ADS-B安全问题研究综述

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2022.05.005

摘要/Abstract

摘要：

ADS-B作为下一代航空运输系统的核心正在成为雷达的替代品，它要求飞机定期广播其精确的地理位置，从而提高飞机的安全性。但ADS-B协议缺乏安全机制，使得ADS-B信号在传输过程中容易受到网络攻击，易造成信号干扰或缺失，严重威胁航空安全。综述了ADS-B国内外发展情况，在总结ADS-B存在的安全问题基础上分别分析了ADS-B传输过程、ADS-B硬件和软件、ADS-B数据3个维度，指出在人工智能技术领域，尤其是机器学习中的深度学习方法是该问题的解决途径之一。

关键词: ADS-B协议, 网络攻击, 信号干扰, 航空安全, 人工智能技术, 深度学习

Abstract:

As the core of the next-generation air transportation system， ADS-B is becoming a substitute for radar. It requires aircraft to broadcast its precise geographic location on a regular basis， thereby improving the safety of the aircraft. However， the ADS-B protocol lacks a security mechanism， which makes the ADS-B signal vulnerable to network attacks during transmission， causing signal interference or missing， and seriously threatening aviation safety. This article first reviews the development of ADS-B at home and abroad， and analyzes the three dimensions of ADS-B transmission process， ADS-B hardware and software， and ADS-B data on the basis of summarizing the security problems existing in the ADS-B. In the field of artificial intelligence technology， especially the deep learning method in machine learning is one of the ways to solve this problem.

Key words: automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B） protocol, network attack, signal interference, aviation safety, artificial intelligence technology, deep learning

中图分类号:

V328.3

暴佳伟, 田小平, 刘宇娜, 邹长宽, 张雨晴. ADS-B安全问题研究综述[J]. 现代防御技术, 2022, 50(5): 28-35.

Jia-wei BAO, Xiao-ping TIAN, Yu-na LIU, Chang-kuan ZOU, Yu-qing ZHANG. Summary of Research on Security Issues of ADS-B Protocol[J]. Modern Defense Technology, 2022, 50(5): 28-35.

