CN109541564B - 基于均值滤波的ads-b地面站抗干扰性能检测方法 - Google Patents

基于均值滤波的ads-b地面站抗干扰性能检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于均值滤波的ADS‑B地面站抗干扰实验验证方法，包括以下步骤:步骤一、搭建抗干扰天线阵列；步骤二、建立无线信号传输模型；步骤三、ADS‑B发射机产生ADS‑B模拟欺骗信号；步骤四、8个定向天线接收ADS‑B模拟欺骗信号，解析并判断解析的信息与ADS‑B接收机理论解析出的ADS‑B信息偏差是否在设定的偏差范围内，若在设定的偏差范围内则进入下一步骤，否则产生告警信息；步骤五、采用无线信号传输模型计算接收到的信号强度RSSI值；步骤六、对收集到的RSSI值进行滤波处理；步骤七、比较定向天线所输入信号产生的RSSI值，以确定是否产生告警信息。本发明应用时便于判断ADS‑B地面站接收机是否能解析并识别出欺骗式干扰信号，进而能测试ADS‑B地面站接收机抗欺骗式干扰的能力。

Description

基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法
技术领域
本发明涉及航空监视技术，具体是基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法。
背景技术
ADS-B技术是国际民航组织主推的航空监视技术，也是我国民航现阶段正大力推进的四大航行新技术之一，ADS-B的成功实施标志着空域监视模式的转变，因为全球ATC正从独立的基于雷达的技术手段转变为基于卫星的监视技术手段。作为强制性推行的一项技术，全球绝大部分空域在接下来的几年，都将面临ADS-B该项新技术将为我们带来什么样的便利同时，也要积极应对ADS-B技术将给我们带来的新挑战。
ADS-B技术作为一种发展中的新型航空器监视技术，在安全性方面存在重大安全隐患：ADS-B信息可以被伪造、ADS-B信息可以被非法接收、有效ADS-B信息将受到非法干扰。这些安全隐患可导致地面空管***以及航空器上机载***受到错误数据的干扰，严重影响空管和飞行安全。伪造ADS-B信息，对ADS-B信息进行干扰，这些非法手段给飞行安全带来的严重安全隐患不容忽视，目前，国际上针对ADS-B抗干扰、防欺骗的研究也正在如火如荼地开展。
ADS-B地面站接收机主要功能是完成ADS-B信号的发射和接收，分成发射通道和接收通道两部分。发射通道包含基带接口、信号调制、功率放大、功率控制、功率检测、发射检波、驻波检测、天线存在检测等单元；接收通道包含低噪声放大、本振、混频、中放、解调、基带成形等单元。目前国内外厂商和用户对ADS-B地面站接收机都还在紧锣密鼓地进行着一系列研究，然而，对于ADS-B地面站接收机抗欺骗式干扰信号能力并没有提出相应的测试方案，这一定程度上影响了ADS-B技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法，其应用时便于判断ADS-B地面站接收机是否能解析并识别出欺骗式干扰信号，进而能测试ADS-B地面站接收机抗欺骗式干扰的能力。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现：基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建抗干扰天线阵列，所述抗干扰天线阵列包括8个工作频率为1090MHZ的抛物面型定向天线，8个所述的定向天线等间距分布于同一圆周上，按照间隔45°的夹角搭建环绕一周形成360°的天线阵列，每个定向天线对应连接一台ADS-B地面站接收机；
步骤二、在ADS-B地面站接收机内部建立无线信号传输模型；
步骤三、控制ADS-B发射机位于任意一个定向天线接收范围内，由ADS-B发射机产生ADS-B模拟欺骗信号；
步骤四、8个所述的定向天线均接收ADS-B模拟欺骗信号并传输至其对应ADS-B地面站接收机，ADS-B地面站接收机对接收到的信号进行解析，得到信号中包含的飞机经纬度数据；判断解析的ADS-B信息与ADS-B接收机理论解析出的ADS-B信息偏差是否在设定的偏差范围内，若在设定的偏差范围内，则进入下一步骤；否则，由ADS-B地面站接收机产生告警信息；
步骤五、采用无线信号传输模型计算接收到的信号强度RSSI值；
步骤六、采用均值滤波的方式对收集到的RSSI值进行滤波处理；
步骤七、将所有定向天线所输入信号产生的RSSI值传输至任意一台ADS-B地面站接收机，判断ADS-B发射机所在定向天线接收范围内的定向天线所输入信号产生的RSSI值是否大于其余定向天线所输入信号产生的RSSI值，若大于，则不产生告警信息；否则，由ADS-B地面站接收机产生告警信息。
ADS-B报文信息包括：飞机ID与类型消息、空中位置消息、地面位置消息、空中速度消息、飞机状态和状况消息、飞机运行状况消息、测试消息、地面***状态消息、航线改变消息、扩展间歇振荡飞机身份消息等。本发明采用的ADS-B地面站接收机解析的ADS-B信息与ADS-B接收机理论解析出的ADS-B信息的偏差范围根据实际检测环境进行设置。本发明通过与定向天线***连接的ADS-B地面站接收机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ADS-B接收机理论解析出的ADS-B信息偏差在设定的偏差范围内，则表明本发明接收到的信号是可采用的信号。否则，如果本发明没有接收到ADS-B信息或者是接收到的ADS-B信息与ADS-B接收机理论解析出的ADS-B信息偏差不在设定的偏差范围内，则该信息为不可采用的信号。
