CN110221319B - 一种基于r-模式的ais位置信息抗欺骗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船舶导航领域，涉及一种基于岸基测距模式（Ranging Mode，R‑模式）的船舶自动识别***（Automatic Identification System‑AIS）位置信息抗欺骗方法，通过将AIS船站的测距技术移植至AIS岸站中，为AIS岸站增加R‑模式测距和定位功能，利用由岸站自行完成的距离检测模式、以及由AIS岸站网络中心完成的位置检测模式两个步骤，检测AIS船站发送的位置信息的正确性，实现AIS位置信息的抗欺骗功能，从而防止恶意欺骗，有效保障船舶航行安全，提升水上***能力。

Description

一种基于R-模式的AIS位置信息抗欺骗方法
技术领域
本发明属于船舶导航领域，涉及船舶自动识别***(Automatic IdentificationSystem-AIS)位置信息欺骗的检测，具体提出了一种基于R-模式的AIS位置信息抗欺骗方法。
背景技术
为了保障船舶的安全航行，国际海事组织(International MaritimeOrganization，IMO)将定位、导航、授时(Position,Navigation and Timing，PNT)信息作为e-航海发展的战略基石。而全球卫星导航***(Global Navigation Satellite System，GNSS)是目前海事导航领域最主要的PNT信息来源，为AIS、电子海图显示与信息***(Electronic Chart Display and Information System，ECDIS)等船站设备提供位置信息。
AIS是IMO强制岸站、船站配备的通信导航***，在保障船舶航行安全，监控船舶航行状态过程中发挥着重要作用。但现有AIS中的位置信息完全依赖于GNSS。由于GNSS卫星信号经过长距离的传播损耗到达地面的功率十分微弱，很容易受到无意或故意的干扰和欺骗。对于海盗等恶意的第三方组织，很容易地利用GNSS模拟器对船舶的GNSS接收机进行欺骗，使船舶GNSS接收机接收到伪造的GNSS卫星信号，解算出虚假的位置信息，提供给AIS船站使用，带来重大的航行安全问题，特别是对于无人驾驶船舶。此外，对于一些别有用心的船舶用户，也很容易利用伪GNSS位置装置仿造GNSS位置数据，为AIS船站设备提供虚假的位置信息，达到欺骗岸基管理部门，从事走私等非法运营和商业活动。
为了保证船舶的航行安全，IMO倡导为现有AIS船站增加测距定位功能，即R-模式，作为GNSS的备用***，当GNSS不可用时，AIS不至于瘫痪。但AIS船站不具有检测自身GNSS位置信息欺骗的功能，尤其是来自船舶自身用户的恶意位置欺骗。
发明内容
为解决背景技术中存在的海事导航领域AIS位置信息欺骗问题，本发明提供了一种AIS岸站基于R-模式的GNSS位置信息抗欺骗方法，使得岸站能够及时发现船舶虚假的AIS位置信息，从而保障船舶航行安全，提升水上***能力。
本发明解决其技术问题的方案是:将现有AIS船站的测距技术移植至AIS岸站中，为AIS岸站增加R-模式功能，利用岸站的测距和定位功能，检测AIS船站发送的位置信息的正确性，从而实现AIS位置信息的抗欺骗功能。实现本发明的步骤为：
1)距离检测模式
距离检测模式由接收AIS船站信号的各岸站自行完成。岸站根据水上甚高频信号传播环境的动态变化，计算本岸站对AIS船站的接收范围D。当AIS岸站接收到AIS船站发送的GNSS位置信息电文时，根据AIS电文内容，解析得到AIS船站的位置信息
Figure BDA0002072954490000021
并根据AIS电文信号，利用岸站R-模式的测距功能测量得到岸站与船站之间的距离dM。
首先，比较计算距离与接收范围。利用式(1)计算岸站与船站间的距离
Figure BDA0002072954490000022
其中，||||表示两点之间的距离，
Figure BDA0002072954490000023
表示AIS岸站的位置信息，事先已由测绘部门精确测得。根据式(1)得到的计算距离dC，判断船站的位置是否在本岸站的接收范围D内，即
dC＜D或|D-dC|＜εB+εP (2)
其中，(εB+εP)为预先设定的门限，εB表示岸站接收范围的不确定性因素，εP表示GNSS的定位误差。若计算距离dC不符合式(2)，则认为船站上报的位置信息不真实，岸站进行报警显示，并上报AIS岸站网络中心，以便管理人员采取相应措施。
