基于多维特征的ADS-B数据异常检测方法研究
发布时间：2021-07-31 01:18
广播式自动相关监视系统（ADS-B）具有精度高、覆盖范围大、支持数据共享和空中监视等优点,是下一代航空运输系统（NextGen）的关键组成部分。机载飞机上的ADS-B系统可以定期播放基于卫星的飞机位置和飞行识别信息,但由于ADS-B消息协议缺乏对消息发送方或地面系统进行身份验证,默认情况下不加密地广播数据,导致系统容易受到各种网络攻击,接收到虚假信息以及伪造或重复的数据。目前研究的主要应对策略是使用额外的参与节点或传感器通过分析物理信号验证飞机位置或通过修改当前协议结构以防止攻击,实施均有一定的难度。本文利用其报文更新快,时间关联性强的特点,从ADS-B数据角度出发提出了基于多维距离的ADS-B异常轨迹聚类检测方法。该方法根据1090MHz S模式报文的数据格式,选取飞行数据相关特征将ADS-B数据轨迹化;对Hausdorff距离公式进行改进,计算ADS-B轨迹数据的多维特征相似度,得到轨迹间的相似性矩阵;将多维Hausdorff距离应用到层次聚类算法中以替代原有的欧式距离公式,利用聚类方法识别轨迹中ADS-B数据的异常。实验证明,增加了轨迹点的运动、方向特征提高了ADS-B轨迹数据的...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
安全保护技术分类安全广播身份验证技术是通过认证机制来防止攻击的，认证机制分为物理层上的加
中国民航大学硕士学位论文10换主要发生在发射器，接收器和地面站这三个主要组成部分之间，并涉及到标准报文格式和传输协议。机载设备依靠GNSS可获取到飞机的实时状态，并向空中与地面站广播，使得地面站与其他飞机用户可以接收到并通过CDIT显示出来。图2.1为ADS-B数据流向关系图，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(精度质量因数，HFOM)和位置完整性指示器(水平保护标准，HPL)。飞行管理计算机(FMS)或应答器控制面板接收来自GNSS的飞机位置信息以及来自飞行员键入的飞行识别代码，并一同转发给ADS-B发射器。大气数据计算机向ADS-B发射器提供飞行高度信息。ADS-B发射器通过1090兆赫的数字信息链以每半秒一次的频率发射数据，其中包括24位ICAO编码、飞机位置，以及数据完好性指标(NUC、NIC、NUC、SIL)值等，专门的ADS-B地面站接收到发射的数据并将所有数据编码为Asterixcat021版本转发给空中交通管制系统的ADS-BIN组件[27-28]。图2.1ADS-B数据流向图2.2.2ADS-B数据链技术ADS-B信息传播依靠数据链技术，是ADS-B技术的关键。目前ADS-B主要采用两种数据链路：通用访问收发机(UAT)数据链和ModeS(S模式)数据链，UAT中ADS-B消息的有效载荷为272位，工作频率为978兆赫，支持FIS-B和TIS-B服务。由于UAT需要安装新的硬件，它目前只用于通用航空，而1090ES与传统的S模式应答机兼容，ADS-B的有效大小仅为56位，主要用于商用飞机。S模式是飞机的应答机的一种工作模式。应答机有若干种模式，如模式1,2,3/A,4,5,B,C,D和S模式，这些模式使用的都是
中国民航大学硕士学位论文11脉冲调制信号[29]。S模式的特点是给每架飞机设置了一个24bit的地址码，可以实现点名式的询问和应答。S模式的应答机配合二次监视雷达工作时，地面雷达对飞机发射询问信号，频率为1030MHz；飞机对地面发射应答信号，频率为1090MHz[30]。1090ES(1090MHzExtendedSquitter)数据链是最早开发的一种数据链，是基于S模式应答机上的一种集中报文格式，使用频率是1090MHz，ADS-B数据通过此链路以每0.5s的频率更新位置信息，飞机识别信息及ICAO编码每1s更新一次。相对于原有的S模式应答机，其可以提供传输速率为1Mb/s的宽带。原本S模式为56位只发送飞机的高度和编号信息，后来为了让飞机广播更多的信息，将ADS-B消息长度扩展到了112位，使得飞机可以广播24位比特码、位置、高度、速度等信息。因此，ADS-BModeS1090ES的意思是：使用ADS-B协议、物理层是S模式、ExtendedSquitter、工作在1090MHz频率。2.2.3ADS-B数据格式ADS-B信号将0、1脉冲直接调制在载波上。在1μs的时间内，脉冲在后半部分表示0，在前半部分表示1，也可以用01表示0,10表示1。一条完整的ADS-B消息长度是120μs，共有112bit数据位信息，由两部分组成：前导脉冲部分和数据脉冲部分，如图2.2所示。图2.2ADS-B消息结构前导脉冲位于开头的8μs，其作用是为后面数据块的解码提供信息到达时间和脉冲参考电平等参数，解码器根据这些参数进行数据块的解码并且判断出数据位的“0”和“1”取值，数据脉冲位于前导脉冲之后，数据块为112bit报文[31]。报文的各字段及其含义见表2.1。