图/表 7

参考文献 34

1	广播式自动相关监视［DB/OL］.维基百科［2021-11-03］..
	Broadcast-Type Automatic Correlation Monitoring［DB/OL］.Wikipedia［2021-11-03］..
2	STROHMEIER M， LENDERS V， MARTINOVIC I. On the Security of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast Protocol［J］. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2015， 17（2）： 1066-1087.
3	LEONARDI M， DI GREGORIO L， DI FAUSTO D. Air Traffic Security： Aircraft Classification Using ADS-B Message’s Phase-Pattern［J］. Aerospace， 2017， 4（4）： 51.
4	陈晖.简述ADS-B监视技术在国内外的发展现状［J］.民航管理，2015（11）：47-51.
	CHEN Hui. Briefly Describe the Development Status of ADS-B Surveillance Technology at Home and Abroad ［J］. Civil Aviation Management， 2015 （11）： 47-51.
5	刘宗福.广播式自动相关监控ADS-B系统的探究［J］.科技资讯，2020，18（30）：6-7，13.
	LIU Zong-fu. Research on ADS-B System of Automatic Related Monitoring by Broadcasting ［J］. Science and Technology Information， 2020， 18（30）： 6-7， 13.
6	王伟玮，涂榫.基于ADS-B和RTL-SDR的空中交通监视系统［J］.微型机与用，2016，35（17）：80-83.
	WANG Wei-wei， TU Sun. Air Traffic Surveillance System Based on ADS-B and RTL-SDR ［J］. Microcomputer and Application， 2016， 35（17）： 80-83.
7	张开智.ADS-B信号接入自动化系统的研究和优化［J］.无线互联科技，2021，18（16）：115-116.
	ZHANG Kai-zhi. Research and Optimization of ADS-B Signal Access Automation System ［J］. Wireless Internet Technology， 2021， 18（16）： 115-116.
8	许凡.ADS-B技术在我国通用航空中的发展与前景研究［J］.科技展望，2016，26（22）：154.
	XU Fan. The Development and Prospect of ADS-B Technology in General Aviation of Our Country［J］. Science and Technology Outlook， 2016， 26（22）：154.
9	刘燕. 1090ES广播式自动相关监视（ADS-B）的CPR算法研究［C］∥ 第一届空中交通管理系统技术学术年会论文集.中国指挥与控制学会，2018：6.
	LIU Yan. Research on CPR Algorithm of 1090ES Broadcast Automatic Dependent Surveillance （ADS-B）［C］∥ The First Annual Conference of Air Traffic Management System Technology.Chinese Command and Control Society， 2018： 6.
10	MANESH M R， KAABOUCH N. Analysis of Vulnerabilities， Attacks， Countermeasures and Overall Risk of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast （ADS-B） System［J］. International Journal of Critical Infrastructure Protection， 2017， 19： 16-31.
11	LEONARDI M， MAISANO M. Backward Compatible Physical Layer Protocol Evolution for ADS-B Message Authentication［J］. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 2020， 35（5）： 16-26.
12	冯孟，董昳辉，刘帅.ADS-B中一种基于身份的签名广播认证协议［J］.网络空间安全，2019，10（10）：23-28.
	FENG Meng， DONG Yi-hui， LIU Shuai. An Identity-Based Signature Broadcast Authentication Protocol in ADS-B ［J］. Cyberspace Security， 2019， 10（10）： 23-28.
13	ASARI A， ALAGHEBAND M R， BAYAT M，et al. A New Provable Hierarchical Anonymous Certificateless Authentication Protocol with Aggregate Verification in ADS-B Systems［J］. Computer Networks，2021，185：107599.
14	PAN W J， FENG Z L， WANG Y.ADS-B Data Authentication Based on ECC and X.509 Certificate［J］.Journal of Electronic Science and Technology，2012，10（1）：51-55.
15	YANG H， ZHOU Q， YAO M， et al. A Practical and Compatible Cryptographic Solution to ADS-B Security［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2019， 6（2）： 3322-3334.
16	舒涵智. 基于零中频的ADS-B系统测试设备硬件设计［D］.成都：电子科技大学，2020.
	SHU Han-zhi. Hardware Design of ADS-B System Test Equipment Based on Zero-IF ［D］. Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China， 2020.
17	NAGANAWA J， TAJIMA H， MIYAZAKI H， et al. ADS-B Anti-Spoofing Performance of Monopulse Technique with Sector Antennas［C］∥ Conference on Antenna Measurements &Applications （CAMA）， IEEE， 2017： 87-90.
18	王文益，陈庚，吴仁彪，等. 基于十字阵列的ADS-B 欺骗式干扰抑制方法：CN104360323A［P］. 2015.
	WANG Wen-yi， CHEN Geng， WU Ren-biao， et al. ADS-B Deceptive Interference Suppression Method Based on Cross Array： CN104360323A［P］. 2015.