其次，比较计算距离与测量距离。如计算距离dC符合式(2)，则比较计算距离dC与测量距离dM之间的偏差，即
|dM-dC|＜εM+εP (3)
其中，(εM+εB)为预先设定的门限，εM表示岸站R-模式的测量误差。若测量距离dM与计算距离dC不符合上式，则认为船站上报的位置信息不真实，岸站进行报警显示。如dM与dC符合式(3)，则AIS岸站会将上述船站信息上报给AIS岸站网络中心。
2)位置检测模式
位置检测检测模式由AIS岸站网络中心的位置检测单元完成。当AIS岸站网络中心收到各AIS岸站上报的AIS船站位置数据后，进入位置检测模式，由岸站网络中心的位置检测单元依次对所有接收的AIS船站的位置信息进行检测。
为了提高AIS的通信容量，现有AIS岸站覆盖在很多情况下能够达到双重覆盖，即两个AIS岸站能够同时接收同一AIS船站的信号。根据多个岸站分别得到的同一AIS船站的测量值
Figure BDA0002072954490000024
利用优化问题求解可以计算得到该船站的位置估计
Figure BDA0002072954490000025
满足式(4)。
Figure BDA0002072954490000026
其中，下标i表示第i个AIS岸站。
将计算得到的船站位置估计
Figure BDA0002072954490000031
与多个AIS岸站上报给岸站网络中心的解析船站AIS电文得到的船舶位置
Figure BDA0002072954490000032
进行比较。由于多个AIS岸站接收的是AIS船站发送的同一条AIS电文，解析得到的船舶位置必相同。根据式(5)，比较计算的船站位置估计
Figure BDA0002072954490000033
与解析的船站位置
Figure BDA0002072954490000034
之间的偏差，即
Figure BDA0002072954490000035
其中，(εC+εP)为预先设定的门限，εC表示岸站R-模式定位误差。若计算的船站位置
Figure BDA0002072954490000036
与解析的船站位置
Figure BDA0002072954490000037
符合式(5)，则认为AIS船站上报的位置信息正确，不存在欺骗。若计算的船站位置
Figure BDA0002072954490000038
与解析的船站位置
Figure BDA0002072954490000039
不符合式(5)，则认为AIS船站上报的位置信息不真实，由位置检测单元通知AIS岸站网络中心进行报警显示，以提示管理人员采取相应措施，并通知相关AIS岸站。
本发明的有益效果是：利用该发明能够及时检测出播发虚假位置信息中的AIS船站，防止恶意欺骗，有效保障船舶航行安全，提升水上***能力。该方法仅需为现有AIS岸站增加R-模式测距功能，为现有AIS岸站网络服务器增加位置检测功能即可，无需额外进行***布设和维护，易于推广应用。
附图说明
图1是本发明的抗欺骗方法处理流程图；
图2是本发明的一个具体实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图2示例了本发明的一个实施例场景。
201、202为两个AIS岸站，213、214为两个AIS船站，220为具有位置检测功能的AIS岸站网络中心，237为GNSS的卫星，能够为船站提供GNSS信号，以使船站的GNSS接收机解算出正确位置提供给AIS船站使用。245、246分别为AIS船站213可能播发的虚假位置。位置信息抗欺骗检测处理步骤具体如下：
1)距离检测模式
AIS船站213、214在AIS岸站201、202的接收范围内，能够接收船站213、214的AIS信号，解析出船站播发的GNSS位置信息
Figure BDA00020729544900000310
上标j表示不同的船站，j＝3表示船站213，j＝4表示船站214。但当船站213受到欺骗时，会播发虚假的位置信息。j＝5表示船站213播发虚假的245位置处信息，j＝6表示船站213播发虚假的246位置处信息。
岸站201、202已知自身位置
Figure BDA0002072954490000041
下标i表示不同的岸站，按照式(6)分别计算与船站213、214播发的位置
Figure BDA0002072954490000042
间的距离。
Figure BDA0002072954490000043
若船站213、214播发的AIS电文中含有真实的GNSS位置信息