本文编号：3312479
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
安全保护技术分类安全广播身份验证技术是通过认证机制来防止攻击的，认证机制分为物理层上的加
中国民航大学硕士学位论文10换主要发生在发射器，接收器和地面站这三个主要组成部分之间，并涉及到标准报文格式和传输协议。机载设备依靠GNSS可获取到飞机的实时状态，并向空中与地面站广播，使得地面站与其他飞机用户可以接收到并通过CDIT显示出来。图2.1为ADS-B数据流向关系图，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(精度质量因数，HFOM)和位置完整性指示器(水平保护标准，HPL)。飞行管理计算机(FMS)或应答器控制面板接收来自GNSS的飞机位置信息以及来自飞行员键入的飞行识别代码，并一同转发给ADS-B发射器。大气数据计算机向ADS-B发射器提供飞行高度信息。ADS-B发射器通过1090兆赫的数字信息链以每半秒一次的频率发射数据，其中包括24位ICAO编码、飞机位置，以及数据完好性指标(NUC、NIC、NUC、SIL)值等，专门的ADS-B地面站接收到发射的数据并将所有数据编码为Asterixcat021版本转发给空中交通管制系统的ADS-BIN组件[27-28]。图2.1ADS-B数据流向图2.2.2ADS-B数据链技术ADS-B信息传播依靠数据链技术，是ADS-B技术的关键。目前ADS-B主要采用两种数据链路：通用访问收发机(UAT)数据链和ModeS(S模式)数据链，UAT中ADS-B消息的有效载荷为272位，工作频率为978兆赫，支持FIS-B和TIS-B服务。由于UAT需要安装新的硬件，它目前只用于通用航空，而1090ES与传统的S模式应答机兼容，ADS-B的有效大小仅为56位，主要用于商用飞机。S模式是飞机的应答机的一种工作模式。应答机有若干种模式，如模式1,2,3/A,4,5,B,C,D和S模式，这些模式使用的都是
中国民航大学硕士学位论文11脉冲调制信号[29]。S模式的特点是给每架飞机设置了一个24bit的地址码，可以实现点名式的询问和应答。S模式的应答机配合二次监视雷达工作时，地面雷达对飞机发射询问信号，频率为1030MHz；飞机对地面发射应答信号，频率为1090MHz[30]。1090ES(1090MHzExtendedSquitter)数据链是最早开发的一种数据链，是基于S模式应答机上的一种集中报文格式，使用频率是1090MHz，ADS-B数据通过此链路以每0.5s的频率更新位置信息，飞机识别信息及ICAO编码每1s更新一次。相对于原有的S模式应答机，其可以提供传输速率为1Mb/s的宽带。原本S模式为56位只发送飞机的高度和编号信息，后来为了让飞机广播更多的信息，将ADS-B消息长度扩展到了112位，使得飞机可以广播24位比特码、位置、高度、速度等信息。因此，ADS-BModeS1090ES的意思是：使用ADS-B协议、物理层是S模式、ExtendedSquitter、工作在1090MHz频率。2.2.3ADS-B数据格式ADS-B信号将0、1脉冲直接调制在载波上。在1μs的时间内，脉冲在后半部分表示0，在前半部分表示1，也可以用01表示0,10表示1。一条完整的ADS-B消息长度是120μs，共有112bit数据位信息，由两部分组成：前导脉冲部分和数据脉冲部分，如图2.2所示。图2.2ADS-B消息结构前导脉冲位于开头的8μs，其作用是为后面数据块的解码提供信息到达时间和脉冲参考电平等参数，解码器根据这些参数进行数据块的解码并且判断出数据位的“0”和“1”取值，数据脉冲位于前导脉冲之后，数据块为112bit报文[31]。报文的各字段及其含义见表2.1。
本文编号：3312479
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