一种飞行器位置估计、欺骗检测的方法技术

本发明专利技术涉及一种飞行器位置估计、欺骗检测的方法，属于空域中飞行器监视和信息安全交叉技术领域。包括以下内容：报文接收模块负责接收空域中飞行器发送的ADS‑B报文；报文预处理模块对接收到的ADS‑B报文进行解码，并添加报文到达时间戳字段；时间处理模块使用接收器间的时间差异模型，得到同一报文在各个接收器间的一组到达时间差；定位模块利用一组到达时间差计算得到飞行器的位置估计值；位置优化模块利用飞行器的动力学约束，对位置估计值序列进行异常值去除、缺失点插值优化，得到最终的位置估计值；位置欺骗检测模块计算最终的位置估计值与ADS‑B报文中报告的位置间的距离，当距离值小于设定的阈值时，判断该条报文不存在位置欺骗，否则认为该报文报告的位置信息不可信。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器位置估计、欺骗检测的方法
本专利技术属于空域中飞行器监视和信息安全交叉
，主要涉及一种飞行器位置估计、欺骗检测的方法。
技术介绍
广播式自动相关监视技术(AutomaticDependentSurveillanceBroadcast,ADS-B)在下一代空中交通管制系统(NextGenATC)中的应用已经是一种必然，ADS-B技术可以降低空域监视成本、提高监视精度、缩短更新周期，但由于ADS-B技术所采用的广播式位置报告系统通信链路公开、明文广播传输等特点，加之软件无线电技术的快速发展和普及，潜在的攻击者借助廉价的标准硬件产品，很容易做到记录和分析未加密的ADS-B消息，甚至控制无线通信信道，注入、删除和修改任何ADS-B消息，这些攻击方式将产生虚假或错误的ADS-B数据和位置信息，误导其他飞行器和地面监视系统，造成空中交通管制网络混乱和灾难性的事故。针对空域中飞行器的位置安全问题，主要的解决方案是位置与轨迹安全验证，即识别和验证ADS-B设备实体声称的位置或轨迹是否属实，采用多种传感器信息融合处理技术获取目标位置信息，判断是否存在位置欺骗；常用的方法有到达时间的多点定位，到达角定位，到达频率差定位等技术来检测位置欺骗，这些方法都是需要特定设备或者成本非常昂贵的设备才能够实现，并且能够定位的区域覆盖率很小。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足，本专利技术提出一种兼容性强、覆盖范围广、定位精度高的位置估计、欺骗检测方法。技术方案一种飞行器位置估计的方法，包括报文接收模块、报文预处理模块、时间处理模块、定位模块、位置优化模块；按顺序进行如下步骤：步骤1：针对某个需要监控的空域，搭建由m个ADS-B报文接收器联网组成的报文接收网络，每个接收器中的报文接收模块负责接收空域中飞行器发送的ADS-B报文；报文预处理模块对接收到的ADS-B报文进行解码，并添加报文到达时间戳字段；步骤2：时间处理模块使用接收器间的时间差异模型，得到同一报文在各个接收器间的一组到达时间差；步骤3：定位模块利用步骤2中得到的一组到达时间差计算得到飞行器的位置估计值；步骤4：位置优化模块利用飞行器的动力学约束，对步骤3得到的位置估计值序列进行异常值去除、缺失点插值优化，得到最终的位置估计值。本专利技术进一步的技术方案为：步骤1中所述的ADS-B报文接收器可以不具备时钟同步功能。本专利技术进一步的技术方案为：步骤1中所述的报文到达时间戳的获取方法具体为：接收器复位后，在接收到第一个数据块时，获取此时刻接收器的本地时间作为起始时刻tf；对采样得到的每个数据块进行编号，根据一条报文所在的数据块序列编号n、接收器的采样率s、数据块长度l、报文前导码在数据块中的位置p，计算得到该报文到达接收器时相对于起始时刻的时间偏移：然后计算ADS-B原始报文中m个脉冲相对于前导码的时间偏移量τ(τ1，τ2，......τm)；按照ADS-B报文编码规范，对解码后的ADS-B报文进行重新编码，计算重新编码的ADS-B报文中m个脉冲相对于前导码的时间偏移量τ′(τ′1，τ′2，......