摘 要：由于廣播式自動相關監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B）自身缺陷，會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信息和錯誤分析當前空域態(tài)勢?；陉嚵行盘柼幚淼目沼蚪饨豢椉夹g，以及測向和坐標對比技術，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)相結合，實時收集交織干擾統(tǒng)計數(shù)據(jù)和展示方位信息，標記欺騙攻擊目標，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)勢和干擾態(tài)勢，輔助管制指揮員做出快速準確的判斷和指令。

關鍵詞：ADS-B,GMap.NET,抗干擾

廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）在實際運行過程中，由于復雜環(huán)境的影響，會受到交織干擾和欺騙攻擊，使得接收到的信息不準確。而抗干擾ADS-B^[1]系統(tǒng)通過引入陣列天線和對測量信號源位置的方法，有效的降低了交織干擾^[2-3]和欺騙干擾的對系統(tǒng)準確性的影響。GMap.NET 是一款基于C# .Net 框架^[4]的跨平臺地圖開發(fā)控件，可以與抗干擾ADS-B 系統(tǒng)很好的結合，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)、標記欺騙攻擊假目標、顯示目標飛行器狀態(tài)和航跡、展示多類型地圖和輔助圖層、提供坐標系以及歷史回放功能，幫助用戶更好的判斷目標信息的準確性和分析當前空域態(tài)勢。本文將介紹抗干擾ADS-B 系統(tǒng)的特點和GMap.NET 的使用方法，將GMap.NET 應用在抗干擾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 模式應答信號都是工作在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受到多徑效應的影響，可能會與其他同頻信號發(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模式應答信號與ADS-B 信號的發(fā)生碰撞的概率也就增加了^[6-9]。由于ADS-B 的解碼是基于信號的幅度來提取數(shù)據(jù)，當干擾信號與目標信號的幅度相差小于3 db 時，解碼算法會導致解碼失敗或錯誤的情況，因此，通過引入陣列天線，將空域分波束覆蓋，以減少信號交織的概率，當某個方位出現(xiàn)飽和干擾攻擊時，僅僅影響該方位的空域信號接收能力，而其余方位的信號仍能正常接收工作，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 的報文，這樣會產(chǎn)生一個虛假的目標信號，如圖2 所示。此時地面站接收到虛假信息后，是可以正確解析出目標的信息，這樣會導致用戶不能正確地分析和把控當前環(huán)境下的真實空域態(tài)勢，更嚴重的會導致用戶對當前空域的飛行器進行錯誤的指揮和發(fā)出錯誤的指令，擾亂正常的飛行秩序。因此地面站通過測量ADS-B 信號的發(fā)射源位置，與報告位置進行對比，來鑒別目標是否為欺騙攻擊。

2 GMap.NET介紹

GMap.NET^[11] 包含3 個程序集^[12]：

2.1 GMap.NET.Core

主要負責地圖顯示、操作、緩存等功能。主要包含地圖控制模塊的命名空間GMap.NET，該空間下的對象主要負責對地圖的控制操作，如放大縮小、模式選擇、地圖大小、坐標控制等；地圖顯示模塊的命名空間GMap.NET.MapProviders，該空間下的對象負責對瓦片圖下載和顯示，本文對該空間下的基類進行了修改和增加，所以支持很多國產(chǎn)公司地圖瓦片服務，如高德、天地圖、百度等；地圖緩存模塊的命名空間GMap.NET.CacheProviders，該空間下的對象主要負責控制SQLite將瓦片圖進行緩存操作，用于離線時的地圖顯示工作，還可以用戶自定義區(qū)域下載對應的地圖瓦片；地圖投影的命名空間GMap.NET.Projections，該空間下的對象負責對地圖進行投影顯示，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.NET框架下的WindowsForm 開發(fā)使用，包含標記對象GMapMarker，如果想自定義用戶需要的標記或圖標時，需要繼承該類，重寫OnRender 方法，使用Graphis 對象畫出需要的圖形作為標記和圖標；路徑對象GMapRoute，該對象可以使用線段等形式描述移動目標行徑過程；多邊形對象GMapPolygon，該對象可以展示一些封閉多邊形；圖層對象GMapOverlay，圖層對象是區(qū)別于最底層的MapProviders，在地圖顯示之上，可以放置標記對象、路徑、多邊形對象等，一般會以不同的業(yè)務添加多個相對應的圖層，用于放置不同的對象，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 個最底層的地圖顯示控件顯示瓦片圖，由MapProviders 請求網(wǎng)絡或讀取緩存提供，有著拖動、縮放、坐標顯示等功能；在瓦片圖之上可以根據(jù)需求加入1 個或多個圖層(GMapOverlays)；在圖層之上，可以添加標記(GMapMarker) 用于顯示一些圖標、圖形，也可以在圖層上添加路徑(GMapRoute)，用于顯示和測量標記移動的過程，還可以添加多邊形(GMapPolygon)，用于顯示某一個范圍和多邊形展示。

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)的基礎構建

抗干擾ADS-B 的數(shù)據(jù)需要在GMap.NET 上的構建基礎圖標和基礎功能^[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)不同的應用場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前空域態(tài)勢。

3.1.2 方位羅盤

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

3.1.3 目標飛行器

與方位羅盤類似，繪制成飛機器圖標，需要在客戶端中增加1 個后臺線程，用以解析從ADS-B系統(tǒng)接收到的CAT-021^[16] 報文，實時更新渲染目標飛機的位置信息。飛行器圖標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，并且還會在信息條中顯示測量方位信息。

