【博評】張競:MLAT與ADS-B定位信號與偽冒

2020-09-19 16:35:12
張競

中華民國榮民,曾任海軍中權軍艦艦長,美國海軍戰爭學院績優畢業,英國赫爾大學政治學博士,目前在大學執教國際關係等政治學入門課程。勤於媒體針砭時政與探論國際現勢,亦經常接受媒體電訪;偶爾出席政論節目,評論政軍議題。

8月底,一架EP-3E的ADS-B訊號出現在民用航空追蹤網上,顯示其在台灣北部出現 / 起飛並直抵日本,奇怪的是台灣航管中心對此沒有任何反應之餘,飛機回航路線完全不依民航航道,更詭異的是,台灣根本沒人拍到這機出現在機場或機場上空。(網絡圖片)

最近臺海與南海周邊空域,經常有人刻意製造航空器虛假航跡,並且就此等偽造假冒航跡進行政治解讀,希望藉此製造猜疑氛圍引發緊張態勢,但是媒體對於民航飛行器在各類航空動態網站,其所顯示航行軌跡究竟是依據何種定位訊號,以及此等空中航跡定位作業體系之工作原理缺乏理解,因此經常會被有心人士誤導,在報導上受到操弄並且損傷媒體聲譽。

筆者在本文將依序介紹MLAT以及ADS-B兩種民用飛行器定位信號,然後再說明兩者皆可被有心人士加以偽造,並且將信號送達不同單位之接受器,讓民用航空動態網站產生假冒航跡,以利配合實施資訊欺敵與謀略誤導作戰。

編按:接收站及其相關天線。由於涉及多個站台收發訊號並計算時間差的的過程,系統複雜性較高。(網絡圖片)

 

首先介紹稱為【多點站臺定位作業體系】MLAT或是MLat(Multilateration或是pseudorange multilateration)之無線電波導航與監控作業體系,其工作原理係運用多個不同地面基地站臺,對空發送時間同步之導航信號,並藉由飛行器接收到此等導航信號,再透過飛行器上所裝設答詢機,回送到地面基地站臺之時間(TOA:Time of Arrival),或者是更進一步來說是比對不同地面基地站臺信號送達飛行器,然後再由答訊機回送信號抵達各地面基地站臺時所產生之時間差(TDOA:Time Difference of Arrival)以便計算出飛行器所在位置,從而讓飛行管制作業體系獲得目標定位資料。

基本上MLAT/TDOA經常會與通過測量目標到三個或三個以上地面基地站臺距離,運用幾何原理求解目標位置之三邊測量法(true-range multilateration,);或是藉由測量目標與位於固定基準線上面之基地站臺所構成方位角度,以便確定目標位置,但此種方法卻不直接測量距離之三角測量法(triangulation);甚或是僅測量目標相對於特定地面基地站臺之相關方位,但卻不測量距離之方位測量(direction finding)技術相互混淆。

而MLAT/TDOA係運用廣泛佈設於機場周邊重要飛航地域,或是重要飛航行路交會點附近之地面基地站臺,提供綿密傳送定位信號,並與空中航行器上所裝設答詢機相互配合運作。該導航定位作業體系可運用民用Mode A、C或是S收發答詢機,甚至是軍用敵我識別器以及ADS-B收發答詢機共同作業,基本上系統相容性沒有受到任何技術瓶頸限制。

編按:GEE導航系統的機上收發設備,以及負責電波探測的大型天線塔。(網絡圖片)

編按:GPS其實有點像將收發器架在同步軌道上的MLAT,只要軌道上有3個GPS衛星能收到你的訊息,就可精確計算你的方位甚至所在地高度。(網絡圖片)

 

 

此項最初係用於管制軍機之作業體系已經納入作為民用航空管制運用,在民用導航體系中,經過電腦計算轉換顯示之MLAT信號,會與地面航管搜索雷達信號共同顯示在雷達監視幕上,兩者位置幾乎完全相同,但由於地面導航雷達受限於天線轉速,目標定位信號都是隨著掃描線間斷更新,相對上MLAT資訊更新率會更快,並且會在雷達顯示器顯現出更為平穩之飛航軌跡。

其實在空中導航史上,運用multilateration 技術可遠溯至二次大戰時期英國皇家空軍所發展出之Gee系統,以及日後運用於航海與航空導航之 DECCA、LORAN 以及Omega系統。就目前來說,美國海軍提供全球廣泛運用之全球定位系統(GPS:Global Positioning System) 以及廣域多點定位作業架構(WAM:Wide Area Multilateration)亦是使用相同科技工作原理。

Australia Extends ADS-B Deadline on Private Aircraft - Aviation Today 澳洲所使用的ADS-B接收天線。基於是飛機主動發出訊號由天線接收,並在空管的控制屏幕前形成雷達影像。這就是所謂次級雷達(secondary radar)。這系統的優點,是不用佈置那麼多接收天線。(網絡圖片)

 

至於【廣播式自動相關監視】(ADS-B:Automatic dependent surveillance – broadcast)定位作業體系,則是完全由空中航行器藉由衛星導航系統確認其位置後,再以定期廣播方式對外傳送,而空中飛航地面管制站臺接收此等訊號,並同步輸入航管作業顯示系統,與本身地面航空管制搜索雷回跡,以及前述各個不同MLAT信號相互比對,以便遂行飛航管制作業。

ADS-B與前述作業體最大差別在於其不用設置地面基地站臺,亦因此不須從地面發送詢問信號,或是接收答詢信號後再加以計算以便獲得空中航行器之精準定位。所有空中航行器定位資料都是由在空飛航之航行器自行提供,地面飛航管制站臺只要接收並比對其他定位資訊,確認其所提供資訊無誤,就可以順利進行飛航管制作業。

