Aviation Runway Lights Management Simulation System

本文将对Mini OT Aviation CAT-II Airport Runway Lights Management Simulation System（迷你OT航空CAT-II机场跑道灯光管理仿真系统）进行总体介绍。它是一个紧凑的网络孪生平台，旨在模拟基于PLC的二级机场精密仪表跑道灯光控制系统的运行。目前，我已经发布了v_0.0.1版本。由于我不是航空领域的专家，因此本文中的某些信息可能不够准确。如有任何需要改进或更正的地方，请随时与我联系。

项目设计目的：

航空系统是现代交通基础设施的关键支柱，集成了由机场、飞机、空中交通管制系统和配套数字技术组成的复杂网络。随着该行业越来越多地采用互联的复杂OT和IT系统，它正成为网络威胁的诱人目标。

根据国际民用航空组织（ICAO）的航空网络安全报告，针对航空领域的网络攻击在频率和复杂性上都有所增加。这些威胁影响了广泛的航空系统，包括飞机航空电子设备、机场SCADA系统、航空公司IT基础设施以及私人飞机运营和供应链管理等配套服务。

本项目专门关注航空机场OT基础设施的一个关键子集——机场跑道控制系统，该系统由空中交通管制（ATC）塔台管理。目的是设计和开发一个网络孪生平台，以模拟三个SCADA系统（跑道灯光、机场雷达和VHF无线电通信），并展示针对这些跑道SCADA系统的网络威胁如何扰乱空中交通运行。

# Author:      Yuancheng Liu
# Version:     v_0.0.1
# Created:     2025/06/16
# Doc_Copyright:   Copyright (c) 2025 LiuYuancheng

介绍

Mini OT Aviation CAT-II Airport Runway Lights Management Simulation System（迷你OT航空CAT-II机场跑道灯光管理仿真系统）是一个紧凑的网络物理仿真平台，旨在模拟二级机场精密仪表跑道灯光控制系统的运行。该系统专为网络安全演习、技术培训和教育目的而设计，提供了一个网络孪生平台，模拟真实的民用陆基机场CAT-II跑道环境，包括与ATC塔台运行相关的三个关键SCADA系统。

CAT-II跑道灯光管理系统：核心系统模拟11种塔台控制的跑道灯光和视觉指示器（如ILS和ALS），用于在飞机起飞、着陆和滑行操作期间提供引导。
天气和飞机跟踪雷达系统：辅助系统模拟天气雷达和飞机位置跟踪雷达以及塔台雷达数据监控系统。
VHF无线电通信系统：辅助系统模拟VHF飞行员-塔台通信。

为了增强真实感和互动性，该系统包括一个脚本化的飞机行为模块，该模块提供多个虚拟飞机，这些飞机遵循标准的ATC决策逻辑（例如新加坡民航局的ATC手册），该逻辑基于灯光、雷达和无线电子系统的信息。

系统使用演示视频如下所示：

该仿真系统在OT系统环境的多个层级（level0到level3）上构建，主要目标包括：

演示网络攻击对单个OT/SCADA系统的潜在影响，以及它如何级联以扰乱机场运营或服务。
支持航空和关键基础设施保护领域的OT网络演习、专业培训和意识计划。
提供一个经济高效、可扩展且简化的仿真平台，适用于实验室、学术机构和网络安全活动。

该项目的预期用例：

网络安全培训和演习，面向航空基础设施运营商、防御者和学生。
技术演示平台，用于提高OT控制的机场系统中的网络风险意识。
安全研究人员的测试平台，用于模拟航空SCADA系统中真实世界的OT漏洞。
支持学术或专业发展环境中的OT-ICS课程。

主要参考：所有使用的技术均遵循FAA空中交通出版物的“通用信息”部分https://www.faa.gov/air_traffic/publications/atpubs/aim_html/

系统结构

该仿真系统在OT环境的多个层级上构建——从Level 0物理过程到Level 3运营管理区。它镜像了机场跑道灯光控制系统的真实功能和网络架构，集成了SCADA运营、现场设备和数据管理服务。该系统遵循分层OT模型，从Level 0（物理I/O设备）到Level 3（运营管理区），允许用户测试和分析正常运营和网络受损场景。

