减轻全球导航卫星系统(GNSS)干扰和欺骗的影响

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据报道，去年12月，一架阿塞拜疆航空的Embraer 190飞机坠毁，在接近格罗兹尼目的地时被一枚爆炸的防空导弹碎片击中，这可能是第一起涉及GPS干扰的民用航空事故。虽然当时当地正在进行针对无人机的GPS干扰，但尚不清楚这是否导致了事故的发生。然而，在飞行员面临极度紧张的情况下，导航信号的阻断显然没有帮助。不幸的是，两名飞行员、一名乘务员和35名乘客全部遇难。

全球导航卫星系统（GNSS）信号的干扰和欺骗仍然是一个严重的问题，尽管目前似乎仅限于冲突地区，但它可能发生在任何使用GNSS进行导航的飞机上。GPS是GNSS的一种，其他系统还包括俄罗斯的格洛纳斯（Glonass）、中国的北斗（Beidou）和欧洲的伽利略（Galileo）。

欺骗是指地面设备通过传输信号使GNSS接收器计算出错误的位置，导致飞机显示的位置与实际位置不符，并可能使导航系统将飞机引导偏离预定航线。干扰则是阻断GNSS信号的接收，使接收器在干扰停止或飞机离开干扰区域之前无法正常工作。

根据美国联邦航空管理局（FAA）去年初的一份报告，欺骗和干扰的问题不仅影响飞机的导航能力，还会影响依赖精确GNSS信号的设备。欺骗和干扰还可能损害通信系统，包括卫星通信（satcom）和控制器-飞行员数据链通信（CPDLC）；ADS-B和ADS-C监视系统；地形感知和警告系统（TAWS）以及增强型近地警告系统（EGPWS）；自动驾驶系统；以及支持设备，如电子飞行包或平板应用程序。飞行员报告了自动驾驶故障、虚假的EGPWS和TAWS警告，以及其他异常的航空电子设备行为，如由于干扰和欺骗导致的时钟变化。

L3Harris飞行数据分析公司一直在研究干扰和欺骗活动，此前航空公司和公务航空客户提出了他们在飞行数据记录器（FDR）中捕获的飞行信息异常变化的问题。

L3Harris飞行数据分析公司总经理Mitesh Patel解释说：“基于他们的飞行计划，我们开始帮助他们理解这些问题的潜在原因。我们的角色是分析从飞机上获取的飞行数据，将其与飞行员的报告相关联，然后尝试理解任何异常事件，任何可能危及飞行安全的情况，以帮助航空公司改进他们的安全管理流程。”

L3Harris的客户包括航空公司和公务航空运营商，如Luxaviation。航空公司的数据流入速度更快，客户每天记录28,000至30,000次飞行，远多于L3Harris的公务航空客户。然而，Patel表示，公务航空运营商的数据往往更具“事件性”，因为他们飞往的机场更多，而这些机场航空公司通常不使用。

在大约18个月前干扰和欺骗事件开始增多之前，只有零星的报告，但随后这些事件变得更加普遍，尤其是在冲突地区。“客户希望我们更详细地分析数据，以了解这些问题的原因。我们能否根据飞行数据记录器中捕获的数据检测到GPS欺骗？”

L3Harris团队编写了算法来分析数据，以便分析师能够看到欺骗发生的位置。老式飞机的数据集有限，因此需要结合数据推断和其他数据源，Patel解释说：“尝试将这些数据项关联起来，看看是否存在偏差，这可能表明存在欺骗或干扰情况。”

最终，拥有这些信息使运营商能够制定应对干扰和欺骗的标准操作程序（SOP），并更新飞行员培训内容。“因此，当这种情况在现实生活中发生时，飞行员会更有准备，”他说。“他们可以识别正在发生的事情，然后将其与培训内容相关联，采取正确的行动。”

L3Harris有一个飞行员培训部门，并开发了用于飞行模拟器程序的欺骗场景。“我们将它们设置为非正常情况下的故障。然后这些场景会在从一个机场到另一个机场的飞行过程中引入，增加突发因素。飞行员处理这些情况，有效地训练他们，使他们在现实生活中遇到这种情况时更加自信。他们知道如何应对这种情况，并且熟悉SOP和非正常程序。”

L3Harris捕获的数据还支持其向客户提供有关干扰和欺骗可能发生位置的信息，以便他们可以与飞行员分享这些信息。Patel解释说，一家航空公司客户使用这些信息向飞行员通报干扰和欺骗风险，并制定替代航线以避开高风险区域。

“航空电子公司和原始设备制造商（OEM）正在努力寻找解决方案，”他说，“研究加密GPS信号、提供更多定向天线、多种确保GPS信号不受影响的方法。目前已经有很多工作在进行中，以减轻GPS干扰和欺骗。我们正在与我们的航空合作伙伴和客户持续合作，支持他们沿着这条路前进。”