本发明通过设置多个定向天线，采用空间角度域划分虚拟信道来进行空间分集控制的方法，即空分多址SDMA(Space Division Multiple Access)，也称为多光束频率复用，通过标记不同方位相同频率的天线光束来进行频率的复用。本发明通过空分多址SDMA技术，对ADS-B欺骗式信号进行解析。
天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。根据方向性的不同，天线有全向和定向两种。实现空分多址技术的必备设施为定向天线。定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。与传统ADS-B***所采用的全向天线相比，采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性；采用定向接收天线的主要目的是增强信号强度增加抗干扰能力。
本发明验证实验的目的是通过ADS-B地面站接收机在不同方向对同一信号进行解码，得到该信号中包含的飞机经纬度数据，同时得到该信号在不同方向上的RSSI值(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示)，然后对RSSI值进行对比来确定该信号所包含的飞机经纬度数据的有效性。其中，RSSI是无线传输层的可选部分，用来判定链接质量。它可以在每次数据传输中获得，不需要额外的带宽和能量，也不需要额外的硬件花费。但是由于传感器节点部署的环境较复杂，信号的接收强度会受到多径效应，非视距以及天线增益等影响，对信号的传播损耗产生明显的改变，从而在获取距离信息时产生较大的误差。因此，要想通过RSSI方法得到较好的定位效果，就必须要尽量的消除RSSI测距过程中的误差。为了减小误差，本发明采用通过均值滤波的方式先将小概率的数据滤除掉，然后再求平均值，这样就避免了这些概率小，干扰大的数据的影响，从而提高精度。
进一步的，所述步骤五中采用无线信号传输模型计算接收到的信号强度RSSI值的计算公式如下：
RSSI＝A-10nlogd+XdB
其中，RSSI为接收到的信号强度，A为一米处的RSSI值，n为路径损耗指数，d为测量距离，XdB为高斯随机变量。
进一步的，所述步骤六中采集m个数据，然后求其平均值，公式如下：
Figure BDA0001905463560000031
其中，i取值为1～m之间的整数，为第i次采样。如此，本发明应用时对数据进行m次采样，滤除小概率事件，进而达到提高精度的目的。
进一步的，所述定向天线为工作频率1.1G±0.1、天线增益15dBi的定向切割栅格抛物面天线。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：(1)本发明验证实验的原理是基于无线信号传播模型及误差分析来实现的，通过布设8个定向天线形成天线阵列，并通过ADS-B发射机产生ADS-B模拟欺骗信号。本发明对信息源发出的无线电波信号进行方位验证，确保信号源与信息内容的一致性，利用对ADS-B信号来波方向一致性验证，防止其它ADS-B信号对本发明的实施造成影响。本发明能对影响ADS-B地面站接收机的外在干扰源进行识别，达到验证ADS-B地面站接收机是否能解析并识别出ADS-B发射机产生ADS-B模拟欺骗信号的目的，便于测试其抗欺骗式干扰的能力。
(2)本发明通过设置8个工作频率为1090MHZ的抛物面型定向天线，每个定向天线对应连接一台ADS-B地面站接收机，能增加本发明的分析数据量，进而能保证本发明的验证精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一个具体实施例的流程图；
图2为1m处收发300次的RSSI值。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
如图1所示，基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法，包括依次进行的以下步骤：步骤一、搭建抗干扰天线阵列；步骤二、建立无线信号传输模型；步骤三、产生ADS-B模拟欺骗信号；步骤四、判断解析的ADS-B信息与ADS-B接收机理论解析出的ADS-B信息偏差是否在设定的偏差范围内，若在设定的偏差范围内则进入下一步骤，否则产生告警信息；步骤五、采用无线信号传输模型计算接收到的信号强度RSSI值；步骤六、采用均值滤波的方式对收集到的RSSI值进行滤波处理；步骤七、判断覆盖ADS-B发射机的定向天线产生的RSSI值是否大于其余定向天线产生的RSSI值，若是则结束，否则产生告警信息。
本实施例的步骤一具体包括如下步骤：搭建抗干扰天线阵列，其中，抗干扰天线阵列包括8个工作频率为1090MHZ的抛物面型定向天线，8个定向天线等间距分布于同一圆周上，按照间隔45°的夹角搭建环绕一周形成360°的天线阵列，每个定向天线对应连接一台ADS-B地面站接收机。本实施例步骤二中建立的无线信号传输模型为Shadowing模型，其建立在ADS-B地面站接收机内部。本实施例步骤三在具体实施时，先控制ADS-B发射机位于任意一个定向天线接收范围内，然后再由ADS-B发射机产生ADS-B模拟欺骗信号。
