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[13972] 2019-04-10_航空ACARS系统接收解码与其安全性

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2019-04-10_航空ACARS系统接收解码与其安全性 航 空 A C A R S 系 统 接 收 解 码 与 其 安 全 性 O p e n A T S   F r e e B u f   2 0 1 9 - 0 4 - 1 0 M H 3 7 0   出 事 之 后 ， 伴 随 着 这 个 航 班 的 话 题 一 直 是 热 门 ， 航 空 的 安 全 问 题 也 引 起 了 全 球 人 们 的 关 注 。 事 发 之 出 事 之 后 ， 伴 随 着 这 个 航 班 的 话 题 一 直 是 热 门 ， 航 空 的 安 全 问 题 也 引 起 了 全 球 人 们 的 关 注 。 事 发 之 后 ， 英 国 后 ， 英 国 I n m a r s a t 公 司 提 供 了 公 司 提 供 了 M H 3 7 0 飞 机 与 卫 星 的 握 手 数 据 ， 并 提 供 了 技 术 支 持 ， 对 飞 机 可 能 失 事 的 位 置 进 行 飞 机 与 卫 星 的 握 手 数 据 ， 并 提 供 了 技 术 支 持 ， 对 飞 机 可 能 失 事 的 位 置 进 行 了 估 算 。 了 估 算 。 I n m a r s a t 为 英 国 卫 星 电 信 公 司 。 此 公 司 所 经 营 的 商 业 通 信 卫 星 ， 无 论 在 航 海 、 航 空 、 通 信 都 有 着 广 泛 的 应 用 ， 目 前 已 经 发 展 到 第 五 代 I n m a r s a t 卫 星 。 I n m a r s a t 所 有 卫 星 分 布 在 距 离 地 球 3 5 7 0 0 k m 左 右 的 地 球 同 步 轨 道 上 ， 属 于 高 轨 道 卫 星 ， 通 信 覆 盖 范 围 非 常 广 ， 一 直 都 是 船 舶 在 大 海 中 与 外 界 通 联 的 重 要 通 信 卫 星 。 其 实 不 仅 仅 在 海 事 领 域 ， 航 空 领 域 也 有 着 重 要 的 应 用 。 很 多 人 知 道 飞 机 在 飞 行 的 时 候 有 一 个 A D S - B 自 动 报 告 系 统 ， 不 断 发 送 自 己 的 实 时 位 置 ， 这 个 系 统 是 防 撞 系 统 的 一 部 分 ， 而 另 一 个 比 较 重 要 的 系 统 便 是 A C A R S 。 A C A R S 是 通 信 寻 址 报 告 系 统 ， 是 飞 机 与 航 空 公 司 通 信 的 一 个 重 要 途 径 。 此 系 统 会 将 飞 机 的 4 D 数 据 （ 经 纬 度 、 海 拔 、 速 度 等 ） 还 有 各 种 传 感 器 数 据 经 过 此 链 路 发 送 给 航 空 公 司 ， 让 航 空 公 司 实 时 得 到 飞 机 的 一 些 数 据 ， 比 如 发 动 机 健 康 状 态 、 飞 机 舱 门 的 打 开 关 关 闭 状 态 等 等 信 息 ， 对 飞 机 进 行 维 护 和 调 度 等 工 作 。 M H 3 7 0 跟 卫 星 通 信 的 便 是 A C A R S 服 务 ， A C A R S 的 通 信 链 路 有 H F 、 V H F 、 L 波 段 三 条 链 路 ， 其 中 V H F 一 般 为 近 地 时 使 用 ， 由 于 V H F 波 段 的 特 性 ， 传 输 距 离 受 到 限 制 ， H F 在 此 方 面 会 弥 补 一 些 不 足 。 