“我惊讶于受影响的领域之一是CPDLC和FANS，因为它们有日期和时间戳。一旦GPS时间戳被破坏，使用这些信息的系统也可能受到影响。如果某些应用程序的许可证密钥在特定日期过期，而GPS日期被调整到许可证失效的时间点，那么这些应用程序可能无法供飞行员使用。”

日期偏移可能导致的一个问题是，记录的数据可能显示为过去或未来的飞行，分析师需要找到其他数据来重新校准飞行参数。

“现代飞机如此复杂，使用GPS信号的方式是你以前从未想过的，”Patel说。

减轻干扰和欺骗的影响

FAA于2024年1月24日发布了《运营商安全警报》（SAFO 24002），为飞行员提供了在GNSS信号中断环境下的操作建议。在其建议中，FAA敦促飞行员在起飞前评估潜在风险，包括检查NOTAMs，并确定目的地和备降机场是否有使用非GNSS导航源的替代进场和进近程序。

运营商还应咨询其飞机和航空电子设备的制造商，获取有关检测和减轻干扰和欺骗的具体建议。

在飞行过程中，FAA建议：“警惕任何表明飞机GPS/GNSS受到干扰的迹象；通过传统导航设备验证飞机位置（如可用）；评估与GPS/GNSS功能丧失相关的操作风险和限制，包括任何依赖GPS/GNSS信号的机载系统；确保用于预定航线/进近的关键导航设备可用；准备恢复传统仪表飞行程序；及时向空中交通管制（ATC）报告干扰，并在飞行后提交详细书面报告，网址为：https://www.faa.gov/air_traffic/nas/gps_reports。”

OpsGroup欺骗报告

去年8月，飞行操作咨询提供商OpsGroup召集了来自航空公司、公务机运营商、空中交通管制组织、监管机构、GPS专家和航空组织的950人，研究欺骗问题，并于9月发布了《GPS欺骗最终报告》。在报告中，OpsGroup提取了一份机组指导文件，扩展了FAA的建议，并提供了更详细的指导，说明如何准备和处理欺骗事件。

尽管这些建议来自“参与GPS欺骗工作组的飞行机组的最佳实践，以及OEM和其他专家的意见”，OpsGroup指出，“这里的内容并非旨在取代或覆盖公司程序、OEM建议或法律要求。”



OpsGroup将其建议分为四个关键操作领域：飞行前、欺骗前、欺骗区域内和恢复。

飞行前

OpsGroup建议将GPS欺骗视为一次完整的简报。因此，运营商应评估可能的欺骗区域入口和出口点，使用在线欺骗地图，如SkAI数据服务的实时GPS欺骗和干扰跟踪地图（spoofing.skai-data-services.com）。L3Harris还根据其捕获的数据识别了高风险区域。



简报应包括应对欺骗的计划、评估地面导航设备的可用性、预期的设备影响和欺骗/干扰迹象，以及欺骗可能如何影响飞行后期的所需导航性能（RNP）要求，尤其是在进场和进近阶段。

飞行员应审查EGPWS的影响，并决定如何在巡航中响应警报，是否使用地形覆盖，以及如何处理仪表进近期间的警报。“充分准备应对异常的EGPWS行为。”除了FAA的上述建议外，合成视觉可能会恢复到普通的姿态方向指示器。

关键考虑因素应包括应急计划——例如，如果在欺骗区域内发生发动机故障或失压。在欺骗区域内改航可能需要白天目视飞行条件（VMC），飞行员需要了解最低安全高度。

尽管某些航空电子设备的漏洞可以概括，但飞行员应了解干扰/欺骗如何影响他们的飞机，包括传统惯性参考系统（IRS）和混合惯性参考系统之间的区别。混合IRS使用GPS信息来更新IRS位置，应该可以取消IRS混合模式。

OpsGroup建议飞行员在起飞前将机械手表与已知源同步，以防航空电子设备中的时钟故障。

NOTAMs并不是可靠的信息来源，尽管FAA建议检查它们以获取干扰/欺骗信息。“不要仅仅依赖NOTAMs来提供全面的欺骗位置警告，”OpsGroup表示。

如果从位于欺骗区域内的机场起飞，在IRS对准前关闭GPS接收器可以帮助减轻欺骗。“执行手动对准。警惕在对准过程中自动捕获欺骗的GPS位置。”

到达欺骗区域内的机场时，飞行员应避免使用GPS/RNP进场或进近程序。

欺骗前

一旦起飞，应在进入欺骗区域前45分钟或300海里开始准备。拒绝直飞航线并保持在基于地面导航设备的航路上可能是明智的。

飞行员应回顾欺骗遭遇的计划，并准备好应对航空电子设备的影响，尤其是在巡航中的EGPWS警报。

飞行员应监控估计位置不确定性（EPU）和实际导航性能（ANP）。GPS状态可以在飞行管理系统的传感器/位置参考页面上查看。“预计干扰会在欺骗之前开始：典型的欺骗遭遇现在以一段时间的GPS干扰开始，这使得GPS接收器更容易受到欺骗的影响。”