3.1.4 干擾扇形

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

圖5

3.2 主要業(yè)務功能

抗干擾ADS-B 系統(tǒng)應用在GMap.NET 上，客戶端會實時接收ADS-B 系統(tǒng)發(fā)送過來的信息，展示飛行器的飛行狀態(tài)，對交織干擾發(fā)生的方位發(fā)生的方位進行收集并做處理，并且會自動分析飛行器的測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，方位羅盤上會以干擾扇形的形式提醒用戶在這個方位上的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)準確性問題，并且將所有干擾方位數(shù)據(jù)以折線圖的方式，實時展示一定周期時間內(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也會干擾用戶對當前目標的判斷，所以在接收報文中還加入了該目標的測量方位角信息，對目標信息解析時，會將ADS-B 報文的位置信息和信源測量的方位進行對比，位置信息和測量的方位角度之差大于閾值后，就會判定該目標是假目標，圖標會顯示為紅色提醒用戶。

3.2.2 目標和干擾日志保存

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

3.2.3 歷史回放

對于保存下來的目標航跡日志進行讀取和回放，展示歷史目標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 對象在需要的圖層(GMapOverlays) 中繪制相應的矢量數(shù)據(jù)^[19]，加入地圖邊界、鐵路、飛機航線、河流、公路等，供用戶在特定的場景中使用。

3.2.5 相關配置項

連接設置，供接收ADS-B 系統(tǒng)解析出的CAT-021報文；方位羅盤設置，提供各精度和大小的羅盤，調(diào)整羅盤中心位置；目標的顯示延遲設置，防止目標因無法正常接收到信息時長時間不更新位置的情況；天線角度設置，實際中的天線會因為各種情況調(diào)整位置，軟件也提供配置項進行調(diào)整。

4 結束語

GMap.NET 是一款功能強大且技術成熟的開源地圖控件。本文側重分析和講解了抗干擾ADS-B 系統(tǒng)在GMap.NET 中的應用，為ADS-B 的抗干擾技術提供了圖形化和可視化的客戶端解決方案，支持目標航跡顯示、目標狀態(tài)顯示、干擾狀態(tài)顯示、假目標識別、干擾數(shù)據(jù)實時顯示、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，具有較為廣泛應用領域和使用前景。

參考文獻：

[1] 李武旭,李君惠,李宏.采用陣列信號技術的ADS-B系統(tǒng)抗干擾研究[J].艦船電子工程,2022,42(8):74-80.

[2] 范志國.無人機智能化保障體系建設研究討論會文選編[C].北京:金盾出版社,2018:101-106.

[3] 張西山,連光耀,李會杰,等.智能化無人保障裝備發(fā)展及應用[J].國防科技,2020,41(2):10-14.

[4] 雷軍環(huán),鄧文達,劉霞.數(shù)據(jù)結構:C#語言版[M].北京:清華大學出版社,2009.

[5] 王文益,劉慎悅,盧丹,等. 基于穩(wěn)健協(xié)方差矩陣的ADS-B壓制式干擾抑制方法[P].天津市：CN109557561A,2019,4,2.

[6] 楊成,林琳.ADS-B數(shù)據(jù)鏈應用風險與對策研究[J].現(xiàn)代電子技術,2014,37(21):98-101.

[7] MARK A. R, MARK C. Can software defined radio be used to compromise ADS-B aircraft transponder signals[J]. Journal of Transportation Security, 2018,11(1-2):41-52.

[8] 趙立鵬,姚國國,禹永植,等.基于MUSIC的分布式極化敏感立體陣列 DOA 估計[J].航天電子對抗, 2020,36(6):11-17.

[9] MARTIN S, VINCENT L, IVAN M. On the security of the automatic dependent surveillance-broadcast protocol [J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials,2015,17(2):1066-1087.

[10] 楊成,林琳.ADS-B數(shù)據(jù)鏈應用風險與對策研究[J].現(xiàn)代電子技術,2014,37(21):98-101.

[11] 劉艷.基于GMAP.NET飛行在線地圖系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新導報,2013(14):222-224.

[12] 李嘉,趙恒.GMap.NET控件在飛行規(guī)劃軟件開發(fā)中的應用[C].2020(第九屆)民用飛機航電國際論壇文集,2020:223-237.

[13] 張佩,田澤,趙彬,等. 基于GMap.NET的無人機航跡規(guī)劃方法與應用[C].第十八屆中國航空測控技術年會論文集,2021:289-292.

[14] 梁志強.基于C#+GMap.NET實現(xiàn)營造林圖斑坐標獲取方法的研究[J].防護林科技,2018(5):67-71.

[15] 王富海,李偉峰.基于Gmap.NET的水下聲源爆炸標記與記錄系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].軟件工程,2017,20(6):17-20.

[16] 劉云豐,廖盈庭,劉書博.基于Python的Asterix Cat 021數(shù)據(jù)格式解析分析與實現(xiàn)[J].科技與創(chuàng)新,2019(14):46-47.

[17] 余揚文,黃曉艷,李麗.數(shù)據(jù)監(jiān)理機制在北京市土地調(diào)查項目中的應用[J].測繪技術裝備,2007(2):19-22.

[18] 王青松,王守營,王光輝.GeoJSON存儲OpenLayers要素圓的實用方法[J].中外企業(yè)家,2019(36):198-199.

[19] 鄧鍇. 基于GIS平臺二維地圖重建技術研究與開發(fā)[D].北京：北京工業(yè)大學,2018.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）