ADS-D系统中的电磁干扰及抗干扰技术

左明瑞

(中国民用航空华东地区空中交通管理局江西分局 江西 南昌 330000)

0 引言

随着民用航空事业快速发展,我国民用飞机、机场、飞行航线数量进一步拓展,截至2020年底,国内民用机场数量超过200个,预计在2025年,我国民用机场数量将达到300个,民用运输飞机数量高于5 000架,通用航空飞机数量超过6 000架。而随着民用航空不断发展,无形中增加空中交通流量增长,对空中交通管制能力提出更高要求,民用航空急需研发一种高效空中交通监管技术。广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)技术作为现代最新型的空中交通监管技术,其具有精度高、成本低、能提高空域容量等特征,被广泛应用到民航空管领域。但是,由于航天电磁环境越来越复杂,严重影响到ADS-B的精度,必要时要关闭航线,给空中交通秩序造成严重影响,甚至影响到飞机的安全性[1]。

1 ADS-B系统的基本原理

ADS-B系统工作原理是利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)收集自身实时定位信息,且和其他机载设备信息相互结合,形成完整的ADS-B报文,再利用机载S模式收发机定期向外传播自身实际飞行情况。地面站和其他安装ADS-B机载设备的飞机通过数据链系统能自动接收ADS-B报文,科学处理信息数据,然后将飞机实际状态实时呈现在大屏幕上。目前,ADS-B系统功能是由ADS-B OUT和ADS-B IN组成,其中ADS-B OUT表示飞机向地面发送信息的过程;ADS-B IN表示机载设备接收信息的过程,传输信息内容是由速度、位置、高度、呼号等信息组成。相关人员要利用ADS-B系统全面掌握区域中飞机飞行状态,一旦遇到问题能第一时间做出正确选择,便于飞行员合理控制飞机距离。同时,ADS-B系统能实现飞行器目标间和地面站间的日常通信工作,即使在恶劣的空域中也能实现更高飞行高度。ADS-B数据走向,如图1所示。

图1 ADS-B数据走向

近年来,专业人员将ADS-B数据链分为通过访问收发机数据链、1 090 MHz扩展电文、甚高频数据链等类型,只有1 090 MHz扩展电文实现全球民航领域标准化,但和传统监视方法相比,ADS-B系统具有建设效率高、建设成本低等特征,被广泛应用在民航领域方面。但从目前ADS-B系统发展情况来看,其遇到了多样化问题,尤其是电磁干扰问题。虽然ADS-B系统具有可靠监视和精准定位性能,但仍然面临着电磁干扰影响,如通用系统模拟器定位信号受到电磁干扰、ADS-B系统信号传输链路面临电磁干扰。

2 ADS-B系统中的通用系统模拟器电磁干扰

ADS-B系统精准定位是以通用系统模拟器系统为基础,来确定自身实际位置信息,但由于通用系统模拟器系统自身具有较强的脆弱性,在现代电力电子设备和自然环境双重影响下,通用系统模拟器系统受到多样化因素影响,如人为故意作祟、自然因素作祟、人为无意作祟等。目前来看,其随着空间和时间变化,干扰现场出现不同程度的变化,直到最后完全消失。而人为有意干扰对通用系统模拟器系统影响程度最高,主要包括压制干扰、欺骗干扰、2种组合式干扰。

2.1 通用系统模拟器压制干扰

压制干扰是针对通用系统模拟器信号的压制干扰的一种非常典型的电磁干扰,它的特点是使接收机前端的有用信号淹没在噪声中而不被捕捉和跟踪,通过大功率的同噪声来降低信噪比。当前的ADS-B系统主要是利用功率较低,通常为-158 dBW的GPS定位,极易被干扰的GPS信号。打压扰动的技术成本更低,也更容易做到这一点。有研究显示,GPS信号的特性使得压迫性干扰具有一定的优势,是目前民航导航定位系统中威胁最大、干扰方式最多的一种,是所有潜在威胁GPS信号的威胁[2]。GPS压制干扰的主要类型和典型干扰源见表1。

表1 GPS压制干扰的主要类型和典型干扰源

通过分析表1,发现宽带干扰主要特征是干扰信号频带宽度超过信号带宽,整个目标信号频带上可覆盖干扰能量;窄带干扰的特点是其频宽比讯号带要小。最常用的方向、功率、频率、带宽等参数来分析压制干扰的信号模型特征,脉冲干扰表示为式(1):

(1)

式(1)中:A为脉冲干扰幅度;t为占空比;Tpi为脉冲干扰周期。

宽带线性调频干扰表示为式(2):

(2)

式(2)中:A为脉冲幅度;T为调频信号时宽;f0t为瞬时频率。

2.2 通用系统模拟器欺骗干扰

欺骗干扰的讯号模型与原始的真实定位讯号接近,如功率等级等参数,欺骗接收者获取假定位信息,使载具能够根据假信号的指引行进。技术成本更高,实现这种干扰的隐蔽性更强。目前,通用系统模拟器在军事领域多采用欺骗干扰手段,民航领域应用通用系统模拟器欺骗干扰的情况比较少见[3]。

