基于GMap.NET的抗干擾ADS-B系統(tǒng)應(yīng)用

摘 要：由于廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B）自身缺陷，會(huì)面臨交織干擾和欺騙攻擊的威脅，造成用戶無法正確判斷目標(biāo)信息和錯(cuò)誤分析當(dāng)前空域態(tài)勢(shì)。基于陣列信號(hào)處理的空域解交織技術(shù)，以及測(cè)向和坐標(biāo)對(duì)比技術(shù)，保證了ADS-B系統(tǒng)在交織干擾和欺騙攻擊的情況下地正常工作。GMap.NET作為一款開源開發(fā)地圖控件，與抗干擾ADS-B系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)時(shí)收集交織干擾統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和展示方位信息，標(biāo)記欺騙攻擊目標(biāo)，并且提供多類型地圖展示、航跡顯示、歷史回放、圖層展示等功能，展示更直觀的空域飛行態(tài)勢(shì)和干擾態(tài)勢(shì)，輔助管制指揮員做出快速準(zhǔn)確的判斷和指令。

關(guān)鍵詞：ADS-B,GMap.NET,抗干擾

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于復(fù)雜環(huán)境的影響，會(huì)受到交織干擾和欺騙攻擊，使得接收到的信息不準(zhǔn)確。而抗干擾ADS-B^[1]系統(tǒng)通過引入陣列天線和對(duì)測(cè)量信號(hào)源位置的方法，有效的降低了交織干擾^[2-3]和欺騙干擾的對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)確性的影響。GMap.NET 是一款基于C# .Net 框架^[4]的跨平臺(tái)地圖開發(fā)控件，可以與抗干擾ADS-B 系統(tǒng)很好的結(jié)合，將所需的信息以圖形化、界面化的形式更直觀的展示出來，提示交織干擾的方位、記錄交織干擾數(shù)據(jù)、標(biāo)記欺騙攻擊假目標(biāo)、顯示目標(biāo)飛行器狀態(tài)和航跡、展示多類型地圖和輔助圖層、提供坐標(biāo)系以及歷史回放功能，幫助用戶更好的判斷目標(biāo)信息的準(zhǔn)確性和分析當(dāng)前空域態(tài)勢(shì)。本文將介紹抗干擾ADS-B 系統(tǒng)的特點(diǎn)和GMap.NET 的使用方法，將GMap.NET 應(yīng)用在抗干擾ADS-B 中。

1 抗干擾ADS-B系統(tǒng)

與傳統(tǒng)ADS-B 系統(tǒng)類似，抗干擾ADS-B 的系統(tǒng)，由ADS-B 天線、ADS-B 接收機(jī)與ADS-B 數(shù)據(jù)處理工作站共三大部分組成，最后到客戶端進(jìn)行信息顯示，如圖1 所示。

圖1

1.1 交織干擾^[5]

由于ADS-B 與空管的A、C、S 模式應(yīng)答信號(hào)都是工作在1 090 MHz 的頻段，調(diào)制方式同樣都是ASK，所以在相同空間中會(huì)受到多徑效應(yīng)的影響，可能會(huì)與其他同頻信號(hào)發(fā)生疊加碰撞，這樣就形成了交織干擾。而且由于在繁忙空域，隨著飛行器的增加，空管A、C、S模式應(yīng)答信號(hào)與ADS-B 信號(hào)的發(fā)生碰撞的概率也就增加了^[6-9]。由于ADS-B 的解碼是基于信號(hào)的幅度來提取數(shù)據(jù)，當(dāng)干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的幅度相差小于3 db 時(shí)，解碼算法會(huì)導(dǎo)致解碼失敗或錯(cuò)誤的情況，因此，通過引入陣列天線，將空域分波束覆蓋，以減少信號(hào)交織的概率，當(dāng)某個(gè)方位出現(xiàn)飽和干擾攻擊時(shí)，僅僅影響該方位的空域信號(hào)接收能力，而其余方位的信號(hào)仍能正常接收工作，并將干擾數(shù)據(jù)信息傳輸至客戶端。

1.2 欺騙攻擊^[10]

利用ADS-B 干擾源產(chǎn)生符合協(xié)議規(guī)定格式的ADS-B 的報(bào)文，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)虛假的目標(biāo)信號(hào)，如圖2 所示。此時(shí)地面站接收到虛假信息后，是可以正確解析出目標(biāo)的信息，這樣會(huì)導(dǎo)致用戶不能正確地分析和把控當(dāng)前環(huán)境下的真實(shí)空域態(tài)勢(shì)，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致用戶對(duì)當(dāng)前空域的飛行器進(jìn)行錯(cuò)誤的指揮和發(fā)出錯(cuò)誤的指令，擾亂正常的飛行秩序。因此地面站通過測(cè)量ADS-B 信號(hào)的發(fā)射源位置，與報(bào)告位置進(jìn)行對(duì)比，來鑒別目標(biāo)是否為欺騙攻擊。

