ADS-B är ett protokoll som används över hela världen för att piloter och flygledning ska få en bättre bild över trafiksituationen i luften.Tidigare studier har uppmärksammat att säkerheten kring protokollet är bristfällig eftersom det saknas kryptering. Det huvudsakliga sårbarheten som finns i protokollet beror på att autentisering saknas. Protokollet är alltså byggt på ett blint förtroende mellan sändare och mottagare.Vårt arbete är inspirerat av tidigare forskning som gjorts inom området som bland annat visar att det går att skapa s.k. “spökflygplan” genom att sända falsk data över protokollet. Syftet bakom denna rapport var att utföra ett penetrationstest på en populär ADS-B produkt riktad mot piloter. Våra tester bygger på OSSTMM3, en vetenskaplig metod för att testa säkerhet.Våra tester visar att mottagaren som testade, inte helt oväntat, följer protokollet utan att validera data. Vi lyckades precis som tidigare forskare injicera statiska spökflygplan men också manipulera rörelsen av ett spökflygplan på ett sätt som strider mot fysikens rörelselagar. Våra tester visar att tjänsten som levereras av mottagaren kan störas ut genom att utföra liknande attacker. / The ADS-B protocol is currently in use all around the world. The purpose behind the protocol is to give pilots and traffic control a better picture of the situation in the air. Previous research shows that there exists a vulnerability in the protocol since it lacks authentication. The protocol is solely built upon trust between sender and receiver.Our work is inspired by previous studies made in the area, where it has been demonstrated that one can inject fake aircraft by sending fake ADS-B data using the protocol. The purpose behind this report was to perform a penetration test according to the OSSTMM3, a manual on how to perform scientific penetration tests.We wanted to test a real product (ADS-B receiver) made for pilots and measure if we could manipulate the environment presented to the pilot.Our testing shows that the receiver blindly trusts the protocol without any data validation. We managed to inject fake static aircraft just like previous researchers have done, but also move them around in the environment in a way that breaks the laws of physics and flood the device with fake data, effectively denying the service provided.Since we managed to deny the service, which is to give the user a correct picture of the nearby air traffic, we feel like our tests were successful.

L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles approches plus efficaces pour améliorer la situation du trafic aérien dans l'Atlantique Nord (NAT). NAT est considéré comme l'espace aérien océanique le plus utilisé dans le monde. Le contrôle du trafic aérien dans cet espace confronte plusieurs difficultés dues aux différences de fuseaux horaires, aux demandes des passagers et aux vents forts induits par les jet-streams. De plus, la prédiction et le contrôle des trajectoire de vol sont très limités à cause de l'abscence de couverture radar. Par conséquent, une structure de routes, appelée Organized Track System (OTS), est établie dans le NAT et des normes de séparation très rigide sont imposés. Tous ces facteurs obligent les vols à suivre des trajectoires non optimales, ce qui influence négativement la consommation de carburant et le coût total du vol. Dans le cadre des projet lancé pour moderniser le systéme de gestion du trafic aérien, de nouvelles technologie de communication, de navigation et de surveillance ont été développés, l'un des plus prometteurs étant l'ADS-B. L'utilisation de l'ADS-B permet d'exploiter de nouvelles et différentes méthodes d'organiser le trafic, alternative à l'OTS, ce qui constitue l'axe principal de notre travail. Tout d'abord, nous étudions la possibilité d'introduire le Free Flight Concept (FFC) dans le NAT. En effet, nous proposons une nouvelle approche pour organiser le trafic aérien NAT en se basant sur un comportement d'essaim. En effet, le trafic est considéré comme un système Multi-Agent où tous les vols coopèrent, grâce