系统结构图如下所示：

OT-Level 0：物理过程现场I/O设备

在此层级中，系统使用类似游戏的环境模拟机场跑道的物理世界，该环境模拟飞机、跑道灯光、无线电通信和雷达传感器之间的交互。它充当虚拟现场层，包括：

ALS（进近灯光系统）灯光
ISL（中间阶段灯光）和滑行道指示器
飞机跟踪雷达、天气雷达和跑道表面移动雷达
VHF通信天线和广播系统

这些组件接收来自下一层级Level 1 PLC的模拟电气控制信号，并返回虚拟反馈信号，例如灯光状态、雷达回波数据或VHF通信消息。

OT-Level 1：OT系统控制器LAN

此层级使用六个模拟PLC和一个雷达数据处理器来模拟工业控制器网络。组件及其角色包括：

跑道电源和状态PLC（W和E侧）：模拟ABB AC500 PLC，用于控制跑道上的电源和灯光状态（ALS、ISL、滑行道和区域灯光）
塔台控制PLC：管理支持系统，例如VHF天线、建筑物障碍灯和机场信标塔。
雷达控制PLC：控制雷达系统，包括天气、飞机跟踪和表面雷达。
雷达处理器（Simrad雷达仿真）：模拟从雷达单元的数据采集，并将输出处理为数字雷达回波“辐条”数据。

所有设备都使用模拟高频UDP信号进行通信，这些信号代表电气状态，以桥接lvl0虚拟物理现场和lvl1层OT控制器。

OT-Level 2：跑道控制塔处理LAN

此层级代表跑道ATC（空中交通管制）塔台中的操作，配备了不同的人机界面（HMI）和处理工作站：

跑道灯光控制HMI：允许操作员发出灯光电源和状态更改命令，并实时监控跑道灯光状态。与PLC的通信使用IEC 60870-5-104协议。
机场监视雷达HMI：显示雷达跟踪数据（飞机高度、速度、位置）、天气覆盖（云层覆盖、风数据）和表面移动检测。
VHF无线电仿真面板：显示塔台和飞行员代理之间的模拟ATC通信（例如信道状态）。
维护工作站：用于系统诊断、配置和SCADA事件日志记录。

此层级构成了仿真参与者使用的主要控制和监控界面。

OT-Level 3：运营管理区

此层级模拟机场的后端运营数据区，支持：

跑道OT数据管理服务器：用于实时OT系统监控和数据检索的中央服务器。
OT历史数据服务器：存档原始OT数据，例如PLC日志、雷达数据包和模拟VHF音频通信。
中间数据库服务器：为IT或分析团队提供对跑道运营记录的结构化访问。

此层支持数据驱动的决策、事件分析和报告，作为培训或红蓝队仿真场景的一部分。我还将在此层集成跑道监控摄像头系统。

系统模块概述

该系统的当前版本（v_0.0.1）围绕三个核心仿真模块构建，这些模块共同复制了真实的机场跑道OT环境：

2D物理世界可视化模块：该模块提供机场布局的自上而下的2D可视化，模拟跑道灯光、飞机移动和滑行操作的物理世界行为。它以可视方式表示起飞、着陆、等待和地面导航，为用户提供了一个直观的界面来观察控制系统操作的实时效果。
PLC控制器仿真模块：该模块模拟关键OT组件，例如PLC和雷达控制单元。它管理物理层（Level 0）和控制系统（Level 1）之间的虚拟电气信号交换，从而能够准确地模拟照明系统、雷达激活和通信子系统。
塔台SCADA-HMI系统模块：作为塔台的主要控制界面，该模块包括用于跑道灯光控制、雷达监控和VHF通信的HMI。它允许用户发出控制命令、监控系统状态，并在正常和对抗条件下模拟监管塔台操作。

未来的版本将扩展系统，添加雷达回波辐条信号仿真，从而提高飞机跟踪和天气监控功能的保真度。

2D物理世界可视化

2D机场跑道物理世界可视化模块是仿真系统的核心组件，提供了一个类似游戏的界面，具有CAT-II精密仪表跑道环境的自上而下的视图。它旨在模拟真实的机场布局，为用户提供飞机移动、跑道灯光行为和雷达监视区的详细可视化表示——这对于理解跑道管理的运营和安全方面至关重要。每个模拟飞机和环境对象都动态链接到OT数据——允许用户观察和分析PLC命令和HMI操作如何影响物理世界的行为。