3 ADS-B信号传输链路中的电磁干扰

ADS-B发射机功率小,易受电磁干扰,在可能导致定位失真严重的情况下,ADS-B发射链路遭受电磁干扰,可引起传输链路中断,ADS-B设备宕机。压制干扰和欺骗干扰也存在于ADS-B数据传输链路上。压制干扰,即干扰源发射功率较大的压制信号干扰ADS-B数据链,干扰源将S模式1 090 MHz的虚假信息持续发送给航空器或地面站,导致ADS-B接收机无法收集到有用的报文信息。欺骗性干扰是指干扰来源截取飞机实际信息,如飞行方向、飞行位置等,并发出虚假干扰信号,使ADS-B接收机接收并广播诱使控制员或驾驶员作出错误飞行指令的虚假飞机信息。由于ADS-B的广播信息是公开的、不加密的、不需要身份验证的,这就使得ADS-B系统在遭受欺骗性攻击时变得轻而易举[4]。

同时,民航领域同频干扰也是ADS-B数据链一种特殊干扰现象,这种干扰现象对1090ES数据链具有明显效果,其通常被应用在民航领域空中防撞、二次监视雷达、多点定位等系统,加上其他领域电力电子设备干扰现象,该频段电磁环境具有较强的复杂性,其中,1090ES数据链同样面临严重的同频干扰,导致链路拥堵严重,系统接收性能无形中降低,定位精确度也随之下降。目前主要有窜扰、同步干扰、异步干扰等多种类型的同频干扰,它的频率和工作应答信号是一样的,频率上升到每秒上千次,这是目前干扰方式中最普遍的一种;不同的应答机在同步窜扰中的反应是一样的询问,且脉冲重叠位置相互占用,该种干扰类型很容易丢失信号,且无法用传统技术进行解决[5]。

4 ADS-B系统应对电磁干扰的新技术

4.1 天线自适应抗干扰技术

在电子对抗项目上,在非人工干预下自主适应电子对抗环境的变化。如通过选频技术测量出对方使用窄带阻塞干扰的工作频宽,以及频宽中最薄的弱点,科学调整频率,可测出其工作频宽与频宽之间的数据。天线自适应抗干扰技术包括单脉冲、窄波束、多波束、相控阵、低副瓣6超低副瓣、副瓣对消等多个波束组成的抗干扰技术,自适应阵列技术自适应波束形成反相位零点、超分辨等、随机扫描主波束、变速天线扫描、极化分集。在选择滤波器时,要保证滤波器在标准工作频段中,能满足负载要求的衰减特征,如果某种滤波器无法满足行业基本要求,工作人员可考虑采用各种滤波器级联,来掌握实际衰减特征;滤波器可将预期额定电流和实际额定电流调整到相同标准,一旦电流值过高会提高滤波器重量和体积,电流较低会减少滤波器的稳定性。低副瓣天线是最有效的措施之一,对干扰信号起到防止天线副瓣进入和避免反辐射导弹攻击的作用。副瓣对消和副瓣消隐技术也是为了防止副瓣进入而产生的干扰信号,且副瓣对消和副瓣消隐技术所付出的代价要小。许多相关原理和方法还在研究中,自适应阵列弹性大,抗干扰能力强。

4.2 接收信号解码校对

也是应对欺骗干扰的重要方法,是接收机分析接收信号的差异和特性,判别目标的真伪。在时域方面,透过分析计算讯号强度、多普勒偏频、收发讯号时间间隔等参数,或利用多个基地台,以与报文资讯比对来判定接收讯号真伪、确定飞机所在位置,从而作出判别。随着民用航空不断发展,无形中增加空中交通流量增长,对空中交通管制能力提出更高要求,民用航空急需研发一种高效空中交通监管技术。ADS-B技术作为现代最新型的空中交通监管技术,其具有精度高、成本低、能提高空域容量等特征,被广泛应用到民航空管领域。时域运算侦测对时钟精确度要求较高,对多个时钟的同步性要求也较高,而对列天线技术精确度要求较高的则是频域运算侦测[6]。

4.3 分析深度学习算法的检测精度

在机器学习迅速发展的同时,在防欺骗干扰的ADS-B系统领域,深度学习(deep learning,DL)也被科研人员所应用。当干扰信号强度在正常检测范围时,被干扰雷达的干扰信号趋于多样化,无形中提高信号处理计算机处理负担[7]。同时,由于干扰信号的出现,会降低雷达作用距离和目标检测概率,甚至影响到测角精度和测距。针对该种情况,需要工作人员控制干扰信号强度,保证每个干扰信号都能被检测到[8]。但由于这种干扰并非故意干扰,2个雷达波束交叉的时间较短,通常是一闪而过,干扰信号的强度也较低,不会给雷达正常工作带来严重影响,很难被工作人员发现。通过AlexNet网络对样本数据进行训练和测试并优化,利用频偏数据和报文的位置速度信息形成数据集;样本数据通过SEQ2SEQ网络模型进行训练,该模型包含了飞机的位置和速度等信息。把DL运用到侦测识别骗术干扰中,所有的训练样本都是通过仿真的方式产生的[9]。

4.4 信息加密技术

针对ADS-B系统遇到的欺骗性干扰,大部分学者提出了多种加密手段,如透过数位签章的方法来判别目标为真正的目标或干扰源、资讯分段加密和密码学保护等。但信息加密手段的短板在于需要修改ADS-B传输协议,而加密保护ADS-B传输链如何有效地执行还有待学者深入研究[10-11]。

5 总结

综上所述,ADS-B系统作为最先进的民航空管监视系统,在日常应用中面临严重电磁干扰问题,如ADS-B数据链压制性干扰、通用系统模拟器系统欺骗干扰等问题,给应用效果带来不同程度的影响。因此,为了提高ADS-B系统精准定位功能,不仅要加强无线管理作用,还要将无线电干扰领域新技术应用到ADS-B系统,全面提高ADS-B系统抗干扰性能。