2 GMap.NET介紹

GMap.NET^[11] 包含3 個(gè)程序集^[12]：

2.1 GMap.NET.Core

主要負(fù)責(zé)地圖顯示、操作、緩存等功能。主要包含地圖控制模塊的命名空間GMap.NET，該空間下的對(duì)象主要負(fù)責(zé)對(duì)地圖的控制操作，如放大縮小、模式選擇、地圖大小、坐標(biāo)控制等；地圖顯示模塊的命名空間GMap.NET.MapProviders，該空間下的對(duì)象負(fù)責(zé)對(duì)瓦片圖下載和顯示，本文對(duì)該空間下的基類進(jìn)行了修改和增加，所以支持很多國產(chǎn)公司地圖瓦片服務(wù)，如高德、天地圖、百度等；地圖緩存模塊的命名空間GMap.NET.CacheProviders，該空間下的對(duì)象主要負(fù)責(zé)控制SQLite將瓦片圖進(jìn)行緩存操作，用于離線時(shí)的地圖顯示工作，還可以用戶自定義區(qū)域下載對(duì)應(yīng)的地圖瓦片；地圖投影的命名空間GMap.NET.Projections，該空間下的對(duì)象負(fù)責(zé)對(duì)地圖進(jìn)行投影顯示，包含有墨卡托投影、簡易圓柱投影等常用投影方式。

2.2 GMap.NET.WindowsForms

主要是針對(duì).NET框架下的WindowsForm 開發(fā)使用，包含標(biāo)記對(duì)象GMapMarker，如果想自定義用戶需要的標(biāo)記或圖標(biāo)時(shí)，需要繼承該類，重寫OnRender 方法，使用Graphis 對(duì)象畫出需要的圖形作為標(biāo)記和圖標(biāo)；路徑對(duì)象GMapRoute，該對(duì)象可以使用線段等形式描述移動(dòng)目標(biāo)行徑過程；多邊形對(duì)象GMapPolygon，該對(duì)象可以展示一些封閉多邊形；圖層對(duì)象GMapOverlay，圖層對(duì)象是區(qū)別于最底層的MapProviders，在地圖顯示之上，可以放置標(biāo)記對(duì)象、路徑、多邊形對(duì)象等，一般會(huì)以不同的業(yè)務(wù)添加多個(gè)相對(duì)應(yīng)的圖層，用于放置不同的對(duì)象，便于管理。

2.3 GMap.NET.WindowsPresentationl

與WindowsForms 功能類似，提供了的是供WPF版本開發(fā)所需要的功能，由于WindowsForm 版本對(duì)于第三方插件支持良好，所以本文選擇使用WindowsForm開發(fā)。

繪制1 張信息完整的地圖^[13]， 如圖3 所示， 需要包括1 個(gè)最底層的地圖顯示控件顯示瓦片圖，由MapProviders 請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)或讀取緩存提供，有著拖動(dòng)、縮放、坐標(biāo)顯示等功能；在瓦片圖之上可以根據(jù)需求加入1 個(gè)或多個(gè)圖層(GMapOverlays)；在圖層之上，可以添加標(biāo)記(GMapMarker) 用于顯示一些圖標(biāo)、圖形，也可以在圖層上添加路徑(GMapRoute)，用于顯示和測(cè)量標(biāo)記移動(dòng)的過程，還可以添加多邊形(GMapPolygon)，用于顯示某一個(gè)范圍和多邊形展示。

圖3

3 抗干擾ADS-B系統(tǒng)在GMap.NET中的使用

3.1 抗干擾ADS-B數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)構(gòu)建

抗干擾ADS-B 的數(shù)據(jù)需要在GMap.NET 上的構(gòu)建基礎(chǔ)圖標(biāo)和基礎(chǔ)功能^[14-15]，來反映ADS-B 的信息，如圖4 所示。

圖4

3.1 地圖瓦片

繼承MapProvider 類，添加新的瓦片數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口，本文添加了很多國內(nèi)公司提供的瓦片數(shù)據(jù)，如高德、天地圖等，以顯示衛(wèi)星圖和地形圖，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景去選擇地圖顯示樣式，使得用戶可以在不同情況下把控當(dāng)前空域態(tài)勢(shì)。

3.1.2 方位羅盤

繼承GMapMarker類，重寫類中的OnRender方法，以目前ADS-B天線位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，使用Graphics 對(duì)象繪制方位羅盤，以方便觀察目標(biāo)位置。