当 飞 机 远 离 大 陆 的 时 候 ， 比 如 跨 海 洋 飞 行 ， 就 只 能 靠 L 波 段 的 卫 星 通 信 链 路 来 与 地 面 控 制 中 心 进 行 联 系 。 飞 机 可 以 通 过 I n m a r s a t 卫 星 提 供 的 A E R O 链 路 进 行 短 消 息 、 语 音 还 有 自 动 报 告 系 统 的 相 互 通 信 。 其 飞 机 到 卫 星 的 上 行 频 率 为 ： 1 5 4 5 ~ 1 5 4 7 M H z 之 间 ， 卫 星 与 地 面 站 的 下 行 链 路 采 用 的 为 C 波 段 3 . 6 G H z 。
当 然 ， 租 用 卫 星 链 路 的 费 用 是 非 常 昂 贵 的 。 事 发 当 时 ， M H 3 7 0 的 卫 星 服 务 已 经 过 期 ， 所 属 航 空 公 司 没 有 续 费 ， 按 照 常 理 来 说 ， M H 3 7 0 是 没 有 卫 星 通 信 数 据 的 。 但 是 ， 此 系 统 有 个 重 要 特 性 ， 那 就 是 卫 星 载 荷 属 于 透 明 转 发 。 简 单 来 说 ， 飞 机 到 卫 星 的 数 据 ， 卫 星 是 不 经 过 处 理 的 ， 直 接 变 频 以 C 波 段 3 . 6 G H z 的 频 率 大 功 率 下 传 ， 而 地 面 站 会 不 断 接 收 信 号 后 ， 进 行 解 调 和 解 码 工 作 ， 得 到 飞 机 发 送 的 原 始 数 据 并 存 储 到 数 据 库 中 。 当 系 统 对 数 据 进 行 检 索 ， 如 果 发 现 某 飞 机 并 没 有 开 通 服 务 或 者 服 务 到 期 没 有 续 费 后 ， 便 不 会 把 这 些 数 据 发 送 给 航 空 公 司 。 所 以 I n m a r s a t 公 司 完 全 没 有 责 任 提 供 M H 3 7 0 的 信 息 ， 而 事 发 后 ， I n m a r s a t 公 司 对 M H 3 7 0 提 供 了 原 始 数 据 支 持 ， 从 数 据 库 中 调 取 了 M H 3 7 0 与 卫 星 通 信 的 数 据 ， 与 M H 3 7 0 通 信 的 卫 星 便 是 位 于 东 经 6 4 . 5 ° 附 近 的 I n m a r a t 3 - F 1 卫 星 ， 此 卫 星 为 I n m a r s a t 第 三 代 通 信 卫 星 ， 于 1 9 9 6 年 发 射 ， 重 量 为 2 0 6 8 k g 。 以 下 是 马 来 西 亚 政 府 给 失 联 人 员 亲 属 报 告 中 公 开 的 卫 星 数 据 ， 报 告 并 非 卫 星 原 始 数 据 ， 而 是 经 过 筛 选 出 一 些 有 用 信 息 的 数 据 。 真 正 的 卫 星 原 始 数 据 （ 来 源 I n m a r s a t 公 司 某 高 管 ） ：
在 搜 索 M H 3 7 0 的 时 候 ， 搜 索 队 唯 一 可 靠 的 数 据 参 考 便 是 这 份 卫 星 数 据 ， 可 以 根 据 数 据 大 概 推 算 出 飞 机 失 事 的 时 间 。 我 们 可 以 看 到 最 后 一 次 飞 机 通 过 A E R O 的 R 通 道 发 送 握 手 数 据 包 的 时 间 为 U T C   0 : 1 9 分 ， 而 后 续 再 也 没 有 跟 卫 星 进 行 通 信 。 M H 3 7 0 飞 机 的 A E S   I D 为 3 5 2 0 0 2 1 7   ， 澳 大 利 亚 地 面 站 的 G E S   I D 为 3 0 5 。 搜 索 队 根 据 卫 星 数 据 中 的 时 间 、 B F O 、 B T O 数 据 ， 来 进 行 粗 略 的 飞 机 飞 行 路 径 估 算 ， 向 着 可 能 坠 毁 的 方 向 进 行 了 大 面 积 的 搜 寻 ， 最 后 结 果 是 大 家 众 所 周 知 的 ： 一 无 所 获 。 