à l'ADSB, afin de construire leurs trajectoires, tout en détectant et en résolvant les conflits entre eux. Les trajectoires résultantes sont efficaces en terme de temps de croisière. Cependant, ils ne sont pas robustes contre les changements du vents. Ensuite, nous proposons une nouvelle structure de route qui bénéficie du jet stream. Cette structure de route est appelée Wind-Optimal Track Network (WOTN), et est construite en considérant les normes de séparation réduites. WOTN couvre un plus grand espace aérien que l'OTS, afin de gérer un trafic plus dense. En gros, WOTN est construit de telle sorte que des pistes parallèles proches sont mis-en place pour suivre le jet- stream et les transitions entre les pistes n'est autorisé que dans les sections d'entrée et de sortie de la structure. Les résultats révèlent l'importance de mettre en place une structure de route afin de garantir des trajectoires robustes face aux vents forts. Enfin, nous proposons une approche permettant aux aéronefs de sortir en toute sécurité de la structure de la route en cas d'urgence. / The objective of the present thesis is to propose new more efficient trends to improve the air traffic situation over the North Atlantic (NAT) airspace. In fact, the NAT is considered to be the most congested oceanic airspace in the world. For many years, air traffic control in this airspace has experienced many difficulties caused by the time zone differences, passenger demands and strong winds induced by the jet streams. This leads to high congestion in the airspace especially at peak hours. Furthermore, flight trajectory prediction and control are very limited due to the lack of radar coverage in oceanic airspace. To support conflict-free flight progress, a structure of routes, called Organized Track System (OTS), is established in the NAT and very restrictive separation standards are applied. These rigid rules oblige flights to follow non-optimal trajectories, which negatively influences the fuel consumption and the total flight cost. In order to guarantee efficient traffic separation in the context of ever increasing trafic density, alternative means of communication, navigation and surveillance were developed and progressively be implemented, one of the most promising being the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B). The widespread use of ADS-B makes it possible to organize traffic in new ways, as an alternative to the OTS, which is the main focus of the current work. First of all, we investigate the possibility of introducing the Free Flight Concept (FFC) in NAT. Indeed, we present an approach to construct and organize NAT traffic based on a swarm behavior. Here, the traffic is considered as a Multi-Agent system where all flights cooperate, thanks to ADS-B equipage, in order to construct their trajectories, while detecting and resolving conflicts between each other. The resulting trajectories are efficient in term of cruise time. However, they are not robust regarding changing winds. Next, we propose a new route structure for eastbound NAT traffic that benefit from the jet stream. This route structure is called Wind-Optimal Track Network (WOTN), and is constructed based on the reduced separation norms. WOTN covers larger airspace than the OTS, in order to handle the growing traffic. Roughly, WOTN is constructed in such a way that nearby parallel tracks are made to follow the jet streams and re-routing between tracks is only allowed in the input and output sections of the structure. Results reveal the importance of implementing a route structure in order to guaranty robust trajectories in the face of strong winds. Finally, we propose an approach to allow aircraft to safely exit the route structure in case of an emergency. The overall methodologies are implemented and tested with eastbound flight data over the NAT. We thereby produce conflict-free and robust trajectory planning for eastbound NAT flights, while benefiting from the reduced separation norms and the jet stream thus proving the efficiency of our approaches.

