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ACAS X 監(jiān)視特性分析及防欺騙技術(shù)探討

2021-11-20 08:26李洪偉李家蓬
關(guān)鍵詞:航跡空域被動

馮 濤,李洪偉,李家蓬

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司,四川 綿陽 621000)

ACAS X 防撞系統(tǒng)兼容了SESAR 和NextGen的未來運(yùn)行概念,其基于概率模型的特性可以提供未來飛機(jī)位置,在考慮系統(tǒng)安全操作目標(biāo)的同時,實(shí)現(xiàn)了邏輯定制特殊程序或空域配置[1]。相比TCAS Ⅱ而言,ACAS X 在降低升級與維護(hù)成本的同時,可將碰撞風(fēng)險降低約50%[2],升級更快速便捷,并且ACAS X 采用擴(kuò)展混合監(jiān)視技術(shù),擴(kuò)充了ADS-B 信息的使用,可以產(chǎn)生交通告警干擾;因此,它是一種必然取代TCAS Ⅱ的新型機(jī)載防撞系統(tǒng)[3]。ACAS X 的監(jiān)視可靠性直接影響飛機(jī)的飛行安全,因此針對ACAS X 監(jiān)視特性的欺騙[4]與防欺騙技術(shù)[5-6]的研究將持續(xù)拓展。

1 ACAS X 目標(biāo)監(jiān)視特性

1.1 ACAS X 擴(kuò)展混合監(jiān)視的工作模式

ACAS X 采用擴(kuò)展混合監(jiān)視的工作模式,擴(kuò)展混合監(jiān)視軟件依據(jù)RTCA DO-185B、RTCA DO-260B 和RTCA DO-300A 標(biāo)準(zhǔn),完成空中目標(biāo)主動、混合和被動監(jiān)視3 種模式監(jiān)視處理[7]。

1) 主動監(jiān)視模式:通過C 模式呼叫和S 模式點(diǎn)名詢問,對C 模式目標(biāo)和S 模式目標(biāo)(包括具備ADS-B OUT 功能的S 模式應(yīng)答機(jī))進(jìn)行監(jiān)視;其中監(jiān)視詢問周期為1 s,S 模式精簡詢問周期為5 s。

2) 混合監(jiān)視模式:對于具備ADS-B OUT 功能的S 模式應(yīng)答機(jī),采用被動偵聽廣播報文(格式選擇為DF17)接收目標(biāo)經(jīng)緯度、高度信號的方式,結(jié)合本機(jī)相關(guān)信息完成目標(biāo)監(jiān)視;然后通過動態(tài)主動監(jiān)視的方式進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn),主動監(jiān)視的監(jiān)視周期在10~60 s 動態(tài)變化。

3) 被動監(jiān)視模式:對于具備ADS-B OUT 功能的S 模式應(yīng)答機(jī),采用被動偵聽廣播報文(格式選擇為DF17)接收目標(biāo)經(jīng)緯度、高度信號的方式,結(jié)合本機(jī)相關(guān)信息完成目標(biāo)監(jiān)視;被動監(jiān)視模式中無需通過主動詢問確認(rèn)。

擴(kuò)展混合監(jiān)視是一種增強(qiáng)型被動+主動監(jiān)視模式,這樣的監(jiān)視模式更加合理;為滿足系統(tǒng)監(jiān)視性能和安全性,對該模式的適用條件(接近時間、信號幅度、信號有效情況)進(jìn)行限定,當(dāng)滿足條件時,采用全被動監(jiān)視模式,進(jìn)一步降低頻譜占用;當(dāng)不滿足條件時,轉(zhuǎn)化為主動監(jiān)視模式或部分被動監(jiān)視模式。擴(kuò)展混合監(jiān)視狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程如圖1 所示。

圖1 擴(kuò)展混合監(jiān)視狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

1.2 ACAS X 目標(biāo)監(jiān)視特性分析

ACAS X 包括監(jiān)視跟蹤模塊(STM)與威脅決斷模塊(TRM),STM 可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)飛機(jī)的空域態(tài)勢感知與監(jiān)視,并提供最優(yōu)數(shù)據(jù)源給TRM 進(jìn)行威脅評估與決斷告警。ACAS X 對ADS-B 被動監(jiān)視信息的應(yīng)用更為友好與開放,STM 使用主動監(jiān)視數(shù)據(jù)、ADS-B 數(shù)據(jù)和ADS-R 數(shù)據(jù)。STM 為每個數(shù)據(jù)源維護(hù)獨(dú)立的航跡,這些航跡關(guān)聯(lián)后與具體目標(biāo)聯(lián)系在一起,然后STM 選擇1 個航跡數(shù)據(jù)源(主動、ADS-B 或ADS-R)供TRM 使用。