那 么 什 么 是 B T O 呢 ， B T O （ B u r s t   T i m i n g   O f f s e t ， 瞬 时 时 间 偏 移 ） 就 是 信 号 由 飞 机 发 送 后 ， 到 达 卫 星 产 生 的 时 间 偏 差 。 由 于 飞 机 发 送 握 手 数 据 时 ， 会 附 带 上 发 送 数 据 的 时 间 ， 这 个 时 间 是 非 常 精 确 的 ， 取 自 飞 机 上 G P S 授 时 系 统 。 而 无 线 电 的 传 输 速 度 为 固 定 的 光 速 ， 这 样 就 可 以 根 据 B T O 的 数 据 ， 大 概 计 算 出 飞 机 到 卫 星 之 间 的 距 离 。 B F O （ B u r s t   F r e q u e n c y   O f f s e t ， 瞬 时 频 率 偏 移 ） ， 简 单 来 说 就 是 卫 星 接 收 到 的 频 率 与 标 准 频 率 产 生 的 频 率 偏 移 量 。 为 什 么 会 产 生 偏 移 呢 ？ 这 里 牵 扯 的 知 识 就 是 著 名 的 多 普 勒 频 移 ， 可 能 都 多 少 了 解 些 多 普 勒 频 移 ， 常 用 的 例 子 就 是 火 车 由 远 至 近 产 生 的 声 音 变 化 ， 也 就 是 所 说 的 红 移 和 蓝 移 。 在 无 线 电 通 信 中 ， 多 普 勒 频 移 为 非 常 常 见 的 现 象 。 应 用 范 围 也 非 常 广 泛 ， 比 如 多 普 勒 雷 达 。 飞 机 在 飞 行 时 ， 速 度 会 非 常 快 ， 这 时 候 会 产 生 一 个 随 飞 机 速 度 变 化 而 变 化 的 频 移 现 象 。 根 据 多 普 勒 频 移 计 算 公 式 ， 由 于 发 射 频 率 f ， 无 线 电 传 播 速 度 C 还 有 频 率 偏 移   △ f 都 为 已 知 ， 飞 行 速 度 可 以 估 算 ， 可 以 计 算 得 到 飞 机 相 对 于 卫 星 位 置 的 余 弦 角 度 ， 再 结 合 别 的 数 据 进 行 了 推 算 ， 并 且 做 了 大 量 飞 机 飞 行 数 据 的 对 比 ， 目 前 推 测 出 了 飞 机 可 能 坠 毁 于 印 度 洋 。 其 实 ， I n m a r s a t 3 - F 1 的 卫 星 轨 道 并 非 是 固 定 不 变 的 ， I n m a r s a t 3 - F 1 这 颗 卫 星 的 轨 道 相 较 于 赤 道 平 面 倾 斜 角 度 大 概 为 4 . 9 4 ° ， 这 就 意 味 着 它 的 轨 道 平 面 跟 赤 道 并 非 完 全 平 行 。 也 就 是 说 ， 随 着 时 间 变 化 ， 它 在 地 面 的 垂 直 投 影 会 呈 现 一 个 以 赤 道 为 中 心 的 南 北 移 动 的 8 字 形 ， 卫 星 也 是 在 以 一 个 相 对 于 地 面 较 小 的 速 度 的 移 动 。 所 以 在 计 算 时 也 要 考 虑 这 部 分 数 据 ， 并 且 飞 机 处 在 一 个 立 体 位 置 ， 飞 机 的 高 度 上 升 下 降 都 会 造 成 多 普 勒 频 移 现 象 。