The impact of air travel on the climate, along with its increasing share in CO2 emissions have raised the demand for sustainable air travel solutions. The current aircraft technologies have seen significant improvement throughout the years. Although, the rate at which new aircraft technologies are developed can not keep up with the increased demand for air travel. Hence, a different approach to reduce the aviation’s impact on climate can be achieved by optimizing the vertical flight path in order to reduce the fuel consumption, i.e. using dynamic programming. Upon departure, an optimization of the vertical flight path is initiated and an optimal flight plan is suggested to the flight crew.  The fuel saving produced by the optimal flight plan is a potential saving that can only be fully achieved if the flight crew chose to fly according to the optimized flight path. However, restrictions from the Air Traffic Control, as well as the flight crew’s willingness to follow the optimized flight path can affect the achieved saving. Hence, a tool is developed in order to compute trip fuel consumption from post-flight data obtained from the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) surveillance technology. A method to identify the start and end positions of cruise segments is successfully implemented. Two methods of calculating the fuel are implemented and compared. The first method is based on simulating the actual flight, which uses the same performance model as for the simulation of the operational flight plan trip and optimized trip. The second method is based on utilizing the ADS-B data to obtain the aircraft speed which in return can be used as a parameter to obtain the fuel flow of the aircraft, hence the trip is not simulated. The results reveals that the simulation method produces flight trajectories that are comparable to the operational and optimized flight plans since they use the same model structure. However, using ADS-B data to obtain fuel consumption represents the actual flight trajectory more accurately.  Furthermore, an optimization algorithm based on the onboard Flight Management Computer is implemented. According to the results, the FMC optimization offers a sufficient optimization of the cruise phase, when compared to the OFP trip, however performs worse than the dynamic programming, which provides a global optimal solution. / Flygresornas inverkan på klimatet, tillsammans med dess ökande andel av CO2-utsläppen, har ökat kraven på hållbara flygplanslösningar. Den nuvarande flygplansteknologin har genomgått betydande förbättringar genom åren. Men takten för vilken ny flygplansteknik utvecklas kan inte hålla jämna steg med den ökade efterfrågan på flygresor. Däremot kan ett annat tillvägagångssätt för att minska flygets påverkan på klimatet uppnås genom att optimera den vertikala flygvägen för att minska bränsleförbrukningen, d.v.s. med hjälp av högupplösta väderdata. Vid avgång initieras en dynamisk programmering där optimering av den vertikala flygbanan och en optimal färdplan föreslås för flygbesättningen.  Bränslebesparingen som den optimala färdplanen ger är en besparingspotential som endast kan uppnås fullt ut om flygbesättningen väljer att flyga enligt den. Restriktioner från flygledningen, samt flygbesättningens vilja att följa den optimerade färdplanen kan dock påverka den uppnådda besparingen. Därav utvecklas ett verktyg för att beräkna färdens bränsleförbrukning från postflight data erhållna från Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) övervakningsteknologi. En metod för att identifiera start- och slutpositionerna för kryssningssegment implementeras framgångsrikt. Två metoder för att beräkna bränslet implementeras och jämförs. Den första metoden baseras på att simulera den faktiska flygningen. Denna metod använder samma prestandamodell som för simuleringen av den operativa färdplanens resa och den optimerade resan. Den andra metoden baseras på att använda ADS-B-data för att erhålla flygplanets hastighet, som i sin tur kan användas som en parameter för att få fram flygplanets bränsleflöde vid en tidpunkt. Resultaten visar att simuleringsmetoden ger flygbanor som är rättvist jämförbara med de operativa och optimerade flygplanerna, då de använder samma modell. Men att använda ADS-B-data för att få bränsleförbrukning representerar den faktiska flygbanan mer exakt.  Dessutom implementeras en optimeringsalgoritm baserad på den inbyggda Flight Management Computer. Enligt resultaten erhåller FMC-optimeringen en tillfredsställande optimering av kryssningsfasen, jämfört med OFP-resan, men presterar sämre än den dynamiska programmeringen, vilket alltid ger en global optimal lösning.