OpsGroup建议使用独立的外部GPS监控位置，可以将其连接到运行移动地图软件的平板电脑上。将外部GPS的天线保持在卫星视线范围内，但通过机身结构屏蔽地平线，以防止干扰/欺骗设备影响其接收卫星信号。“飞机GPS和外部GPS之间的任何不一致都表明可能存在欺骗。”

有一些警报应用程序和系统可以警告飞行员欺骗活动，OpsGroup建议使用诸如NaviGuard等产品。

Aircraft Performance Group（APG）的NaviGuard是一款免费的GPS异常检测应用程序，适用于Apple iOS设备。NaviGuard为用户提供了一种使用传统导航设备（如VOR和NDB）验证位置数据的方法。潜在的欺骗区域会随着EASA数据更新。该应用程序旨在提高情境意识和位置验证，而非导航。此外，该应用程序允许用户导出数据，无论是保存到自己的设备还是向监管机构报告异常。

Send Solutions为其Airtext+ Iridium卫星通信提供了一个附加组件，不仅可以识别和报告GPS干扰或欺骗，还可以在导航输入错误时帮助飞行员保持在正确的航线上，使用Iridium信息。除了Airtext+和Iridium天线外，Send的Spoof Proof系统还需要一个告警器，可以作为临时设备携带或安装在驾驶舱内。

通过监控至少三个GNSS星座和Arinc 429飞行管理系统（FMS）标签，Airtext+可以将飞机的FMS位置与已知的良好位置进行比较，快速检测干扰和欺骗，然后通过告警器通知机组人员存在可疑的导航状态。

同时，Airtext+会向空中交通管制和指定实体（如公司的调度员）发送短信或电子邮件，通知他们有关损坏的位置信息。最后，Airtext+使用最后一个已知的合格位置提供高分辨率的推算位置，飞行员可以将其输入FMS以促进持续导航。

OpsGroup还建议飞行员监听空中交通管制员或其他飞行员报告的干扰/欺骗情况，保持当前的导航日志以备需要推算导航时使用，并观察航空电子设备传感器页面上的GPS日期。“日期变化是GPS接收器在欺骗后可能难以恢复的强烈迹象。”

欺骗前准备的最后步骤包括取消FMS的GPS输入；取消IRS混合模式以移除GPS输入；将时钟设置为“内部”或手动，“如果可能，以保护CPDLC和其他数据链功能”；禁止EGPWS的前视模式以“防止在巡航高度出现虚假警报”；并收起平视显示器。

欺骗区域内

干扰通常发生在欺骗之前，但一旦欺骗开始，将会出现各种故障，包括EPU或ANP的快速增加、GPS和IRS或FMS位置的位置不一致警告、时钟时间变化、应答器故障并显示“ATC FAIL”消息、自动驾驶仪突然转向以及ADS-B故障。合成视觉可能会恢复，风向指示器可能会偏移或显示不合逻辑的数据，传感器页面上的GPS信息显示异常值，EGPWS在巡航中发出“PULL UP”警告。

飞行员可能会看到手持GPS位置与航空电子设备位置的差异，GPS 1和GPS 2之间的显著差异，以及操作中心通过ACARS消息看到的异常值。



在干扰/欺骗遭遇期间，重要的是继续驾驶飞机，然后检查系统设置是否设置为欺骗保护，OpsGroup表示。飞行员可能希望在排除故障时使用航向模式，并向ATC报告事件，请求航向或确认正确的位置和航线。

如果可用，使用非GNSS导航非常重要，OpsGroup建议禁止EGPWS地形警报，这“避免了由欺骗的高度数据触发的虚假‘PULL UP’等警告。”

恢复

离开欺骗区域后，传感器页面应显示时间和日期恢复正常，地速与真实空速和导航显示一致，位置和高度一致，OpsGroup表示。可以重新选择GPS输入FMS，但如果允许，应重置GPS接收器和GPWS计算机。

如果某些系统仍然故障，请通知ATC。可以忽略CPDLC指令，这不会导致空域进入被拒绝，OpsGroup解释说。在到达和进近程序中使用传统导航设备仍然是一个好主意，包括在备降机场。

请注意，可能会出现虚假的EGPWS警报，因为它们是基于GPS的，但基于雷达高度计的GPWS不受欺骗影响。

“简要说明不同警报类型的意图。”简报还应包括可能在最终进近时发生的警报。

飞行后

干扰/欺骗遭遇的最后步骤应是向相关当局报告发生的情况，在技术日志中记录异常情况，并向航空电子设备制造商发送有关任何异常系统影响的报告。

来源：互联网

编译：Galleon广尧航空资讯



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