在 事 发 之 后 ， 英 国 科 学 家 D u n c a n   I .   S t e e l   在 他 的 自 己 网 站 上 （ h t t p : / / w w w . d u n c a n s t e e l . c o m / ） ， 根 据 公 开 的 一 些 数 据 ， 根 据 自 己 的 知 识 对 M H 3 7 0 可 能 飞 行 方 向 做 出 了 非 常 详 细 的 计 算 和 模 拟 ， 对 这 些 计 算 和 推 算 感 兴 趣 的 同 学 可 以 去 邓 肯 的 网 站 看 一 下 他 的 文 章 。 回 到 前 面 提 到 的 A C A R S 服 务 ， A C A R S 在 V H F 段 根 据 不 同 地 区 和 国 家 的 频 率 而 不 同 ， 我 国 大 陆 的 频 率 在 1 3 1 . 4 5 0 M H z ， 飞 机 在 此 频 率 上 传 各 种 传 感 器 的 信 息 。 国 内 提 供 航 班 实 时 信 息 的 某 软 件 就 是 采 用 了 此 系 统 数 据 ， 包 括 飞 机 关 闭 舱 门 、 进 入 滑 行 状 态 等 等 都 在 A C A R S 系 统 中 有 着 详 细 的 定 义 ， 他 们 的 数 据 主 要 来 源 是 通 过 从 航 空 公 司 购 买 。 A C A R S 采 用 的 调 制 方 式 为 M S K ， 与 传 统 的 M S K 编 码 略 有 不 同 ， 采 用 1 2 0 0 H z 和 2 4 0 0 H z 对 报 文 进 行 编 码 ， 以 1 2 0 0 H z 的 正 半 波 表 示 0 ， 负 半 波 表 示 1 ， 以 2 4 0 0 H z 相 位 π 的 正 弦 信 号 表 示 0 ， 以 2 4 0 0 H z 相 位 0 的 正 弦 信 号 表 示 1 。 已 经 有 不 少 软 件 可 以 直 接 对 其 信 号 进 行 解 调 和 解 码 工 作 ， 对 1 4 1 . 4 5 0 M H z 信 号 进 行 了 采 集 和 解 码 。 在 V H F 频 段 我 们 使 用 A c a r s d 软 件 进 行 了 解 调 和 解 码 便 得 到 了 原 始 的 A C A R S 数 据 ：
I n m a r s a t 卫 星 针 对 航 空 系 统 的 服 务 叫 做 A E R O 服 务 ， A E R O 分 为 了 A E R O - L 、 A E R O - H   、 A E R O - H + 、   A E R O - C 等 不 同 业 务 ， 提 供 了 语 音 、 短 消 息 、 传 真 、 数 据 等 业 务 。 A C A R S 除 了 承 载 着 航 空 A T S （ 空 中 交 通 服 务 ） 系 统 外 ， 还 承 载 着 航 空 公 司 运 营 控 制 （ A O C ） 和 航 空 公 司 行 政 通 信 （ A A C ） 消 息 。
卫 星 到 飞 机 的 返 向 链 路 同 样 工 作 于 L 波 段 ， 这 方 面 的 接 收 解 码 工 作 非 常 简 单 ， L 波 段 的 下 行 信 号 非 常 强 ， 甚 至 可 以 使 用 G P S 天 线 改 造 一 下 滤 波 器 便 可 以 顺 利 接 收 ， 下 面 为 使 用 A i r s p y 的 接 收 频 谱 ， 就 不 放 出 解 码 信 息 了 。 针 对 卫 星 下 行 到 地 面 站 的 数 据 ， 目 前 还 国 际 上 还 没 有 多 少 人 接 收 成 功 。 本 人 搭 建 了 一 个 接 收 环 境 用 于 验 证 。 因 为 频 率 为 3 . 6 G H z ， 采 用 了 很 久 之 前 中 星 六 号 卫 星 电 视 的 高 频 头 ， 其 中 有 少 部 分 频 率 覆 盖 范 围 为 3 . 4 ~ 4 . 2 G H z ， 本 振 频 率 为 5 1 5 0 M H z ， 刚 好 涵 盖 此 频 率 。 之 前 的 C 波 段 高 频 头 为 线 极 化 ， 而 卫 星 下 行 信 号 为 右 旋 圆 极 化 ， 直 接 接 收 会 损 失 3 d B 。 所 以 做 了 一 个 极 化 片 ， 这 样 高 频 头 可 以 接 收 圆 极 化 信 号 。 