The Universal Access Transceiver (UAT) is one of the two datalinks available in Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B) system to facilitate air traffic control and flight tracking of small and general-purpose aircraft. By allowing aircraft to be tracked passively through a radio broadcast of the aircraft position and flight information, flight safety can be ensured and air traffic order is maintained. With the ADS-B initiative, surveillance is encouraged to cover not only residential areas but also remote regions where the infrastructure of a radar station is less likely to be available. Hence a passive, low-power, compact and portable device that receives the radio signal and shares the extracted flight information to control center is welcomed so that air traffic control and surveillance to nearby aircraft can be made possible without massive infrastructure cost. The aim of this thesis project is to develop a compact and portable solution of ADS-B UAT receiver using FPGA to demodulate the received UAT signal and extract valid UAT messages from it, as an extensional function to Skysense’s former product of ADS-B 1090ES receiver. The work presented herein mainly focuses on the development of FPGA functions of the receiver which comprises demodulating the digitized UAT signal and extract UAT payload message from the samples. This work demonstrates the design process and implementation of a 978 MHz UAT receiver using Altera Cyclone IV FPGA. The final demonstrated design is capable of demodulating sampled UAT signal and transfer the demodulated raw data bits to a processing unit through UART interface. Simulation result and synthesis report together with analysis are presented. / Universal Access Transceiver (UAT) är en av de två datalänkar som finns tillgängliga i Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B)-systemet för att underlätta flygkontroll och spårning av små och allmännyttiga flygplan. Genom att tillåta att flygplan spåras passivt genom en radiosändning av flygplanets position och flyginformation kan flygsäkerheten garanteras och flygordningen upprätthållas. Med ADS-B-initiativet uppmuntras övervakningen att inte bara omfatta bostadsområden utan även avlägsna regioner där det är mindre sannolikt att en radarstations infrastruktur är tillgänglig. Därför välkomnas en passiv, energisnål, kompakt och bärbar enhet som tar emot radiosignalen och delar den extraherade flyginformationen till kontrollcentralen så att flygkontroll och övervakning till närbelägna flygplan kan göras möjlig utan enorma infrastrukturkostnader. Syftet med detta avhandlingsprojekt är att utveckla en kompakt och bärbar lösning med ADS-B UAT-mottagare med FPGA som tilläggsfunktion till produkten ADS-B 1090ES-mottagare från företaget Skysense AB. Det arbete som presenteras här fokuserar främst på utvecklingen av FPGA-funktioner hos mottagaren, vilka består av att demodulera den digitaliserade UAT-signalen och extrahera UAT-meddelandet om nyttolast från proverna. Detta arbete visar designprocessen för och genomförandet av en 978 MHz UAT-mottagare med Altera Cyclone IV FPGA. Den slutgiltiga demonstrerade konstruktionen kan demodulera en samplad UAT-signal och överföra de demodulerade rådatabitarna till en behandlingsenhet genom UART-gränssnittet. Simuleringsresultat och sammanfattande rapport presenteras tillsammans.

The impact of air travel on the climate, along with its increasing share in CO2 emissions haveraised the demand for sustainable air travel solutions. The current aircraft technologies haveseen significant improvement throughout the years. Although, the rate at which new aircrafttechnologies are developed can not keep up with the increased demand for air travel. Hence, adifferent approach to reduce the aviation’s impact on climate can be achieved by optimizing thevertical flight path in order to reduce the fuel consumption, i.e. using dynamic programming.Upon departure, an optimization of the vertical flight path is initiated and an optimal flight planis suggested to the flight crew. The fuel saving produced by the optimal flight plan is a potential saving that can only be fullyachieved if the flight crew chose to fly according to the optimized flight path. However, restrictionsfrom the Air Traffic Control, as well as the flight crew’s willingness to follow theoptimized flight path can affect the achieved saving. Hence, a tool is developed in order tocompute trip fuel consumption from post-flight data obtained from the Automatic DependentSurveillance-Broadcast (ADS-B) surveillance technology. A method to identify the start andend positions of cruise segments is successfully implemented. Two methods of calculating thefuel are implemented and compared. The first method is based on simulating the actual