Figure BDA0002072954490000044
和
Figure BDA0002072954490000045
则计算距离
Figure BDA0002072954490000046
必小于AIS岸站的接收范围D，或与D的偏差小于预先设定的门限(εB+εP)，即满足式(7)。
Figure BDA0002072954490000047
或
Figure BDA0002072954490000048
若船站213播发的AIS电文中含有虚假的245处的位置信息
Figure BDA0002072954490000049
由于位置245不在AIS岸站201的接收范围D内，则岸站根据虚假位置信息
Figure BDA00020729544900000410
得到的计算距离
Figure BDA00020729544900000411
无法满足式(7)。岸站201会发出船站213存在虚假位置的报警提示，并上报AIS岸站网络中心。
若船站213播发的AIS电文中含有虚假的246处的位置信息
Figure BDA00020729544900000412
由于位置246位于AIS岸站201、202的接收范围D内，则岸站根据虚假位置信息
Figure BDA00020729544900000413
得到的计算距离
Figure BDA00020729544900000414
和
Figure BDA00020729544900000415
仍可以满足式(7)。此种情况下，仅根据计算距离
Figure BDA00020729544900000416
岸站201、202无法检测出AIS欺骗信息。
由于岸站201、202具有R-模式测距功能，在接收船站213、214AIS信号的同时，能够测量得到与船站213、214间的实际距离
Figure BDA00020729544900000417
其中岸站201与船站213、214间的测量距离分别为
Figure BDA00020729544900000418
和
Figure BDA00020729544900000419
岸站202与船站213、214间的测量距离分别为
Figure BDA00020729544900000420
和
Figure BDA00020729544900000421
若船站213、214播发的AIS电文中含有真实的GNSS位置信息
Figure BDA00020729544900000422
和
Figure BDA00020729544900000423
则计算距离
Figure BDA00020729544900000424
与测量距离
Figure BDA00020729544900000425
必满足式(8)。
Figure BDA00020729544900000426
若船站213播发的AIS电文中含有虚假的246处的位置信息
Figure BDA00020729544900000427
则此时AIS岸站201、202得到的计算距离分别为
Figure BDA00020729544900000428
和
Figure BDA00020729544900000429
在此实施例场景中由于
Figure BDA00020729544900000430
因此
Figure BDA00020729544900000431
仍能满足式(8)；但由于
Figure BDA00020729544900000432
与
Figure BDA00020729544900000433
相差较大，则不能满足式(8)。岸站202会发出船站213存在虚假位置的报警提示，并上报AIS岸站网络中心。
若虚假位置246与真实位置213相距不足够大时，则
Figure BDA00020729544900000434
仍能满足式(8)时，仅依靠单个AIS岸站已无法检测AIS欺骗信息，此时进入位置检测模式。
2)位置检测模式
由AIS岸站网络中心220根据岸站201、202上报的测量距离
Figure BDA0002072954490000051
利用优化问题求解式(9)，依次计算得到各船站的位置估计
Figure BDA0002072954490000052
Figure BDA0002072954490000053
将计算得到的船站213、214的位置估计
Figure BDA0002072954490000054
分别和岸站201、202上报的船站213、214的位置信息
Figure BDA0002072954490000055
进行比较，计算其偏差，即估计位置