τ′m)；计算原始报文与重编码后报文中每个脉冲的时间偏移差：计算得到报文的到达时间戳：本专利技术进一步的技术方案为：步骤2中一对接收器间的报文到达时间差具体计算步骤如下：由步骤1可得，对于一对接收器A、B共同接收到的第i条ADS-B报文，A添加报文到达时间戳为B为其中，为A复位后设置的起始时刻，为计算得到的该报文到达A的时刻相对于起始时刻的时间偏移，B同理，则令：其中，T1是由步骤1中得到的报文到达时间戳计算出的第1条报文到达A、B两个接收器的到达时间差，Ti由步骤1中得到的报文到达时间戳计算出的第i条报文到达A、B两个接收器的到达时间差；以A、B共同接收到的第1条报文到达时间差来修正后续接收的报文的到达时间差，消除初始得到的tf值对时钟漂移拟合的影响，则有：Ti′＝Ti-(T1-Tof1)(6)ΔTi＝Ti′-Tofi(i＝2，3，...n)(7)其中，Ti′是去除A、B两个接收器复位后初始时刻不同步带来的误差后得到的到达时间差；Tofi为A、B共同收到第i条报文时的信号飞行时间差，dB为飞行器广播该条报文时距B接收器的距离，dA为飞行器广播该条报文时距A接收器的距离，C是报文传播速度，为光速；ΔTi是接收器A、B接收到第i条报文时的时钟漂移误差；然后对时钟漂移拟合，对接收器A、B复位后得到的一组时钟漂移误差(ΔT2，ΔT3...，ΔTi，...，ΔTn)进行拟合，得到接收器A、B间的时钟漂移误差随时间变化的函数ΔT＝F(t)，t是接收器从复位后到接收到第i条ADS-B报文经过的时间；计算报文到达时间差，则第i条报文到达接收器A、B的报文到达时间差为：其中，ΔTi＝F(t)，t是接收器从复位后到接收到第i条ADS-B报文经过的时间；上述过程可以通过对接收器进行周期性的硬件复位、软件复位、时间同步来避免接收器间时间漂移误差累积，实现到达时间误差的及时修正。本专利技术进一步的技术方案为：步骤3中的基于到达时间差的定位算法为基于机器学习的定位算法，具体如下：将经过步骤2得到的一组到达时间差与接收器编号及位置信息一一对应的样本数据划分成训练集和测试集，选择样本特征为：[Tdoa1，...Tdoai，...Tdoan，bra，Icao]其中，Tdoai＝(Tdoai，1，...Tdoai，j，...Tdoai，m)Tdoai，j表示该到达时间差是由编号为i和编号为j的接收器得到，若没有收到，则置零，bra为报文中的气压高度值，Icao为飞行器的唯一标识号；输入为上述样本特征，飞行器的位置信息(lat，lon，h)为标签，其中lat为飞行器位置的纬度值，lon为飞行器位置的经度值，h为飞行器位置的几何高度；构建机器学习模型，用训练集来训练模型得到某一飞行器的位置信息与一组报文到达时间差的关系模型S：(lat，lon，h)＝S[Tdoa1，...Tdoai，...Tdoan，bra，Icao](9)对于测试集，输入样本特征[Tdoa′1，...Tdoa′i，...Tdoa′n，bra′，Icao′]，输出位置估计值(lat′，lon′，h′)。本专利技术进一步的技术方案为：步骤4中位置优化模块中的优化方法具体如下：步骤4.1：按照飞行器唯一标识号或航班号对所有位置估计值pt＝(lat′，lon′，h′)进行划分，每架飞行器的轨迹用有限集上的离散函数f(t)来表示，其中t为报文到达时间处理模块的时间，函数值为t时刻飞行器的位置估计值pt；步骤4.2：对于每条轨迹上的位置估计值，首先去除离群值；去除离群值的方法为m倍标准差法，其过程为：对轨迹中的某一点来说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器位置估计的方法，其特征在于包括报文接收模块、报文预处理模块、时间处理模块、定位模块、位置优化模块；按顺序进行如下步骤：/n步骤1：针对某个需要监控的空域，搭建由m个ADS-B报文接收器联网组成的报文接收网络，每个接收器中的报文接收模块负责接收空域中飞行器发送的ADS-B报文；报文预处理模块对接收到的ADS-B报文进行解码，并添加报文到达时间戳字段；/n步骤2：时间处理模块使用接收器间的时间差异模型，得到同一报文在各个接收器间的一组到达时间差；/n步骤3：定位模块利用步骤2中得到的一组到达时间差计算得到飞行器的位置估计值；/n步骤4：位置优化模块利用飞行器的动力学约束，对步骤3得到的位置估计值序列进行异常值去除、缺失点插值优化，得到最终的位置估计值。/n