flight,which uses the same performance model as for the simulation of the operational flight plantrip and optimized trip. The second method is based on utilizing the ADS-B data to obtain theaircraft speed which in return can be used as a parameter to obtain the fuel flow of the aircraft,hence the trip is not simulated. The results reveals that the simulation method produces flighttrajectories that are comparable to the operational and optimized flight plans since they use thesame model structure. However, using ADS-B data to obtain fuel consumption represents theactual flight trajectory more accurately. Furthermore, an optimization algorithm based on the on-board Flight Management Computeris implemented. According to the results, the FMC optimization offers a sufficient optimizationof the cruise phase, when compared to the OFP trip, however performs worse than the dynamicprogramming, which provides a global optimal solution / Flygresornas inverkan på klimatet, tillsammans med dess ökande andel av CO2-utsläppen, harökat kraven på hållbara flygplanslösningar. Den nuvarande flygplansteknologin har genomgåttbetydande förbättringar genom åren. Men takten för vilken ny flygplansteknik utvecklas kaninte hålla jämna steg med den ökade efterfrågan på flygresor. Däremot kan ett annat tillvägagångssättför att minska flygets påverkan på klimatet uppnås genom att optimera den vertikalaflygvägen för att minska bränsleförbrukningen, d.v.s. med hjälp av högupplösta väderdata. Vidavgång initieras en dynamisk programmering där optimering av den vertikala flygbanan och enoptimal färdplan föreslås för flygbesättningen. Bränslebesparingen som den optimala färdplanen ger är en besparingspotential som endast kanuppnås fullt ut om flygbesättningen väljer att flyga enligt den. Restriktioner från flygledningen,samt flygbesättningens vilja att följa den optimerade färdplanen kan dock påverka denuppnådda besparingen. Därav utvecklas ett verktyg för att beräkna färdens bränsleförbrukningfrån post-flight data erhållna från Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) övervakningsteknologi.En metod för att identifiera start- och slutpositionerna för kryssningssegmentimplementeras framgångsrikt. Två metoder för att beräkna bränslet implementeras ochjämförs. Den första metoden baseras på att simulera den faktiska flygningen. Denna metodanvänder samma prestandamodell som för simuleringen av den operativa färdplanens resa ochden optimerade resan. Den andra metoden baseras på att använda ADS-B-data för att erhållaflygplanets hastighet, som i sin tur kan användas som en parameter för att få fram flygplanetsbränsleflöde vid en tidpunkt. Resultaten visar att simuleringsmetoden ger flygbanor somär rättvist jämförbara med de operativa och optimerade flygplanerna, då de använder sammamodell. Men att använda ADS-B-data för att få bränsleförbrukning representerar den faktiskaflygbanan mer exakt. Dessutom implementeras en optimeringsalgoritm baserad på den inbyggda Flight ManagementComputer. Enligt resultaten erhåller FMC-optimeringen en tillfredsställande optimering avkryssningsfasen, jämfört med OFP-resan, men presterar sämre än den dynamiska programmeringen,vilket alltid ger en global optimal lösning.

<p>Examensarbetet som beskrivs i denna rapport handlar om en ny teknik för att förbättra säkerheten för flygplan i luften och i närheten av flygplatser. Denna teknik benämns ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast), och är tänkt att göra det möjligt för piloter att själva få information om trafik i närområdet. Nuvarande system baserar sig i huvudsak på visuella observationer från flygledare i kontrolltorn samt radarspaning omkring flygplatserna. Med det nuvarande systemet kommer det att bli både dyrt och svårt att upprätthålla en acceptabel nivå på flygsäkerheten när trafiken ökar. </p><p>Arbetet har bedrivits i AerotechTelubs regi i Linköping samt med hjälp ifrån företaget Sectra Wireless Technologies AB. Huvuddelen av arbetet inriktar sig på implementerandet av C-funktioner för att hantera kommunikationen och sammankopplandet av ett tidigare skapat system, för grafikvisning, med en transponder som hanterar ADS-B (tillverkad av Sectra). Målet med detta var att göra förberedande arbete åt AerotechTelub som de förhoppningsvis kommer att kunna använda i ett eventuellt kommande projekt. Rapporten tar upp några standarder som hör till konceptet GP&C (Global Positioning & Communication), samt beskriver de delar som ligger till grund för programmets funktion. </p><p>Examensarbetet har resulterat i ett demonstrationsprogram för att visa hur en lösning av problemet kan se ut. Det har tyvärr inte gått att säkerställa om programmet fungerar till fullo, men genom simuleringar och andra tester har huvuddelen av programmets funktioner gått att verifiera.</p>