19	黄龙，雍玲，徐博，等. 采用双天线载波相位差技术的卫星导航接收机抗欺骗方法［J］. 国防科技大学学报， 2016， 38（4）：103-106.
	HUANG Long， YONG Ling， XU Bo， et al. Anti-Spoofing Method of Satellite Navigation Receiver Using Dual Antenna Carrier Phase Difference Technology［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2016， 38（4）：103-106.
20	吴仁彪，张露露，胡铁乔.ADS-B自适应抗干扰接收机监控软件的设计实现［J］.中国民航大学学报，2020，38（1）：7-12.
	WU Ren-biao， ZHANG Lu-lu， HU Tie-qiao. Design and Implementation of ADS-B Adaptive Anti-Jamming Receiver Monitoring Software［J］. Journal of Civil Aviation University of China， 2020， 38（1）： 7-12.
21	胡铁乔，刘亮.ADS-B自适应干扰抑制接收机射频端的设计［J］.中国民航大学学报，2020，38（3）：1-7.
	HU Tie-qiao， LIU Liang. Design of the Radio Frequency End of ADS-B Adaptive Interference Suppression Receiver［J］. Journal of Civil Aviation University of China， 2020， 38（3）：1-7.
22	刘引川.基于北斗短报文的ADS-B发射器设计与验证［J］.电子测量与仪器学报，2019，33（11）：162-168.
	LIU Yin-chuan. Design and Verification of ADS-B Transmitter Based on Beidou Short Message［J］. Journal of Electronic Measurement and Instrument， 2019， 33（11）： 162-168.
23	LEONARDI M， Di Fausto D. ADS-B Signal Signature Extraction for Intrusion Detection in the Air Traffic Surveillance System［C］∥2018 26th European Signal Processing Conference （EUSIPCO）. Rome， Italy， 2018： 2564-2568.
24	李腾耀，王布宏，尚福特，等.ADS-B攻击数据弹性恢复方法［J］.电子与信息学报， 2020，42（10）： 2365-2373.
	LI Teng-yao， WANG Bu-hong， SHANG Fu-te， et al. ADS-B Attack Data Elastic Recovery Method［J］. Journal of Electronics and Information， 2020， 42（10）： 2365-2373.
25	王布宏，罗鹏，李腾耀，等.基于粒子群优化多核支持向量数据描述的广播式自动相关监视异常数据检测模型［J］.电子与信息学报，2020，42（11）： 2727-2734.
	WANG Bu-hong， LUO Peng， LI Teng-yao， et al. ADS-B Anomalous Data Detection Model Based on PSO-MKSVDD ［J］. Journal of Electronics and Information， 2020， 42（11 ）： 2727-2734.
26	严科，谢烨.基于深度学习的ADS-B辐射源个体识别［J］.信息技术，2021（2）：120-124，130.
	YAN Ke， XIE Ye. Individual Recognition of ADS-B Radiation Sources Based on Deep Learning ［J］. Information Technology，2021（2）：120-124，130.
27	KHAN S， THORN J， WAHLGREN A， et al. Intrusion Detection in Automatic Dependent Surveillance-Broadcast（ADS-B） with Machine Learning［C］∥2021 IEEE/AIAA 40th Digital Avionics Systems Conference （DASC）， 2021： 1-10.
28	王振昊，王布宏. 基于 SVDD 的 ADS-B 异常数据检测［J］. 河北大学学报（自然科学版） 2019， 39（3）： 323-329.
	WANG Zhen-hao， WANG Bu-hong. ADS-B Abnormal Data Detection Based on SVDD［J］. Journal of Hebei University（Natural Science Edition） 2019， 39（3）： 323-329.
29	官成功，高勇.基于生成对抗网络的ADS-B信号降噪［J］.通信技术，2021，54（3）：568-574.
	GUAN Cheng-gong， GAO Yong. ADS-B Signal Noise Reduction Based on Generative Confrontation Network ［J］. Communication Technology， 2021， 54（3）： 568-574.
30	WANG Er-shen， SONG Yuan-shang， XU Song，et al.ADS-B Anomaly Data Detection Model Based on Deep Learning and Difference of Gaussian Approach［J］.Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 37（4）： 550-561.
31	ZHANG B， ZHANG Q， LIU Y X， et al. Anomaly Data Detection for ADS-B Based on Zero-bias Inception Network［C］∥2021 IEEE International Conference on Signal Processing， Communications and Computing （ICSPCC）. IEEE， 2021： 1-6.
32	王文益，古亭亭.基于1DCNN-BiLSTM网络的ADS-B欺骗式干扰检测［J］.信号处理，2021，37（6）：984-990.
	WANG Wen-yi， GU Ting-ting. ADS-B Spoofing Interference Detection Based on 1DCNN-BiLSTM Network ［J］. Signal Processing，2021，37（6）：984-990.
33	WANG J， ZOU Y K， DING J L. ADS-B Spoofing Attack Detection Method Based on LSTM［J］. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2020（1）：1-12.
34	LUO P， WANG B， LI T， et al. ADS-B Anomaly Data Detection Model Based on VAE-SVDD［J］. Computers & Security， 2021， 104： 102213.