【技术特征摘要】
1.一种飞行器位置估计的方法，其特征在于包括报文接收模块、报文预处理模块、时间处理模块、定位模块、位置优化模块；按顺序进行如下步骤：
步骤1：针对某个需要监控的空域，搭建由m个ADS-B报文接收器联网组成的报文接收网络，每个接收器中的报文接收模块负责接收空域中飞行器发送的ADS-B报文；报文预处理模块对接收到的ADS-B报文进行解码，并添加报文到达时间戳字段；
步骤2：时间处理模块使用接收器间的时间差异模型，得到同一报文在各个接收器间的一组到达时间差；
步骤3：定位模块利用步骤2中得到的一组到达时间差计算得到飞行器的位置估计值；
步骤4：位置优化模块利用飞行器的动力学约束，对步骤3得到的位置估计值序列进行异常值去除、缺失点插值优化，得到最终的位置估计值。


2.根据权利要求1所述的一种飞行器位置估计的方法，其特征在于步骤1中所述的ADS-B报文接收器可以不具备时钟同步功能。


3.根据权利要求1所述的一种飞行器位置估计的方法，其特征在于步骤1中所述的报文到达时间戳的获取方法具体为：
接收器复位后，在接收到第一个数据块时，获取此时刻接收器的本地时间作为起始时刻tf；
对采样得到的每个数据块进行编号，根据一条报文所在的数据块序列编号n、接收器的采样率s、数据块长度l、报文前导码在数据块中的位置p，计算得到该报文到达接收器时相对于起始时刻的时间偏移：



然后计算ADS-B原始报文中m个脉冲相对于前导码的时间偏移量τ(τ1,τ2,……τm)；
按照ADS-B报文编码规范，对解码后的ADS-B报文进行重新编码，计算重新编码的ADS-B报文中m个脉冲相对于前导码的时间偏移量τ′(τ′1,τ′2,……τ′m)；
计算原始报文与重编码后报文中每个脉冲的时间偏移差：



计算得到报文的到达时间戳：





4.根据权利要求1所述的一种飞行器位置估计的方法，其特征在于步骤2中一对接收器间的报文到达时间差具体计算步骤如下：
由步骤1可得，对于一对接收器A、B共同接收到的第i条ADS-B报文，A添加报文到达时间戳为B为其中，为A复位后设置的起始时刻，为计算得到的该报文到达A的时刻相对于起始时刻的时间偏移，B同理，则令：






其中，T1是由步骤1中得到的报文到达时间戳计算出的第1条报文到达A、B两个接收器的到达时间差，Ti由步骤1中得到的报文到达时间戳计算出的第i条报文到达A、B两个接收器的到达时间差；
以A、B共同接收到的第1条报文到达时间差来修正后续接收的报文的到达时间差，消除初始得到的tf值对时钟漂移拟合的影响，则有：
Ti′＝Ti-(T1-Tof1)(6)
ΔTi＝Ti′-Tofi(i＝2,3,…n)(7)
其中，Ti′是去除A、B两个接收器复位后初始时刻不同步带来的误差后得到的到达时间差；Tofi为A、B共同收到第i条报文时的信号飞行时间差，dB为飞行器广播该条报文时距B接收器的距离，dA为飞行器广播该条报文时距A接收器的距离，C是报文传播速度，为光速；ΔTi是接收器A、B接收到第i条报文时的时钟漂移误差；
然后对时钟漂移拟合，对接收器A、B复位后得到的一组时钟漂移误差(ΔT2,ΔT3…,ΔTi,…,ΔTn)进行拟合，得到接收器A、B间的时钟漂移误差随时间变化的函数ΔT＝F(t)，t是接收器从复位后到接收到第i条ADS-B报文经过的时间；
计算报文到达时间差，则第i条报文到达接收器A、B的报文到达时间差为：



其中，ΔTi＝F(t)，t是接收器从复位后到接收到第i条ADS-B报文经过的时间；
上述过程可以通过对接收器进行周期性的硬件复位、软件复位、时间同步来避免接收器间时间漂移误差累积，实现到达时间误差的及时修正。


5.根据权利要求1所述的一种飞行器位置估计的方法，其特征在于步骤3中的基于到达时间差的定位算法为基于机器学习的定位算法，具体如下：
将经过步骤2得到的一组到达时间差与接收器编号及位置信息一一对应的样本数据划分成训练集和测试集，选择样本特征为：
[Tdoa1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘航，欧阳云飞，刘长卫，张瑞峰，姚艺天，费泽民，郭达伟，费泓铭，李晖晖，
申请(专利权)人：西北工业大学，中国人民解放军空军研究院航空兵研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61