現時著名的飛機追踪網站Flightradar24,標榜使用多種航機搜尋設施,不過最主要的是衛星追踪的ADS-B訊號及自願者提供的相關訊號。圖為1月初伊朗危機時中東地區空中交通情況圖,大部分航班都避開伊朗上空的國際航道。(網絡圖片)

 

 

但ADS-B此項完全自動作業體系完全仰賴衛星所提供定位資料,並且可發送至其他在附近空域之航行器,這對於飛行器間相互掌握動態並規避碰撞危機來說,實在是提供相當便利與充足之資訊。

原則上ADS-B進一步細分係由ADS-B Out和ADS-B In兩項子系統服務訊號(輸出與輸入)所組成;ADS-B Out係透過空中航行器本身所承儎資訊發射系統,以周期性方式對外廣播航行器本身之各項飛航資訊,其中包括識別編號、當前定位、高度與速度等即時資訊。因此ADS-B Out可提供空中交通管制員人即時定位資訊,而此項資訊通常都比地面飛航管制搜索雷達更為精確,因此飛航管制人員已經愈來愈仰賴ADS-B Out所提供資訊來精準定位飛行器,並藉此分隔不同空中航行器保持適當距離與高度,以便確保飛航安全。

編按:2008年墜殼於大西洋中部的法航477客機。原本它也是用ADS-B進行定位的,但事故發生時該機身在大西洋中部,根本沒接收器可以接收訊息,該機沉落4000公尺深海底的殘骸差不多兩年後才能尋回。此後ADS-B開如以衛星作為接收與傳送訊息的媒介,以減少飛行盲區的問題。(網絡圖片)

 

至於ADS-B In則是接收地面飛航管制作業體系所提供之航班訊息廣播服務(FIS-B:Flight information services-broadcast)、廣播式流量信息服務(TIS-B:Traffic information service - broadcast)以及來自其他航行器所提供之ADS-B Out資訊,因此對於相關天候狀況、周邊飛航動態、飛航安全通報(NOTAM:Notice to Airmen) 自動航站情報廣播服務(ATIS:Automatic Terminal Information Service)以及民用航班各項資訊,都可以透過ADS-B In子系統充分獲得,這對於飛航安全與掌握航空動態來說,實在是極度便利。

編按:NOTAM也能經ADS-B IN發送給飛行員,讓他們得知所經航區的飛行警報,從而在規劃航程時有所戒備。以下是法國發出在法屬圭亞那發射場本月26-28日的飛行警告。不過由於近期法國似乎沒有準備發射亞里安運載火箭,這次試射可能涉及潛射彈道導彈。(網絡圖片)

 

經過上述解說,讀者應當理解到這些飛航定位管制資訊其實相當精準,不過在人類社會中,永遠是道高一尺魔高一丈,能夠生雞蛋就會亂拉出雞屎,所以這些未能提供飛航管制服務便利之傳輸信號,為求便利與即時傳輸顯示,其實都未經過加密處理,免得讓使用者必須增加作業程序,定期更換密碼晶片以維持傳輸機密安全,但這種未經加密保護之飛航資訊作業體系,就會讓有心人士獲得加以運用破壞之空間與機會。

因此過去數周在臺海與南海所顯現出各項詭異偽冒航跡,其實就是透過傳輸發送假冒資訊來混入飛航作業資料庫,再經過轉換後顯示在許多民用航空動態網站,引起各方誤解與臆測。但到目前為止,此等偽造資訊水準相當低劣,整個航跡不但與真正航空動態必須依據天候調整進場航向,偽冒航跡所顯示高度與速度亦與真正起降作業差異甚大,甚至直接跨越某些禁航區或是穿越高山地區時高度不足,都顯示出製造偽冒信號航跡者,本身缺乏基本飛航常識,所以才會製造出極度失真之航行軌跡。

編按:8月30及31日懷疑美機「搗亂」事件,甚至出現左圖美軍RQ-4無人偵察機由內地飛到馬來亞東部然後折返並飛入內陸的怪事。不過其飛行軌跡有很多詭異的地方,例如飛機一小時移動距離遠大於RQ-4的極速、且幾乎是直線飛行也不遵守任何飛行航道迴避;在台海及中央山脈橫行就更奇怪了,這樣亂飛,兩岸戰鬥機都沒有反應,也不理會飛行航道安全,而且連航空發燒友也沒有拍到過相關飛機的任何照片……(網絡圖片)

 

不過此種犯罪行為必然會逐漸愈來愈成熟,進行偽冒之罪犯亦會從被識破過程中記取教訓,因此未來所產製之飛航軌跡恐怕會愈來愈接近真實。特別是許多軍事飛航活動之軍用飛機,特別是進行情報蒐集作業之軍用儎臺,確實已經被發現偽冒其他國家飛行識別編號進行情報蒐集飛航作業,未來如何能夠避免被誤導,控怕是各國飛航管制當局必須重視之飛航安全道德議題,是否應限制軍事情報飛航活動發射偽冒信號,以免影響民用飛航安全,恐怕是各國必須開始深入思考以及採取防範行動之挑戰。

 

作者張競先生簡介:中華民國榮民,曾任海軍中權軍艦艦長,美國海軍戰爭學院績優畢業,英國赫爾大學政治學博士,目前在大學執教國際關係等政治學入門課程。勤於媒體針砭時政與探論國際現勢,亦經常接受媒體電訪;偶爾出席政論節目,評論政軍議題。著述文稿課題廣泛,獲得讀者極多迴響。

發佈於 博評
By 2020-09-19

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