而 高 频 头 中 含 有 2 2 K 开 关 ， 电 压 跟 极 化 方 向 一 定 要 对 应 。 高 频 头 的 阻 抗 为 7 5 欧 姆 ， 使 用 了 一 个 7 5 欧 姆 转 5 0 欧 姆 的 转 换 器 ， 防 止 信 号 损 失 较 多 。 在 北 京 ， 成 功 接 收 并 解 码 来 自 太 平 洋 上 空 的 I n m a r s a t 4 - F 1 （ 1 4 0 . 5 ° E ） 卫 星 的 A E R O 下 行 信 号 ， 可 以 计 算 得 到 两 个 卫 星 下 行 信 号 频 率 大 概 为 3 6 1 4 M H z 左 右 。
用 J A E R O 软 件 解 码 后 可 以 得 到 飞 机 与 地 面 站 通 信 的 一 些 短 消 息 和 通 信 信 息 。 A C A R S 作 为 航 空 系 统 中 的 一 个 重 要 的 组 成 部 分 ， 有 着 非 常 重 要 的 作 用 。 考 虑 到 航 空 系 统 中 的 链 路 兼 容 性 和 紧 急 情 况 的 问 题 ， 大 部 分 用 的 是 未 加 密 通 信 ， 也 同 时 带 来 了 相 应 的 隐 患 。 在 2 0 1 3 年 荷 兰 H I T B 黑 客 大 会 上 ， 其 中 一 个 议 题 就 是 讲 发 送 伪 造 飞 机 的 A C A R S 数 据 达 到 控 制 飞 机 的 目 的 。 A C A R S 是 未 经 过 任 何 加 密 的 ， 任 何 人 都 可 以 窃 听 和 伪 造 数 据 ， 这 并 不 意 味 着 仅 仅 靠 伪 造 A C A R S 数 据 就 可 以 将 飞 机 进 行 控 制 ， 作 为 飞 机 驾 驶 员 的 操 作 标 准 是 ， 当 A C A R S 与 空 管 命 令 产 生 冲 突 时 ， 以 空 管 命 令 为 准 ， 或 者 通 过 语 音 电 话 核 实 。 当 然 ， 语 音 电 话 也 是 可 以 伪 造 的 ， 技 术 门 槛 要 更 高 一 些 。 我 相 信 作 为 一 名 真 正 的 黑 客 ， 是 不 会 以 飞 机 为 目 标 进 行 破 坏 行 为 的 。 几 个 月 前 ， 德 国 总 理 默 克 尔 的 飞 机 在 飞 往 参 加 G 2 0 峰 会 的 路 上 ， 出 现 系 统 故 障 ， 导 致 飞 机 紧 急 返 回 的 情 景 。 在 关 键 时 刻 ， 机 组 人 员 只 能 通 过 卫 星 电 话 与 地 面 控 制 中 心 取 得 联 系 ， 安 排 返 程 和 降 落 。 自 从 M H 3 7 0 事 件 之 后 ， 人 们 充 分 意 识 到 了 在 关 键 时 刻 卫 星 通 信 的 重 要 性 ， 国 际 民 用 组 织 （ I C A O ） 推 出 新 的 标 准 ， 让 民 航 所 有 飞 机 飞 行 员 每 1 5 分 钟 报 告 一 次 位 置 。 卫 星 通 信 作 为 偏 远 地 区 和 远 离 大 陆 地 区 的 唯 一 可 靠 的 通 信 方 式 ， 承 载 着 众 多 人 的 安 全 ， 随 着 卫 星 通 信 的 加 快 发 展 ， 相 信 随 着 航 空 A T N 网 络 的 推 进 ， 飞 机 失 踪 这 类 事 情 不 会 再 次 重 演 ， 航 空 管 理 系 统 也 会 越 来 越 完 善 。 * 本 文 作 者 ： 本 文 作 者 ： O p e n A T S ， 本 文 属 ， 本 文 属   F r e e B u f   原 创 奖 励 计 划 ， 未 经 许 可 禁 止 转 载 原 创 奖 励 计 划 ， 未 经 许 可 禁 止 转 载 推 荐 阅 读 推 荐 阅 读
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