该界面设计清晰，提供颜色编码的灯光、飞机图标、雷达弧和机场标牌符号，这些符号与两项国际标准一致：

照明布局和配置遵循二级跑道灯光标准（FAA Order 8400.13和ICAO Annex 10）链接
跑道上的标志、图标、标记和警报信号遵循精密仪表跑道标准。链接

2D物理世界可视化程序UI如下所示：

该模块模拟物理环境以及飞机、跑道灯光和监视系统的动态行为。该程序中模拟了三个核心功能：

实时飞机仿真

该系统模拟多达15种独特的飞机飞行模式，跨越四个高度级别，具有不同的飞机速度和姿态配置（横滚、俯仰、偏航、COG），包括以下各项之间的真实过渡：

Level 4高度（高于15,000英尺）–机场区域进入模式（最大265 KIAS）
Level 3（6,000–14,000英尺）–等待模式（最大230 KIAS）
Level 2（1,000–6,000英尺）–飞行航线模式，例如上风、侧风、下风、底边、最后进近和紧急复飞（最大200 KIAS）
Level 1（地面–1,000英尺）–详细的地面操作：滑行、起飞前、旋转、爬升和起飞后过渡

用户可以选择在显示选择面板中显示不同高度级别的模拟组件：

每架飞机的模拟行为都会动态影响并响应系统变量，例如灯光命令、雷达输入和程序中特定“检查区域”的虚拟通信提示。当飞机进入检查区域时，它将模拟与塔台的VHF无线电通信，并选择与正确速度和高度相关的模式，如果高度级别为1、2、3，则程序将模拟飞行员检查跑道灯光以确认状态并做出决定。该可视化还根据飞机航向、姿态和速度生成模拟CDI（航向偏差指示器）和HSI（水平状态指示器）值，从而提供飞行员级别的导航体验。

跑道灯光和指示器仿真

在该程序跑道上，可视化集成了11类CAT-II精密跑道灯光和指示器，遵循真实的灯光规格，如下所示：

[1]民用机场信标：帮助飞行员识别机场位置，并协助ATC塔台操作员评估SMR警报（例如，鸟群或无人机活动）。参考链接
[2] ALS进近横杆灯：中心线上的横杆灯，用于辅助最终仪表进近。参考链接
[3]跑道警告区指示器：黄色灯光指示缩短的跑道区域，用于安全着陆评估或突出显示紧急情况。
[4]跑道边缘灯：白色边界灯，可在低能见度条件下增强能见度。
[5]精密进近航迹指示器（PAPI）：提供下滑道引导，以防止下降异常。参考链接
[6]跑道延长灯：在起飞或着陆期间延长沿跑道末端的视觉参考。
[7]机场障碍灯：标记机场区域跑道附近危险物体或结构。
[8]滑行道中心线灯：嵌入式绿色灯光，引导飞机安全地沿滑行路径行驶。参考链接
[9]滑行道间隙横杆灯：指示滑行道上的等待点或交叉点，从而增强跑道入侵预防。
[10]跑道入口灯：绿色单向灯，标记可用的着陆入口。
[11]起飞等待灯：与RWSL系统集成，以防止过早起飞或跑道进入。

每个照明元件都通过模拟PLC进行控制，与塔台HMI协调，并监控运营状态和异常情况。

雷达系统集成

三种类型的机场监视雷达（ASR）系统以可视方式表示，并与飞机的移动实时交互：

飞机跟踪雷达–模拟在所有飞行高度级别上的飞机检测和跟踪。
天气监控雷达–在高度级别2和3上显示本地化天气事件（例如，风、云、风暴），以供塔台进行决策。
表面移动雷达（SMR）–监控地面上的物体和活动（例如，鸟群、流氓无人机），并在高度级别1下生成跑道入侵警报。