Figure BDA0002072954490000056
与电文位置间的距离，如式(10)所示。
Figure BDA0002072954490000057
若船站213、214发送的位置信息为真实GNSS位置，必然满足式(10)，则AIS岸站网络中心220认为船站213、214上报的位置信息正确，不存在欺骗。若船站213发送的位置为虚假位置246，则必然不满足式(10)。AIS岸站网络中心220进行报警显示，并通知AIS岸站201、202船站213发送的位置为虚假位置。

Claims (3)

1.一种基于R-模式的AIS位置信息抗欺骗方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)距离检测模式由接收AIS船站信号的各岸站自行完成，岸站根据水上甚高频信号传播环境的动态变化，计算本岸站对AIS船站的接收范围D，当AIS岸站接收到AIS船站发送的GNSS位置信息电文时，根据AIS电文内容，解析得到AIS船站的位置信息并根据AIS电文信号，利用岸站R-模式的测距功能测量得到岸站与船站之间的距离dM，依次比较计算距离与接收范围的偏差，计算距离与测量距离的偏差，若计算距离与测量距离的偏差小于门限，则进入位置检测模式；若计算距离与测量距离的偏差大于门限，则认为AIS船站的位置信息不真实，岸站进行报警显示，并上报给AIS岸站网络中心；
2)位置检测模式由AIS岸站网络中心的位置检测单元完成，当AIS岸站网络中心收到各AIS岸站上报的AIS船站位置数据后，由岸站网络中心的位置检测单元依次对所有接收的AIS船站的位置信息进行检测，根据不同岸站得到的多个AIS船站的测量值利用优化问题求解得到船站的位置估计，比较船站估计位置与电文解析位置之间的偏差，若偏差小于门限，则船站上报的位置信息位置正确，不存在欺骗；若偏差大于门限，则认为AIS船站上报的位置信息不真实，由位置检测单元通知AIS岸站网络中心进行报警显示，并通知相关AIS岸站。
2.根据权利要求1所述的一种基于R-模式的AIS位置信息抗欺骗方法，其特征在于，所述的距离检测模式具体处理过程为：首先，比较计算距离与接收范围，利用式(1)计算岸站与目标船船站间的距离
Figure FDA0003943004510000011
其中，|| ||表示两点之间的距离，表示AIS岸站的位置信息，事先已由测绘部门精确测得，根据式(1)得到的计算距离dC，判断该目标船船站的位置是否在本岸站的接收范围D内，即
dC＜D或|D-dC|＜εB+εP (2)
(2)其中，(εB+εP)为预先设定的门限，εB表示岸站接收范围的不确定性因素，εP表示GNSS的定位误差，若计算距离dC不符合式(2)，则认为船站上报的位置信息不真实，岸站进行报警显示，并上报AIS岸站网络中心；
其次，比较计算距离与测量距离，如计算距离dC符合式(2)，则比较计算距离dC与测量距离dM之间的偏差，即
|dM-dC|＜εM+εP (3)
(3)其中，(εM+εB)为预先设定的门限，εM表示岸站R-模式的测量误差，若测量距离dM与计算距离dC不符合上式，则认为船站上报的位置信息不真实，岸站进行报警显示，如dM与dC符合式(3)，则AIS岸站会将上述目标船的船站信息上报给AIS岸站网络中心。
3.根据权利要求1所述的一种基于R-模式的AIS位置信息抗欺骗方法，其特征在于，所述的位置检测模式具体处理过程为：根据多个岸站分别得到的同一AIS船站的测量值利用优化问题求解可以计算得到该船站的位置估计满足式(4)，
Figure FDA0003943004510000021
其中，下标i表示第i个AIS岸站；将计算得到的船站位置估计与多个AIS岸站上报给岸站网络中心的解析船站AIS电文得到的船舶位置进行比较，由于多个AIS岸站接收的是AIS船站发送的同一条AIS电文，解析得到的船舶位置必相同，
Figure FDA0003943004510000022
根据式(5)，比较计算的船站位置估计与解析的船站位置之间的偏差，即其中，(εC+εP)为预先设定的门限，εC表示岸站R-模式定位误差，若计算的船站位置与解析的船站位置符合式(5)，则认为AIS船站上报的位置信息正确，不存在欺骗。若计算的船站位置与解析的船站位置不符合式(5)，则认为AIS船站上报的位置信息不真实，由位置检测单元通知AIS岸站网络中心进行报警显示，并通知相关AIS岸站。
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