[發(fā)明專利]一種飛行器位置估計(jì)、欺騙檢測(cè)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110463612.4
• 申請(qǐng)日: 2021-04-25
• 公開（公告）號(hào): CN113301508B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉航;歐陽(yáng)云飛;劉長(zhǎng)衛(wèi);張瑞峰;姚藝天;費(fèi)澤民;郭達(dá)偉;費(fèi)泓銘;李暉暉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué);中國(guó)人民解放軍空軍研究院航空兵研究所
• 主分類號(hào): H04W4/029
• 分類號(hào): H04W4/029;H04W64/00;H04W12/63;G06N20/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

1.一種飛行器位置估計(jì)、欺騙檢測(cè)的方法，其特征在于包括報(bào)文接收模塊、報(bào)文預(yù)處理模塊、時(shí)間處理模塊、定位模塊、位置優(yōu)化模塊、位置欺騙檢測(cè)模塊；按順序進(jìn)行如下步驟：

步驟1：針對(duì)某個(gè)需要監(jiān)控的空域，搭建由m個(gè)ADS-B報(bào)文接收器聯(lián)網(wǎng)組成的報(bào)文接收網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)接收器中的報(bào)文接收模塊負(fù)責(zé)接收空域中飛行器發(fā)送的ADS-B報(bào)文；報(bào)文預(yù)處理模塊對(duì)接收到的ADS-B報(bào)文進(jìn)行解碼，并添加報(bào)文到達(dá)時(shí)間戳字段；

步驟2：時(shí)間處理模塊使用接收器間的時(shí)間差異模型，得到同一報(bào)文在各個(gè)接收器間的一組到達(dá)時(shí)間差；

由步驟1可得，對(duì)于一對(duì)接收器A、B共同接收到的第i條ADS-B報(bào)文，A添加報(bào)文到達(dá)時(shí)間戳為B為其中，為A復(fù)位后設(shè)置的起始時(shí)刻，為計(jì)算得到的該報(bào)文到達(dá)A的時(shí)刻相對(duì)于起始時(shí)刻的時(shí)間偏移，B同理，則令：

其中，T₁是由步驟1中得到的報(bào)文到達(dá)時(shí)間戳計(jì)算出的第1條報(bào)文到達(dá)A、B兩個(gè)接收器的到達(dá)時(shí)間差，T_i由步驟1中得到的報(bào)文到達(dá)時(shí)間戳計(jì)算出的第i條報(bào)文到達(dá)A、B兩個(gè)接收器的到達(dá)時(shí)間差；

以A、B共同接收到的第1條報(bào)文到達(dá)時(shí)間差來(lái)修正后續(xù)接收的報(bào)文的到達(dá)時(shí)間差，消除初始得到的t_f值對(duì)時(shí)鐘漂移擬合的影響，則有：

T_i′＝T_i-(T₁-Tof₁)# (6)

ΔT_i＝T_i′-Tof_i(i＝2，3，...n)# (7)

其中，T_i′是去除A、B兩個(gè)接收器復(fù)位后初始時(shí)刻不同步帶來(lái)的誤差后得到的到達(dá)時(shí)間差；Tof_i為A、B共同收到第i條報(bào)文時(shí)的信號(hào)飛行時(shí)間差，d_B為飛行器廣播該條報(bào)文時(shí)距B接收器的距離，d_A為飛行器廣播該條報(bào)文時(shí)距A接收器的距離，C是報(bào)文傳播速度，為光速；ΔT_i是接收器A、B接收到第i條報(bào)文時(shí)的時(shí)鐘漂移誤差；

然后對(duì)時(shí)鐘漂移擬合，對(duì)接收器A、B復(fù)位后得到的一組時(shí)鐘漂移誤差(ΔT₂，ΔT₃...，ΔT_i，...，ΔT_n)進(jìn)行擬合，得到接收器A、B間的時(shí)鐘漂移誤差隨時(shí)間變化的函數(shù)ΔT＝F(t)，t是接收器從復(fù)位后到接收到第i條ADS-B報(bào)文經(jīng)過(guò)的時(shí)間；

計(jì)算報(bào)文到達(dá)時(shí)間差，則第i條報(bào)文到達(dá)接收器A、B的報(bào)文到達(dá)時(shí)間差為：

其中，ΔT_i＝F(t)，t是接收器從復(fù)位后到接收到第i條ADS-B報(bào)文經(jīng)過(guò)的時(shí)間；

所述步驟2過(guò)程可以通過(guò)對(duì)接收器進(jìn)行周期性的硬件復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)間同步來(lái)避免接收器間時(shí)間漂移誤差累積，實(shí)現(xiàn)到達(dá)時(shí)間誤差的及時(shí)修正；