Examensarbetet som beskrivs i denna rapport handlar om en ny teknik för att förbättra säkerheten för flygplan i luften och i närheten av flygplatser. Denna teknik benämns ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast), och är tänkt att göra det möjligt för piloter att själva få information om trafik i närområdet. Nuvarande system baserar sig i huvudsak på visuella observationer från flygledare i kontrolltorn samt radarspaning omkring flygplatserna. Med det nuvarande systemet kommer det att bli både dyrt och svårt att upprätthålla en acceptabel nivå på flygsäkerheten när trafiken ökar. Arbetet har bedrivits i AerotechTelubs regi i Linköping samt med hjälp ifrån företaget Sectra Wireless Technologies AB. Huvuddelen av arbetet inriktar sig på implementerandet av C-funktioner för att hantera kommunikationen och sammankopplandet av ett tidigare skapat system, för grafikvisning, med en transponder som hanterar ADS-B (tillverkad av Sectra). Målet med detta var att göra förberedande arbete åt AerotechTelub som de förhoppningsvis kommer att kunna använda i ett eventuellt kommande projekt. Rapporten tar upp några standarder som hör till konceptet GP&amp;C (Global Positioning &amp; Communication), samt beskriver de delar som ligger till grund för programmets funktion. Examensarbetet har resulterat i ett demonstrationsprogram för att visa hur en lösning av problemet kan se ut. Det har tyvärr inte gått att säkerställa om programmet fungerar till fullo, men genom simuleringar och andra tester har huvuddelen av programmets funktioner gått att verifiera.

The Small Aircraft Transportation System (SATS) is a partnership between the FAA, the NASA, US aviation companies, universities and state and local aviation officials. The purpose of SATS is to develop a system to handle future increase in Air Traffic, reduce time-travel, develop automation in Air Traffic Control (ATC) and make better use of small aircraft and underused airports. The Smart Landing Facility (SLF) is an important part of the program. The SLF is a small airport upgraded with equipment to support SATS aircraft. Among the SLF equipment, SATS needs new detection equipment, and eventually automation. This thesis investigates different techniques to avoid data collision in aircraft radar responses, and to reduce delays between landings and take offs. First, the paper shows how and when the radar receiver can separate two overlapped radar responses. Second, to avoid transponders responses overlapping, requirements in terms of aircraft safety distance are computed, different conflicts in air traffic around the SLF are examined and a solution is proposed for each case. And finally, the thesis investigates how far SATS can go in developing an automatic ATC system and what the role of future human operator will be in ATC. / Master of Science

No description available.

Standardized, collaborative decision-making processes have already been implemented at some network-relevant airports, and these can be further enhanced through data-driven approaches (e.g., data analytics, predictions). New cost-effective implementations will also enable the appropriate integration of small and medium-sized airports into the aviation network. The required data can increasingly be gathered and processed by the airports themselves. For example, Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) messages are sent by arriving and departing aircraft and enable a data-driven analysis of aircraft movements, taking into account local constraints (e.g., weather or capacity). Analytical and model-based approaches that leverage these data also offer deeper insights into the complex and interdependent airport operations. This includes systematic monitoring of relevant operational milestones as well as a corresponding predictive analysis to estimate future system states. In fact, local ADS-B receivers can be purchased, installed, and maintained at low cost, providing both very good coverage of the airport apron operations (runway, taxi system, parking positions) and communication of current airport performance to the network management. To prevent every small and medium-sized airport from having to develop its own monitoring system, we present a basic concept with our approach. We demonstrate that appropriate processing of ADS-B messages leads to improved situational awareness. Our concept is aligned with the operational milestones of Eurocontrol’s Airport Collaborative Decision Making (A-CDM) framework. Therefore, we analyze the A-CDM airport London–Gatwick Airport as it allows us to validate our concept against the data from the A-CDM implementation at a later stage. Finally, with our research, we also make a decisive contribution to the open-data and scientific community.