STM 為每條航跡標(biāo)記信息,該信息允許TRM判斷航跡是否可以用來產(chǎn)生RAs 和TAs 或者僅產(chǎn)生TAs。如果ADS-B 數(shù)據(jù)通過了一次STM 主動確認(rèn)(通過主動的S 模式詢問),它就被標(biāo)記為有資格產(chǎn)生RA。一般地,一旦STM 對1 條ADS-B 航跡的主動確認(rèn)失敗,那么這條航跡存續(xù)期間內(nèi)不再提供給TRM。

表1 指出傳遞到TRM 與顯示模塊的航跡類型和保護(hù)能力是主動監(jiān)視類型、被動監(jiān)視和STM 主動確認(rèn)狀態(tài)的函數(shù),通過滿足使用ADS-B 數(shù)據(jù)用于RA 保護(hù)所需的最低值來確定ADS-B 或ADSR 數(shù)據(jù)的質(zhì)量(NIC≥6,NACp≥7,NACv=1,SIL=3,version=2)。由表1 可知,高質(zhì)量的ADS-B 被動監(jiān)視航跡一旦通過主動確認(rèn)將優(yōu)先傳遞到TRM 用于告警與顯示。這里的主動確認(rèn),是指通過TCAS的S 模式主動詢問獲取目標(biāo)監(jiān)視信息(距離、高度、方位),并將這些信息與ADS-B 被動監(jiān)視航跡進(jìn)行相關(guān),如果相關(guān)成功,則判定主動確認(rèn)狀態(tài)為“通過”,否則為“失敗”。

表1 監(jiān)視目標(biāo)輸出表

相比TCAS Ⅱ,ACAS X 將更多地應(yīng)用ADSB 被動監(jiān)視[8-9],并設(shè)置AOTO 工作模式(ADS-B ONLY TA ONLY)。

2 ACAS X 監(jiān)視特性缺陷

ACAS X 作為成熟設(shè)備,其基于二次監(jiān)視雷達(dá)原理,采用定向詢問和點(diǎn)航跡處理等技術(shù),本身就有較強(qiáng)的抗抗干擾能力。但擴(kuò)展混合監(jiān)視和ADSB 信息的深度應(yīng)用,帶來了潛在的被欺騙干擾問題,可能會被干擾裝置進(jìn)行技術(shù)手段欺騙[10-13]。

1) ACAS X 通過“主動確認(rèn)”目標(biāo)距離、高度是否相關(guān)來判斷ADS-B 目標(biāo)是否真實(shí)存在的監(jiān)視特性,并不能排除通過距離編程改變應(yīng)答延遲時間來“改變”與目標(biāo)的距離、高度信息的欺騙方式。

2) ACAS X 通過定向天線進(jìn)行ADS-B 消息的接收得到真實(shí)信號的方位角信息的監(jiān)視特性,不能排除通過計算出目標(biāo)方位并使用定向天線發(fā)送特定角度的干擾信號的欺騙方式。

3) ACAS X 可以將目標(biāo)信號的幅度信息與距離信息相關(guān)聯(lián),如果幅度信息與目標(biāo)距離不匹配,則ACASX 可以通過軟件算法濾除這類假目標(biāo)的監(jiān)視特性,并不能排除通過調(diào)整自身發(fā)射功率的方式“改變”與目標(biāo)的距離的欺騙方式。

3 針對ACAS X 監(jiān)視特性的欺騙方式分析

針對ACAS X 的監(jiān)視特性,可以通過靈巧欺騙的方式對ACAS X 進(jìn)行欺騙,這種欺騙方式的信號處理流程如圖2 所示。

圖2 靈巧欺騙信號處理流程

該欺騙手段可以通過如下處理流程實(shí)現(xiàn)對ACAS X 的欺騙:

1) 接收所有目標(biāo)的ADS-B OUT 信號,解析ADS-B OUT 信號獲取所有目標(biāo)的24 Bit ICAO 地址、經(jīng)緯度信息和高度信息,并利用經(jīng)緯度信息和高度信息形成被動航跡。

2) 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的24 Bit ICAO 地址和所有目標(biāo)的24 Bit ICAO 地址從所有目標(biāo)中確認(rèn)被欺騙目標(biāo),并設(shè)定工作模式,其包括靈巧欺騙模式。

3) 在靈巧欺騙模式下,對被欺騙目標(biāo)主動詢問來獲取被欺騙目標(biāo)的主動航跡,并將主動航跡和被動航跡進(jìn)行融合得到被欺騙目標(biāo)的距離與方位(見圖3)。

圖3 干擾裝置與被欺騙目標(biāo)幾何位置示意圖

4) 根據(jù)被欺騙目標(biāo)的距離與方位模擬一個運(yùn)動模型,并且設(shè)置一條指向被欺騙目標(biāo)的運(yùn)動軌跡,所述運(yùn)動軌跡由經(jīng)緯度信息和高度信息組成。