本实施例的步骤四在具体实施时，8个定向天线均接收ADS-B模拟欺骗信号并传输至其对应ADS-B地面站接收机，ADS-B地面站接收机对接收到的信号进行解析，得到信号中包含的飞机经纬度数据。然后，再判断解析的ADS-B信息与ADS-B接收机理论解析出的ADS-B信息偏差是否在设定的偏差范围内，若在设定的偏差范围内，则进入下一步骤；否则，由ADS-B地面站接收机产生告警信息。
本实施例的步骤五在具体实施时，采用无线信号传输模型计算接收到的信号强度RSSI值的计算公式如下：
RSSI＝A-10nlogd+XdB
其中，RSSI为接收到的信号强度，A为一米处的RSSI值，n为路径损耗指数，路径损耗指数通常由具体场地测量得到，一般在2～6之间。d为测量距离，XdB为没有任何意义的高斯随机变量。
本实施例的步骤六中采集m个数据，然后求其平均值，公式如下：
Figure BDA0001905463560000051
其中，i取值为1～m之间的整数，为第i次采样。
图1是发送节点与接收节点间距1m时，收发300次得到的RSSI值。由于RSSI值易受到环境因素的影响，从而产生较大的误差，为了得到较稳定的RSSI值，本实施例先对其进行滤波处理。
本实施例的步骤七在具体实施时：将所有定向天线所输入信号产生的RSSI值传输至任意一台ADS-B地面站接收机，判断ADS-B发射机所在定向天线接收范围内的定向天线所输入信号产生的RSSI值是否大于其余定向天线所输入信号产生的RSSI值，若大于，则不产生告警信息；否则，由ADS-B地面站接收机产生告警信息。
本实施例所采用的ADS-B地面站接收机***性能如表1所示：
表1 ADS-B地面站接收机***性能
Figure BDA0001905463560000052
Figure BDA0001905463560000061
为了对ADS-B地面站接收机抗干扰性能进行验证，必须要有可供实验检测的干扰源，本实施例通过ADS-B发射机产生的可用于ADS-B模拟欺骗信号。ADS-B发射机的***组成包括数据发射机、GNSS接收机、信号处理器和信息处理器等硬件模块，将载体自身的姿态、位置、速度、加速度等关键数据的对外广播。本实施例的ADS-B发射机作为发射设备，可以通过其开放接口实现模拟信号的各项参数。本实施例所采用的ADS-B发射机***性能如表2所示：
表2 ADS-B发射机***性能
序号 类别 性能要求
1 发射功率 ≥37dBm
2 工作频率 1090MHz±1MHz
3 符合标准 DO-260B
4 编码格式 DF17/DF18
5 定位精度 优于10m(95％置信度)
6 定位更新率 5Hz
7 数据接口 RS232串口
8 工作电源 内部可充电电池
9 工作温度 10～40℃
本实施例的定向天线性能参数如表3所示：
表3定向天线性能参数
Figure BDA0001905463560000062
Figure BDA0001905463560000071
本实施例的定向天线为工作频率1.1G±0.1、天线增益15dBi的定向切割栅格抛物面天线，该天线为压铸铝反射栅网，抗紫外老化涂层，具有高增益、低驻波，可垂直极化或水平极化安装标配有可调角旋转夹码，适合用于无线远程传输。
本实施例的ADS-B地面站接收机输出信息包含：接收机编号、信号强度、目标ICAO地址、呼号、经度、纬度、速度、高度及航向；所有信息均采用ASCII帧传输，每帧的数据项之间使用逗号分隔。
本实施例的8台ADS-B地面站接收机编号分别为01、02、03、04、05、06、07及08；定向天线以45°间隔成圆形排列，以逆时针方向开始从01-08进行编号，ADS-B地面站抗干扰对应相应编号的定向天线。本实施例应用时抗干扰验证的一个具体示例如下：
本次实验地点选择广汉机场，接收站坐标为30.94842N，104.32194E。在本次实验中，我们对ADS-B发射机的信号进行独立解码，通过RSSI值来验证信号的有效性。
首先是对ADS-B发射机的实际位置信号进行RSSI对比测试，ADS-B发射机位于01号定向天线接收范围内，8台ADS-B地面站接收机分别对信号进行解码处理。解码后的数据为：
MSG,01,-6.52,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,02,-9.11,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,03,-11.56,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,04,-13.67,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,05,-18.21,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,06,-13.24,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,07,-10.91,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,08,-8.97,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