步驟3：定位模塊利用步驟2中得到的一組到達(dá)時(shí)間差計(jì)算得到飛行器的位置估計(jì)值；

將經(jīng)過(guò)步驟2得到的一組到達(dá)時(shí)間差與接收器編號(hào)及位置信息一一對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)劃分成訓(xùn)練集和測(cè)試集，選擇樣本特征為：

[Tdoa₁，...Tdoa_i，...Tdoa_n，bra，Icao]

其中，

Tdoa_i＝(Tdoa_i，1，...Tdoa_i，j，...Tdoa_i，m)

Tdoa_i，j表示該到達(dá)時(shí)間差是由編號(hào)為i和編號(hào)為j的接收器得到，若沒(méi)有收到，則置零，bra為報(bào)文中的氣壓高度值，Icao為飛行器的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)；

輸入為上述樣本特征，以飛行器的位置信息(lat，lon，h)為標(biāo)簽，其中l(wèi)at為飛行器位置的緯度值，lon為飛行器位置的經(jīng)度值，h為飛行器位置的幾何高度；構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用訓(xùn)練集來(lái)訓(xùn)練模型得到某一飛行器的位置信息與一組報(bào)文到達(dá)時(shí)間差的關(guān)系模型S：

(lat，lon，h)＝S[Tdoa₁，...Tdoa_i，...Tdoa_n，bra，Icao]# (9)

對(duì)于測(cè)試集，輸入樣本特征[Tdoa′₁，...Tdoa′_i，...Tdoa′_n，bra′，Icao′]，輸出位置估計(jì)值(lat′，lon′，h′)；

步驟4：位置優(yōu)化模塊利用飛行器的動(dòng)力學(xué)約束，對(duì)步驟3得到的位置估計(jì)值序列進(jìn)行異常值去除、缺失點(diǎn)插值優(yōu)化；

步驟4.1：按照飛行器唯一標(biāo)識(shí)號(hào)或者航班號(hào)對(duì)所有位置估計(jì)值p_t＝(lat′，lon′，h′)進(jìn)行劃分，每架飛行器的軌跡用有限集上的離散函數(shù)f(t)來(lái)表示，其中t為報(bào)文到達(dá)時(shí)間處理模塊的時(shí)間，函數(shù)值為t時(shí)刻飛行器的位置估計(jì)值p_t；

步驟4.2：對(duì)于每條軌跡上的位置估計(jì)值，首先去除離群值；去除離群值的方法為m倍標(biāo)準(zhǔn)差法，其過(guò)程為：對(duì)軌跡中的某一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其位置信息主要由緯度、經(jīng)度和高度組成，即(lat′，lon′，h′)，在劃分好的航線數(shù)據(jù)集上，對(duì)這三項(xiàng)數(shù)據(jù)分別求取其均值(θ_lat，θ_lon，θ_h)和標(biāo)準(zhǔn)差(σ_lat，σ_lon，σ_h)；以lat′為例對(duì)每一維數(shù)據(jù)做判斷：對(duì)其余兩維數(shù)據(jù)根據(jù)不等式|lat′-θ_lat|＞mσ_lat做類似比較，若三維中任意一維滿足該不等式，則認(rèn)為該點(diǎn)屬于離散點(diǎn)，將其去掉；其中，m屬于可變參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)量以及軌跡特征調(diào)整；

步驟4.3：利用最小二乘或者最大似然的方法，用t作為自變量將每條軌跡分別擬合成一條m(m＝1，2，3...)次的函數(shù)，使軌跡函數(shù)化，將擬合結(jié)果表示為g(t)：

步驟4.4：用原始軌跡減去步驟4.3中得到的擬合結(jié)果g(t)，根據(jù)波動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)行離群值處理，所用方法與步驟4.2一致，然后給數(shù)據(jù)加上g(t)，以此將軌跡還原；

步驟4.5：利用飛行器的動(dòng)力學(xué)約束來(lái)去除軌跡中的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；

步驟4.6：在經(jīng)過(guò)上述去除異常點(diǎn)的步驟后，剩余的軌跡點(diǎn)數(shù)量減少，軌跡點(diǎn)進(jìn)行插值處理，補(bǔ)全飛行軌跡；

步驟4.7：對(duì)插值后的軌跡進(jìn)行分段曲線擬合，使其更加符合飛行軌跡特征，得到最終的位置估計(jì)值；

步驟5：位置欺騙檢測(cè)模塊計(jì)算優(yōu)化后的位置估計(jì)值與ADS-B報(bào)文中報(bào)告的位置間的距離，當(dāng)距離值小于設(shè)定的閾值時(shí)，判斷該條報(bào)文不存在位置欺騙，否則認(rèn)為該報(bào)文報(bào)告的位置信息不可信。