5) 根據(jù)當(dāng)前時刻運(yùn)動模型與被欺騙目標(biāo)的距離設(shè)置干擾信號的發(fā)射功率,將當(dāng)前時刻被欺騙目標(biāo)的方位設(shè)置為干擾信號的發(fā)送角度,將當(dāng)前時刻運(yùn)動模型的經(jīng)緯度信息以及高度信息組成DF 報文,偵收被欺騙目標(biāo)的UF0 格式的主動詢問信號以確定干擾信號的應(yīng)答時間延遲量,以及計算所得應(yīng)答時間延遲量進(jìn)行延遲后,以所述發(fā)送角度、發(fā)射功率發(fā)送攜帶DF 報文的干擾信號。

4 ACAS X 增強(qiáng)型防欺騙探討

針對上述ACAS X 監(jiān)視被欺騙的特性,需要對ADS-B 目標(biāo)進(jìn)行真實(shí)性驗證,識別虛假欺騙信號,具體技術(shù)手段包括基于空域場景、基于信源頭特征、基于數(shù)據(jù)一致性等,可采用單一或組合的方式。

4.1 基于空域場景的驗證技術(shù)

加裝ACAS X 的飛機(jī)主要包括民航運(yùn)輸機(jī)、貨運(yùn)機(jī)以及大型軍用運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)等,其飛行的空域,包括民航專用空域、軍事飛行空域以及其他空域。這些空域中往往有既定的飛行計劃,或者有完善的地面監(jiān)視設(shè)備[14],為目標(biāo)真實(shí)性驗證提供信息。

1) 民航運(yùn)輸機(jī)或貨運(yùn)機(jī),通過載入飛行計劃信息,將監(jiān)視到僅ADS-B 航跡,特別是近距離可產(chǎn)生交通告警的航跡,與飛行計劃信息作對比,驗證航跡真實(shí)性。

2) 軍用飛機(jī)除飛行計劃外,還可采用數(shù)據(jù)鏈等地-空通信技術(shù)實(shí)時獲取二次雷達(dá)地面站的航跡信息進(jìn)行航跡真實(shí)性驗證。

3) 軍、民用飛機(jī)均可采用人機(jī)閉環(huán)的方式,采用電臺、衛(wèi)通等技術(shù)通過地面塔臺進(jìn)行真實(shí)性驗證,排除虛假目標(biāo)。

4) 未來隨著星基ADS-B 技術(shù)的推廣,可通過空-天通信方式,借助星基信息驗證真實(shí)性。

4.2 基于幾何相符與數(shù)據(jù)一致性的驗證技術(shù)

幾何相符依賴于數(shù)據(jù)一致性識別。數(shù)據(jù)一致性識別不同于信號的一致性識別之處,是在采集ADS-B 信號并解析ADS-B 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)發(fā)布信號的目標(biāo)數(shù)據(jù)內(nèi)容了解該目標(biāo)的飛行狀態(tài)、運(yùn)行趨勢和未來動態(tài),通過一段時間內(nèi)積累的飛機(jī)數(shù)據(jù)與飛行器ADS-B 報告中的導(dǎo)航性能作相符性判斷,進(jìn)而評價數(shù)據(jù)一致性。本文限于篇幅,僅對基于幾何相符的數(shù)據(jù)一致性識別簡要說明,情況如下:

1) 意圖獲?。汉娇掌饕鈭D報告(Target State,TS)/航跡變化(tragectory change,TC)報告獲取。

2) 誤差消除:航跡的卡爾曼濾波,針對不同運(yùn)動模型,對其運(yùn)動航跡濾波,得到更接近真實(shí)狀態(tài)的飛行運(yùn)動軌跡,方便與飛行意圖進(jìn)行比對分析。

3) 幾何相符識別方式:在飛行器廣播ADSB 消息時,會報告導(dǎo)航信息并計算獲得相應(yīng)的所需導(dǎo)航性能能力,即RNP(required navigation performance,所需導(dǎo)航性能)。RNP 類型決定了飛機(jī)航跡的最大偏移范圍。在飛機(jī)飛行過程中,飛機(jī)需在RNP 限定的范圍內(nèi)飛行,若超過這個范圍,其目標(biāo)可能為虛假目標(biāo)。

4.3 基于射頻信號特征的驗證技術(shù)

機(jī)載S 模式應(yīng)答機(jī)進(jìn)行ADS-B 信號廣播時都具有其特有的射頻信號特征,通過較高準(zhǔn)確率識別對應(yīng)S 模式地址的ADS-B 信號輻射源,可以有效地幫助區(qū)分真實(shí)目標(biāo)與虛假目標(biāo),從而可以輔助提高ADS-B 抗干擾防欺騙能力。輻射源的個體特征,需滿足可測性、穩(wěn)定性、唯一性、完備性、普遍適應(yīng)性等特點(diǎn)。ADS-B 信號由于采用的是國際民航組織規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)頻段、標(biāo)準(zhǔn)格式,并且具有大量的空中真實(shí)航班作為穩(wěn)定可靠的訓(xùn)練數(shù)據(jù),完全滿足要求。