ADS-B发射机ICAO地址为FFAABB，呼号为TESTADSB，经度为104.22187，纬度为31.4684，高度为1450英尺，航向为320°，速度为零。得到的各ADS-B地面站接收机通道RSSI值如表4所示：
表4修正前各ADS-B地面站接收机通道RSSI值
通道 01 02 03 04 05 06 07 08
RSSI -6.52 -9.11 -11.56 -13.67 -18.21 -13.24 -10.91 -8.97
经验证，ADS-B发射机的实际位置和信号解码后的位置一致，且RSSI01大于其它通道的RSSI值，可以判断该信号为有效信号，因此***正常显示，未出现告警信息。
接下来设置ADS-B发射机模拟坐标，ADS-B发射机实际位置不变动，模拟坐标值修正到05号定向天线接收范围内，8台ADS-B地面站接收机分别对信号进行解码处理，解码后的数据为
MSG,01,-6.58,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,02,-9.04,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,03,-11.41,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,04,-12.97,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,05,-18.2,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,06,-12.84,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,07,-11.51,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
MSG,08,-8.93,FFAABB,TESTADSB,104.22187,31.46842,1450,320,000；
修正后得到的各ADS-B地面站接收机通道RSSI值如表5所示：
表5修正后各ADS-B地面站接收机通道RSSI值
通道 01 02 03 04 05 06 07 08
RSSI -6.58 -9.04 -11.41 -12.97 -18.2 -12.84 -11.51 -8.93
可以看观察到，因为ADS-B发射机的实际位置和信号解码后的位置不一致，如果信号的真实位置是解码位置，则应该RSSI05,但实际情况是RSSI01，所以可以判断该信号的实际位置应该位于01号定向天线接收范围内，因而***对该信号产生告警信息。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、搭建抗干扰天线阵列，所述抗干扰天线阵列包括8个工作频率为1090MHZ的抛物面型定向天线，8个所述的定向天线等间距分布于同一圆周上，按照间隔45°的夹角搭建环绕一周形成360°的天线阵列，每个定向天线对应连接一台ADS-B地面站接收机；
步骤二、在ADS-B地面站接收机内部建立无线信号传输模型；
步骤三、控制ADS-B发射机位于任意一个定向天线接收范围内，由ADS-B发射机产生ADS-B模拟欺骗信号；
步骤四、8个所述的定向天线均接收ADS-B模拟欺骗信号并传输至其对应ADS-B地面站接收机，ADS-B地面站接收机对接收到的信号进行解析，得到信号中包含的飞机经纬度数据；判断解析的ADS-B信息与ADS-B接收机理论解析出的ADS-B信息偏差是否在设定的偏差范围内，若在设定的偏差范围内，则进入下一步骤；否则，由ADS-B地面站接收机产生告警信息；
步骤五、采用无线信号传输模型计算接收到的信号强度RSSI值；
步骤六、采用均值滤波的方式对收集到的RSSI值进行滤波处理；
步骤七、将所有定向天线所输入信号产生的RSSI值传输至任意一台ADS-B地面站接收机，判断ADS-B发射机所在定向天线接收范围内的定向天线所输入信号产生的RSSI值是否大于其余定向天线所输入信号产生的RSSI值，若大于，则不产生告警信息；否则，由ADS-B地面站接收机产生告警信息。
2.根据权利要求1所述的基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法，其特征在于，所述步骤五中采用无线信号传输模型计算接收到的信号强度RSSI值的计算公式如下：
RSSI＝A-10nlogd+XdB
其中，RSSI为接收到的信号强度，n为路径损耗指数，d为测量距离，XdB为高斯随机变量。
3.根据权利要求1所述的基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法，其特征在于，所述步骤六中采集m个数据，然后求其平均值，公式如下：
Figure FDA0001905463550000011
其中，i取值为1～m之间的整数，为第i次采样。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于均值滤波的ADS-B地面站抗干扰性能检测方法，其特征在于，所述定向天线为工作频率1.1G±0.1、天线增益15dBi的定向切割栅格抛物面天线。
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