钟与标准时钟的偏差，δtx为副站时钟与标准时钟的偏差，c为电磁波传输速度，toax0、toax1(x＝b、c、d……)分别为报文0、1到达各分站的到达时间，rxi(x＝b、c、d……)为由报文i计算出的ads-b源到达各分站的距离，rai为由报文i计算出的信号源到达主站a的距离，b、c、d……为各分站。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(5)包括以下步骤：

(5.1)通过本地到达时间toa同步修正值计算ads-b目标源到达各个站点间的到达时间差；

(5.2)通过多站时差定位的方式估计ads-b目标源的实际位置。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(6)包括以下步骤：

(6.1)判断所述的ads-b目标源的定位结果与相应ads-b报文中的位置信息的误差是否在误差范围内，如果是，则判定为真实ads-b源；否则，判定为欺骗ads-b源；

(6.2)上报所述的欺骗源的数量、干扰方式和实际位置信息估计值。

本发明的具体实施方式中，本发明针对ads-b系统防欺骗技术存在的性能、成本和适应性方面的瓶颈问题，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；同时通过动态选取可信ads-b目标作为机会参考源来实现多站同步，避免了对昂贵的站间时钟分发网络或者脆弱的gnss系统的同步授时依赖，有效克服了传统多基站时差定位校验法成本高、或者难以适应gnss局部干扰场景的瓶颈问题。

本发明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接收站点收集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精确定位。具体实现方法由以下六个步骤组成：

(1)ads-b航迹处理与报文初筛；

(2)ads-b目标可信度分组；

(3)机会参考源优选；

(4)基于机会参考源的多站同步；

(5)ads-b目标无源定位；

(6)ads-b欺骗报文检测和欺骗源信息上报。

所述ads-b航迹处理与报文初筛，是采用传统报文合法性检测和航迹跟踪方法剔除部分伪装性不强的ads-b干扰，这些干扰包括目标位置、运动信息或航班标识明显错误的虚假ads-b报文，通过此步骤可以利用很小的运算成本有效降低虚假ads-b报文的数据流量。

所述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。该步骤属于本方法的关键步骤之一。

所述机会参考源优选，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上一步所划定的可信组，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。该步骤属于本方法的关键步骤之一。

所述基于机会参考源的多站同步，是使用上一步选取的机会参考源，利用机会参考源ads-b报文中的位置信息和各站点位置信息，计算出各站点之间接收来自参考源同一个ads-b报文的相对延时，然后以其中一个站点(可设为主站)的toa为基准，获得其他各站的toa同步修正值，使其他各站在该时间点上的toa值统一同步到主站。

所述ads-b目标无源定位，是在完成基于参考源的多站同步之后，利用多个站点接收到同一个ads-b目标源的toa同步修正值，计算出ads-b目标源到达各个站点间的到达时间差，并采用多站时差定位的方式估计ads-b目标源的实际位置。

所述ads-b欺骗报文检测和欺骗源信息上报，是对比上一步估计的各ads-b目标源(重点是存疑组中的ads-b目标源)的实际位置与相应ads-b报文中的位置信息，利用各ads-b目标源绝对位置信息的吻合度来检测欺骗报文，并上报欺骗源的数量、干扰方式以及实际位置信息估计值，以作为进一步干扰态势判断和实施反制和执法的依据。

在本发明的具体实施例如下：在本实施例中，给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的具体实现方案。该ads-b无源定位防欺骗方法针对的典型应用场景如图1所示，多个在空间上呈现分布式特征的接收站点用于接收到来自真实飞机和欺骗源发出的ads-b报文并测量报文达到时间，这些信息实时传送到数据处理机进行记录和处理，本发明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主要设计成应用软件运行在数据处理机上，效果是从收到的大量ads-b报文及其到达时间数据中识别出虚假的ads-b报文，并且对播放虚假报文的ads-b欺骗源进行精准定位。

该ads-b无源定位防欺骗方法的处理流程如图2所示，具体包括ads-b航迹处理与报文初筛、ads-b目标可信度分组、机会参考源优选、基于机会参考源的多站同步、ads-b目标无源定位、以及ads-b欺骗报文检测和欺骗源信息上报共六个步骤。

(1)ads-b航迹处理与报文初筛：根据ads-b报文内的航班号、飞机位置、运动状态以及由此处理得到的初步航迹等信息，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，并且直接归为欺骗源报文这一类。通过这一步可比较有效地筛除伪装性不强的ads-b干扰。

(2)ads-b目标可信度分组：对ads-b报文进行相对位置吻合度验证，并将ads-b源划分为可信组和存疑组，具体包含以下子步骤:

1)每隔一段时间(如10秒钟)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)对第一个分组进行相对位置吻合度验证，具体方法如下：设一组中两个报文信息的编号分别为0和1，测量主站为a站，副站分别为b,c,d......站，toaa0、toaa1分别为报文0、1到达主站a的到达时间，toax0、toax1(x＝b,c,d......)分别为报文0，1到达各分站的到达时间。ra0、ra1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，rx0、rx1(x＝b,c,d......)分别为由报文0，1解算出的位置计算出的ads-b源到达各分站的距离；则相对位置吻合度验证可可通过以下不等式组(1)来进行，其中c为电磁波传输速度，mtl是一个距离误差门限，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。

3)按顺序对第一步的分组逐个进行相对位置吻合度验证，直到照此方法找到第一个可信组。

4)以第一个可信组的2个组员为参考，迅速遍历所有ads-b源，得出包含m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，并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，其余所有元素被划入存疑组。

(3)机会参考源优选：从上一步确认的可信组中，选择信噪比较大(10db以上，此时能保证较好的toa测量精度)，且报文给出的导航完整性等级最高的ads-b源作为参考源；如果可信组中没有合适的ads-b源，则继续沿用当前参考源。

(4)基于机会参考源的多站同步：使用上一步选取的机会参考源，则参考源坐标ci(xi,yi,zi)可直接由ads-b报文得到,其在ti时刻发送ads-b报文，各基站坐标分别为(xx,yx,zx)(x＝a,b,c,d......)，与标准时钟的偏差为δtx,则机会参考源ci发出的ads-b报文到达各基站的到达时间测量值可表示为：

对基于信号到达时间差(tdoa)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站的toa测量值，即可使其他各站在该时间点上的toa值统一同步到主站。

(5)ads-b目标无源定位: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源的三维定位。

ads-b欺骗报文检测和欺骗源信息上报：对比上一步得到的各ads-b目标源的定位结果与相应ads-b报文中的位置信息，两者的差别在误差范围内的判定为真实ads-b源，差别超过误差范围的，判断为欺骗ads-b源，并将欺骗源的定位结果和移动状态相关信息上报。

采用了本发明的基于机会参考源实现分布式ads-b无源定位防欺骗功能的方法，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目标源作为参考源的站间同步技术，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、系统成本低且可实现欺骗源定位的特点。相比于背景技术，具有如下具体优点：(1)本发明相比于现有的雷达数据校验法、多阵列天线校验法和采用非gnss体制授时同步的多基站时差定位校验法具有显著的成本优势，并且具有布署和维护方便的优点。(2)本发明相比于采用gnss体制授时同步的多基站时差定位校验法相比，在保持成本相当的前提下，可以有效缓解多基站同步对高精度gnss系统的严重依赖，能够更好地适用gnss局部干扰的场景。(3)本发明相比于近年来提出的其他基于数据或者信号波形域的校验方法，虽然成本上有一定程度的增加，但是在校验方法的可靠性上具有明显的优势，并且具有能够提供欺骗源的位置信息的优点，能够为进一步的反制和执法提供更有效的情报。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。