3.1.3 目標(biāo)飛行器

與方位羅盤類似，繪制成飛機(jī)器圖標(biāo)，需要在客戶端中增加1 個(gè)后臺(tái)線程，用以解析從ADS-B系統(tǒng)接收到的CAT-021^[16] 報(bào)文，實(shí)時(shí)更新渲染目標(biāo)飛機(jī)的位置信息。飛行器圖標(biāo)帶有方向性和顯示信息提示條，用于顯示飛行器的位置、速度、方向，并且還會(huì)在信息條中顯示測(cè)量方位信息。

3.1.4 干擾扇形

從抗干擾ADS-B 系統(tǒng)接收到的測(cè)量方位信息，以扇形的方式告知用戶在某個(gè)方位出現(xiàn)了大量的干擾信號(hào)。

圖5

3.2 主要業(yè)務(wù)功能

抗干擾ADS-B 系統(tǒng)應(yīng)用在GMap.NET 上，客戶端會(huì)實(shí)時(shí)接收ADS-B 系統(tǒng)發(fā)送過來的信息，展示飛行器的飛行狀態(tài)，對(duì)交織干擾發(fā)生的方位發(fā)生的方位進(jìn)行收集并做處理，并且會(huì)自動(dòng)分析飛行器的測(cè)量方位用以判斷是否為欺騙攻擊；提供航跡展示、歷史回放、圖層展示等功能，輔助用戶定位飛行器位置，如圖5 所示。向的干擾時(shí)，方位羅盤上會(huì)以干擾扇形的形式提醒用戶在這個(gè)方位上的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)確性問題，并且將所有干擾方位數(shù)據(jù)以折線圖的方式，實(shí)時(shí)展示一定周期時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。

除了干擾方位數(shù)據(jù)之外，欺騙攻擊形成的虛假目標(biāo)也會(huì)干擾用戶對(duì)當(dāng)前目標(biāo)的判斷，所以在接收?qǐng)?bào)文中還加入了該目標(biāo)的測(cè)量方位角信息，對(duì)目標(biāo)信息解析時(shí)，會(huì)將ADS-B 報(bào)文的位置信息和信源測(cè)量的方位進(jìn)行對(duì)比，位置信息和測(cè)量的方位角度之差大于閾值后，就會(huì)判定該目標(biāo)是假目標(biāo)，圖標(biāo)會(huì)顯示為紅色提醒用戶。

3.2.2 目標(biāo)和干擾日志保存

客戶端在后臺(tái)開啟線程，以記錄過往目標(biāo)的信號(hào)接收時(shí)間、編號(hào)、速度、高度、測(cè)量方位的角度等等；將干擾數(shù)據(jù)大于閾值的方位，記錄發(fā)生的方位位置、時(shí)間以及干擾數(shù)量。

3.2.3 歷史回放

對(duì)于保存下來的目標(biāo)航跡日志進(jìn)行讀取和回放，展示歷史目標(biāo)飛行器的位置和狀態(tài)。

3.2.4 展示圖層功能

通過讀取和解析ShapeFile^[17] 和GeoJson^[18] 文件，使用GMapRoute 對(duì)象在需要的圖層(GMapOverlays) 中繪制相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)^[19]，加入地圖邊界、鐵路、飛機(jī)航線、河流、公路等，供用戶在特定的場(chǎng)景中使用。

3.2.5 相關(guān)配置項(xiàng)

連接設(shè)置，供接收ADS-B 系統(tǒng)解析出的CAT-021報(bào)文；方位羅盤設(shè)置，提供各精度和大小的羅盤，調(diào)整羅盤中心位置；目標(biāo)的顯示延遲設(shè)置，防止目標(biāo)因無法正常接收到信息時(shí)長時(shí)間不更新位置的情況；天線角度設(shè)置，實(shí)際中的天線會(huì)因?yàn)楦鞣N情況調(diào)整位置，軟件也提供配置項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語

GMap.NET 是一款功能強(qiáng)大且技術(shù)成熟的開源地圖控件。本文側(cè)重分析和講解了抗干擾ADS-B 系統(tǒng)在GMap.NET 中的應(yīng)用，為ADS-B 的抗干擾技術(shù)提供了圖形化和可視化的客戶端解決方案，支持目標(biāo)航跡顯示、目標(biāo)狀態(tài)顯示、干擾狀態(tài)顯示、假目標(biāo)識(shí)別、干擾數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)回放、展示圖層等功能，輔助用戶做出正確的空域態(tài)勢(shì)分析和航管指令。該軟件已成功在抗干擾ADS-B 系統(tǒng)和傳統(tǒng)ADS-B 系統(tǒng)中使用，具有較為廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和使用前景。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）