ADS-B及其GPS数据异常分析

Posted 2021-12-06 及时行樂_

paper：Analysis of anomalies in ADS-B and its GPS data

通过对比ADS-B数据及GPS数据来分析ADS-B系统存在的一些缺陷。

一、摘要

传统上，空中交通管理系统的监视部分是基于雷达的，雷达由两个独立的系统组成：主雷达和辅助雷达，这两个系统都可以测量飞机的距离和指向雷达站的方位。主雷达是基于地面站发射的信号，该信号仅被物体反射，并由地面接收器检测。二级雷达也发射信号，但依靠飞机上的应答器本身发射信号，信号由四位飞机标识（模式a）、飞机高度（模式C）和/或24位唯一地址（模式S）调制。二次雷达的典型精度为0级。射程为03纳米，射程为0。方位角为07°。但是，未提供职位完整性报告。预计未来空中交通密度将显著增加。为了维持或提高航空旅行效率，在保持安全的同时，将需要具有所需完整性的更准确的监控系统。

自动相关监视-广播（ADS-B）是一种新的航空监视系统，旨在克服雷达的局限性，提高监视性能，从而增加空域容量。然而，其对车载导航和通信系统等外部系统的高度依赖也增加了潜在故障点的数量。在系统能够可靠实施之前，了解并缓解这些故障模式非常重要。本研究是一项探索性研究，是ADS-B系统安全评估框架开发的一部分。回顾了ADS-B的故障模式、ADS-B及其相应车载GPS数据的收集和分析。该研究确定了某些飞机模型常见的一组故障，具有一致的错误模式。发现钥匙故障模式与车载GPS的导航数据相关。我们讨论已识别的故障模式，并调查这些故障的性质和原因。调查结果突出了当前ADS-B系统的一些缺陷，在ADS-B系统能够可靠实施之前，需要解决这些缺陷。

缩写
ADD 24-bit ICAO aircraft address 24位ICAO飞机地址
ADS-B Automatic dependent surveillance-broadcast 自动相关监视-广播
ATC Air traffic control 空中交通管制
ATM Air traffic management 空中交通管理
CPR Compact position reporting 紧凑位置报告
FL Flight level 飞行高度
FMS Flight management system 飞行管理系统
GALT Geometric altitude 几何高度
GS Ground speed 地面速度
GV Ground vector 地面矢量
HFOM Horizontal figure of merit 水平优值
HPE Horizontal position error 水平位置误差
HPL Horizontal protection level 水平防护等级
LAT Latitude 纬度
LONG Longitude 经度
NAC Navigational accuracy category 导航精度类别
NIC Navigational integrity category 导航完整性类别
NUC Navigational uncertainty category 导航不确定性类别
SAC System area code 系统区号
SIC System identification code 系统识别码
TA Track angle 航迹角
TID Target identification 目标识别
TOD Time of day 时间
TRD Target report descriptor 目标报告描述符

二、相关介绍

自动相关监视广播（ADS-B）系统是新一代监视系统。它由两个主要组件组成（图1）：ADS-B Out组件和ADS-B In组件，由传播介质连接。ADS-B Out组件基于飞机，是一个ADS-B发射器/ADS-B功能转发器，由一个与外部系统接口的消息生成单元和一个发射器组成。外部系统向信息生成单元提供飞机状态和轨迹意图信息，信息生成单元合并并编码这些数据。发射机使用当前使用的三种数据链路中的一种，定期向地面和覆盖区域内装备ADS-B的其他飞机广播该信息：S模式扩展型喷射器（1090ES）、通用接入收发器（UAT）和VDLMode 4，其中1090ES部署最为广泛，并得到了国际民航组织的支持。ADS-B In组件包括一个接收器、一个消息处理单元和一个监控数据处理系统，以及与外部应用程序的相关接口。该组件基于飞机。接收器从所有飞机捕获ADS-B消息，消息处理单元生成用于外部监视应用的消息。

因此，与依靠非合作独立方法进行监视的雷达不同，ADS-B是合作和依赖的。它结合了提供监视的通信要求，并依靠机载导航设备提供飞机位置信息。因此，监控、导航和通信功能之间存在着强烈的依赖性。

图2显示了说明数据源、元素和数据流的上下文图。机载全球导航卫星系统（GNSS）接收器向ADS-B发射器提供飞机位置、速度、位置精度指示器（水平优值，HFOM）和位置完整性指示器（水平防护等级，HPL）。它还将飞机位置传输给飞行管理系统（FMS）。飞行员将飞行呼号中的钥匙输入FMS或应答器控制面板，然后将其与其他相关信息（如飞机意图）一起传输到发射器。气压高度表提供飞行高度信息。发射器从全球导航卫星系统提供的HFOM值导出一个称为导航精度类别（NAC）的位置精度指示器。它还输出一个位置完整性指示器：导航不确定度类别（NUC）（适用于根据DO-260认证的ADS-B系统）或导航完整性类别（NIC）（适用于根据DO260B认证的ADS-B系统），由全球导航卫星系统的HPL值得出。然后将所有数据编码为ASTERIX category 21格式，并将其传输至ADS-B In组件。

ADS-B系统的每个部件都容易发生故障，为了确保安全，需要详细了解每个故障模式。作者的初步发现表明，不仅ADS-B Out组件存在异常，而且ADS-B Out组件的GPS数据也存在异常。各种研究，如澳大利亚航空服务公司（20072012）和美国联邦航空局（2013）对ADS-B系统的运行性能进行了调查。然而，迄今为止，尚未对失效模式进行详细研究。我们的工作通过对ADS-B系统误差进行更深入的研究，包括对车载GPS数据馈送的分析，解决了这一差距。下一节将介绍收集的数据，然后进行分析，最后在最后一节中得出结论。

数据

收集了两类数据：

• ADS-B地面站记录的监测数据（ASTERIX CAT021）
• 来自机载飞机导航系统（GPS）的导航数据

三、错误识别

• Specific errors 特定错误
  机载GPS数据中存在飞机和航空电子设备的特定错误。这些误差包括GPS时钟、定位信息更新间隔和位置跳跃。
• General errors 一般错误
  数据集中识别的一般错误在ADS-B消息中。这些包括丢失的飞行高度层数据、重复的信息、信息更新间隔中的异常值、位置跳跃以及ADS-B信息中包含的位置完整性指示器值中的错误。

四、结论

我们已经识别出ADS-B系统中的各种异常情况，包括机载GPS系统。研究发现，某些错误是特定于某些飞机品牌和型号的。例如，本研究中分析的所有B777-200表明了类似的位置跳跃模式。这一错误的具体原因仍在调查中。不太具体的错误包括缺少飞行高度层信息、重复的ADS-B消息、ADS-B消息更新间隔中的异常值以及位置完整性指示器错误。还发现ADS-B发射器在没有纠正错误的情况下放弃了位置跳跃。因此，在该时间点没有向用户提供飞机状态信息。这项研究的发现很重要，因为它们提供了ADS-B系统潜在不可靠性的证据。必须充分了解这些异常情况，并建立适当的监测和缓解机制，以确保ADS-B系统的可靠实施。