Bit 1-5	6-8	9-32	33-88	89-112
DF=17	CA	AA	ME字段（ADS-B消息）	PI
DF=18	CF=0	AA	ME字段（ADS-B消息）	PI
	CF=1	AA	ME字段（ADS-B消息）	PI
	CF=2-3	AA	ME字段（TIS-B消息）	PI
	CF=4		为TIS-B消息预留位	PI
	CF=5	AA	ME字段（TIS-B消息）	PI
	CF=6-7		预留位	PI
DF=19	AF=0	AA	ME字段（ADS-B消息）	PI
DF=19	AF=1-7		为军事应用预留位	PI

Bit 1-5	6-8	9-32	33-88	89-112
DF=17	CA	AA	ME字段（ADS-B消息）	PI
DF=18	CF=0	AA	ME字段（ADS-B消息）	PI
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	CF=2-3	AA	ME字段（TIS-B消息）	PI
	CF=4		为TIS-B消息预留位	PI
	CF=5	AA	ME字段（TIS-B消息）	PI
	CF=6-7		预留位	PI
DF=19	AF=0	AA	ME字段（ADS-B消息）	PI
DF=19	AF=1-7		为军事应用预留位	PI

类型	方法	要求	优点	缺点
ADS-B传输过程	加密	需要ADS-B 消息帧内有空间来存储加密数据或哈希值	对数据链路进行了保护	成本高，实施难度大
ADS-B硬件和软件	阵列天线改进	依赖地面站和其他实体	提高信号的检测强度	对天线质量和位置精度要求高，检测不稳定
ADS-B硬件和软件	接收系统改进	依赖接收装置	提高抗干扰能力	设备成本高，开发周期长
ADS-B数据	机器学习	需要处理过的数据集	有效识别异常出数据	不适用于大规模的数据集开发
ADS-B数据	深度学习	需要大量的数据集	开发时间少，提高了ADS-B异常信号检测效率	数据集的好快决定检测程度，计算成本高

类型	方法	要求	优点	缺点
ADS-B传输过程	加密	需要ADS-B 消息帧内有空间来存储加密数据或哈希值	对数据链路进行了保护	成本高，实施难度大
ADS-B硬件和软件	阵列天线改进	依赖地面站和其他实体	提高信号的检测强度	对天线质量和位置精度要求高，检测不稳定
ADS-B硬件和软件	接收系统改进	依赖接收装置	提高抗干扰能力	设备成本高，开发周期长
ADS-B数据	机器学习	需要处理过的数据集	有效识别异常出数据	不适用于大规模的数据集开发
ADS-B数据	深度学习	需要大量的数据集	开发时间少，提高了ADS-B异常信号检测效率	数据集的好快决定检测程度，计算成本高

[1]	李洋, 梁潇, 贾海萨. 基于知识蒸馏的SAR图像舰船目标检测[J]. 现代防御技术, 2023, 51(4): 78-85.
[2]	王斌, 王基策, 尚颖, 王晓菲, 温泉. 防空反导体系网络攻击效能评估与防御策略建议[J]. 现代防御技术, 2023, 51(3): 57-65.
[3]	姚保寅, 毛磊, 王智斌. 人工智能技术在航天装备领域应用探讨[J]. 现代防御技术, 2023, 51(2): 33-42.
[4]	岳磊, 袁建虎, 杨柳, 吕婷婷. 一种巡逻执勤目标检测算法研究[J]. 现代防御技术, 2023, 51(1): 67-74.
[5]	姚保寅, 毛磊, 肖柯, 曲徽. 人工智能技术在光学对地观测领域应用探讨[J]. 现代防御技术, 2021, 49(5): 26-31.
[6]	李欢, 刘欣璐. 智能雷在特种作战中的应用[J]. 现代防御技术, 2021, 49(2): 20-25.
[7]	王文庆, 庞颖, 刘洋, 杨东方, 张萌. 双重注意机制的空对地目标智能检测算法[J]. 现代防御技术, 2020, 48(6): 81-88.
[8]	王志虎, 沈小青, 桂伟龙. 光学成像小目标检测技术综述[J]. 现代防御技术, 2020, 48(5): 67-73.
[9]	汤润泽, 张承龙, 李林林. 人工智能在无人战场态势预判与博弈对抗中的应用[J]. 现代防御技术, 2020, 48(5): 25-31.
[10]	马新星, 滕克难, 侯学隆. 空袭主攻方向的卷积神经网络判断模型[J]. 现代防御技术, 2018, 46(5): 6-12.
[11]	丁爽, 尚朝轩, 韩壮志, 解辉. 连续波掩护信号技术研究[J]. 现代防御技术, 2018, 46(1): 190-194.