[发明专利]一种飞行器位置估计、欺骗检测的方法

权利要求书

1.一种飞行器位置估计、欺骗检测的方法，其特征在于包括报文接收模块、报文预处理模块、时间处理模块、定位模块、位置优化模块、位置欺骗检测模块；按顺序进行如下步骤：

步骤1：针对某个需要监控的空域，搭建由m个ADS-B报文接收器联网组成的报文接收网络，每个接收器中的报文接收模块负责接收空域中飞行器发送的ADS-B报文；报文预处理模块对接收到的ADS-B报文进行解码，并添加报文到达时间戳字段；

步骤2：时间处理模块使用接收器间的时间差异模型，得到同一报文在各个接收器间的一组到达时间差；

由步骤1可得，对于一对接收器A、B共同接收到的第i条ADS-B报文，A添加报文到达时间戳为B为其中，为A复位后设置的起始时刻，为计算得到的该报文到达A的时刻相对于起始时刻的时间偏移，B同理，则令：

其中，T₁是由步骤1中得到的报文到达时间戳计算出的第1条报文到达A、B两个接收器的到达时间差，T_i由步骤1中得到的报文到达时间戳计算出的第i条报文到达A、B两个接收器的到达时间差；

以A、B共同接收到的第1条报文到达时间差来修正后续接收的报文的到达时间差，消除初始得到的t_f值对时钟漂移拟合的影响，则有：

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两个接收器复位后初始时刻不同步带来的误差后得到的到达时间差；Tof_i为A、B共同收到第i条报文时的信号飞行时间差，d_B为飞行器广播该条报文时距B接收器的距离，d_A为飞行器广播该条报文时距A接收器的距离，C是报文传播速度，为光速；ΔT_i是接收器A、B接收到第i条报文时的时钟漂移误差；

然后对时钟漂移拟合，对接收器A、B复位后得到的一组时钟漂移误差(ΔT₂，ΔT₃...，ΔT_i，...，ΔT_n)进行拟合，得到接收器A、B间的时钟漂移误差随时间变化的函数ΔT＝F(t)，t是接收器从复位后到接收到第i条ADS-B报文经过的时间；

计算报文到达时间差，则第i条报文到达接收器A、B的报文到达时间差为：

其中，ΔT_i＝F(t)，t是接收器从复位后到接收到第i条ADS-B报文经过的时间；

所述步骤2过程可以通过对接收器进行周期性的硬件复位、软件复位、时间同步来避免接收器间时间漂移误差累积，实现到达时间误差的及时修正；

步骤3：定位模块利用步骤2中得到的一组到达时间差计算得到飞行器的位置估计值；

将经过步骤2得到的一组到达时间差与接收器编号及位置信息一一对应的样本数据划分成训练集和测试集，选择样本特征为：

[Tdoa₁，...Tdoa_i，...Tdoa_n，bra，Icao]

其中，

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

Tdoa_i，j表示该到达时间差是由编号为i和编号为j的接收器得到，若没有收到，则置零，bra为报文中的气压高度值，Icao为飞行器的唯一标识号；

输入为上述样本特征，以飞行器的位置信息(lat，lon，h)为标签，其中lat为飞行器位置的纬度值，lon为飞行器位置的经度值，h为飞行器位置的几何高度；构建机器学习模型，用训练集来训练模型得到某一飞行器的位置信息与一组报文到达时间差的关系模型S：

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

对于测试集，输入样本特征[Tdoa′₁，...Tdoa′_i，...Tdoa′_n，bra′，Icao′]，输出位置估计值(lat′，lon′，h′)；

步骤4：位置优化模块利用飞行器的动力学约束，对步骤3得到的位置估计值序列进行异常值去除、缺失点插值优化；

步骤4.1：按照飞行器唯一标识号或者航班号对所有位置估计值p_t＝(lat′，lon′，h′)进行划分，每架飞行器的轨迹用有限集上的离散函数f(t)来表示，其中t为报文到达时间处理模块的时间，函数值为t时刻飞行器的位置估计值p_t；

步骤4.2：对于每条轨迹上的位置估计值，首先去除离群值；去除离群值的方法为m倍标准差法，其过程为：对轨迹中的某一点来说，其位置信息主要由纬度、经度和高度组成，即(lat′，lon′，h′)，在划分好的航线数据集上，对这三项数据分别求取其均值(θ_lat，θ_lon，θ_h)和标准差(σ_lat，σ_lon，σ_h)；以lat′为例对每一维数据做判断：对其余两维数据根据不等式|lat′-θ_lat|＞mσ_lat做类似比较，若三维中任意一维满足该不等式，则认为该点属于离散点，将其去掉；其中，m属于可变参数，根据数据量以及轨迹特征调整；

步骤4.3：利用最小二乘或者最大似然的方法，用t作为自变量将每条轨迹分别拟合成一条m(m＝1，2，3...)次的函数，使轨迹函数化，将拟合结果表示为g(t)：

步骤4.4：用原始轨迹减去步骤4.3中得到的拟合结果g(t)，根据波动趋势，进行离群值处理，所用方法与步骤4.2一致，然后给数据加上g(t)，以此将轨迹还原；

步骤4.5：利用飞行器的动力学约束来去除轨迹中的异常数据点；

步骤4.6：在经过上述去除异常点的步骤后，剩余的轨迹点数量减少，轨迹点进行插值处理，补全飞行轨迹；

步骤4.7：对插值后的轨迹进行分段曲线拟合，使其更加符合飞行轨迹特征，得到最终的位置估计值；

步骤5：位置欺骗检测模块计算优化后的位置估计值与ADS-B报文中报告的位置间的距离，当距离值小于设定的阈值时，判断该条报文不存在位置欺骗，否则认为该报文报告的位置信息不可信。