4.4 基于欺騙信號的時間和空間特征

需要指出,航跡持續(xù)時間或運(yùn)動的距離范圍也是驗證其真?zhèn)蔚闹匾卣鳎凑胀ㄓ脴?biāo)準(zhǔn)S 模式應(yīng)答機(jī)應(yīng)答延遲時間最長為128 μs,按照空間電磁波傳播速度,這段時間間隔對應(yīng)目標(biāo)運(yùn)動的距離范圍是19.2 km,這一特點(diǎn)結(jié)合其他特征可以更有效地驗證真?zhèn)巍?/p>

5 仿真驗證

本文篇幅所限,只選取第4 章所述的基于幾何相符與數(shù)據(jù)一致性的驗證技術(shù)進(jìn)行仿真,來驗證該技術(shù)對目標(biāo)真實(shí)性驗證的可行性。

5.1 飛機(jī)飛行軌跡、速度仿真

假設(shè)飛機(jī)在60 s 內(nèi),從初始位置(1 000 m,1 000 m,10 000 m)開始,以120、120、0 m/s 的初始速度,5、5、0 m/s2的加速度做勻加速直線運(yùn)動。系統(tǒng)狀態(tài)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為5 m/s2,位置觀測噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為120 m,速度觀測噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為6 m/s,采樣時間間隔為1 s。飛機(jī)的飛行軌跡仿真如圖4 所示。獨(dú)立進(jìn)行1 500 次仿真實(shí)驗,對飛機(jī)幾何位置估計的均方根誤差統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示。

圖4 飛機(jī)飛行軌跡圖

圖5 飛機(jī)幾何位置估計差

由圖5 可知,卡爾曼濾波在一定程度上減小了飛機(jī)幾何位置測量值的誤差,可以得到更精確的飛機(jī)幾何估計位置。

5.2 飛機(jī)幾何位置一致性仿真驗證

RNP 類型選取RNP-1,即RNP 要求飛機(jī)在計劃航線周圍1 海里的空域內(nèi)飛行。假設(shè)飛機(jī)的飛行計劃為:在60 s 內(nèi),從設(shè)飛機(jī)在60 s 內(nèi),從初始位置(1 000 m,1 000 m,10 000 m)開始,以100、100、0 m/s 的初始速度,以5、5、0 m/s2的加速度做勻加速直線運(yùn)動。與此同時,干擾機(jī)從初始位置為(5 000 m,0 m,10 000 m)開始,以400、0、0 m/s 的速度勻速直線運(yùn)動。

當(dāng)干擾機(jī)產(chǎn)生并發(fā)射ADS-B 欺騙性干擾信號時,ADS-B 導(dǎo)航系統(tǒng)檢測到監(jiān)測飛機(jī)有兩組完全不同的飛行航跡(航跡1、航跡2)觀測值,此時通過卡爾曼濾波,飛機(jī)的飛行航跡如圖6 所示。

圖6 各觀測航跡飛機(jī)飛行航跡

因為ADS-B 導(dǎo)航系統(tǒng)可以根據(jù)飛機(jī)的ICAO地址獲取飛機(jī)的飛行計劃信息,因此可以通過計算獲得航跡1 和航跡2 的幾何位置相關(guān)函數(shù),計算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 各觀測航跡的飛機(jī)幾何位置局部相關(guān)函數(shù)

在60 s 的統(tǒng)計時間內(nèi),航跡1 的幾何位置全局相關(guān)函數(shù)ρ1(N)=1,表明該航跡滿足飛機(jī)幾何位置一致性要求。航跡2 的幾何位置全局相關(guān)函數(shù)ρ2(N)=0,表明該航跡不滿足飛機(jī)幾何位置一致性要求。

上述仿真表明,基于幾何相符的一致性驗證技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)一段航路中飛行器幾何軌跡與飛機(jī)導(dǎo)航性能不符合的目標(biāo),并隔離到具體的目標(biāo)上(S 模式地址),進(jìn)行虛假目標(biāo)的濾除。

6 結(jié)束語

本文在新一代防撞系統(tǒng)ACAS X 上,分析其存在的技術(shù)缺陷并指出了在擴(kuò)展混合監(jiān)視特性下可能被干擾欺騙的方式和手段以及對應(yīng)的優(yōu)化措施,使得最終符合要求的ADS-B 航跡產(chǎn)生準(zhǔn)確的交通告警。這為保障未來航空安全提供了一種有效的參考模型。

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