这些雷达输入支持场景开发、培训以及涉及被操纵或欺骗的传感器数据的 OT 网络威胁模拟。

PLC 控制器仿真模块

PLC 控制器仿真模块是系统架构的关键组成部分，它模拟了真实机场 OT 系统中使用的工业级控制器的行为。在这个仿真中，我使用了 IEC 60870-5-104 协议 PLC 仿真器模块 https://www.linkedin.com/pulse/python-virtual-plc-simulator-iec-60870-5-104-protocol-yuancheng-liu-bov7c 我之前开发的模块，用于模拟 ABB AC500 PLC 的部分基本功能 (https://www.abb.com/global/en/areas/motion/plc/programmable-logic-controllers/ac500)。PLC 仿真框架负责接收来自塔台 SCADA HMI 的控制请求，执行逻辑功能 (LD/ST)，通过模拟的电信号监控现场状态，并将状态值报告回 HMI。

控制器结构和仿真角色

每条跑道灯或指示器都由两种类型的 PLC 管理：

电源控制 PLC：

控制特定灯或子系统的电源。
监控电压、电流和运行状态等电气状态。
需要通过电源 HMI进行间接控制，激活或关闭需要多步安全确认。
无法从主跑道灯 HMI 直接操作。

状态管理 PLC：

控制灯的运行参数（例如，颜色、强度、闪烁模式）。
直接与跑道灯控制 HMI通信。
能够根据 ATC 操作或模拟场景动态调整跑道灯。

PLC 控制工作流程

PLC 和其他系统组件之间的控制工作流程如下图所示：

每个 PLC 通过一致的内部映射结构报告其测量值（例如，M_SP_NA、M_DP_NA、M_ME_NB）并接收控制命令（C_SC_NA、C_RC_NA）。这些值在仿真中动态可视化，允许用户观察物理状态变化和数字信号交换。

工作流程组件：

输入映射模块接收来自 HMI 的实时控制信号（通过 IEC104 客户端）。
内存管理模块存储测量点（例如，电源状态、雷达反馈）和可变点（例如，开/关命令、亮度）。
梯形图逻辑/结构化文本计算模块基于工业自动化标准或过载控制执行内部逻辑运算。
输出映射模块将内部结果转换为模拟/数字电信号，通过高频 UDP 消息发送到 0 级现场 I/O 设备，以模拟电信号变化。

PLC-HMI 和设备映射

在当前版本 (v_0.0.1) 中，系统实现了六个虚拟 PLC，它们与2D 物理世界可视化模块和 SCADA HMI 通信，如下所示：

每个 PLC 都映射到特定的机场子系统：

PLC 名称	PLC_ID	受控元件	链接的 HMI
西跑道电源 PLC	PLC-01	进近灯光系统 (ALS)、仪表着陆系统 (ISL)、区域灯和滑行道指示器（跑道 12 - 西）	塔台电源控制 HMI
东跑道电源 PLC	PLC-02	进近灯光系统 (ALS)、仪表着陆系统 (ISL)、区域灯和滑行道指示器（跑道 23 - 东）	塔台电源控制 HMI
西跑道状态 PLC	PLC-03	跑道 12 上的进近灯光系统 (ALS)、仪表着陆系统 (ISL)、区域灯和滑行道指示器状态（颜色、强度、闪烁）	跑道灯控制 HMI（跑道 12 选项卡）
东跑道状态 PLC	PLC-04	跑道 23 上的进近灯光系统 (ALS)、仪表着陆系统 (ISL)、区域灯和滑行道指示器状态（颜色、强度、闪烁）	跑道灯控制 HMI（跑道 23 选项卡）
跑道系统控制 PLC	PLC-05	跑道信标、边缘灯、VHF 天线、障碍灯、广播系统	跑道系统控制 HMI
雷达系统控制 PLC	PLC-06	飞机跟踪雷达、气象雷达、地面移动雷达、雷达塔电源	雷达 HMI 控制面板

塔台 SCADA-HMI 系统模块

塔台 SCADA-HMI 系统是 Mini OT Aviation CAT-II 机场跑道灯光管理仿真系统的监控层。它通过一组集成的人机界面 (HMI) 提供对所有机场跑道照明和雷达子系统的交互式监控和控制，这些人机界面通过四种类型的 OT 通信总线连接到六个可编程逻辑控制器 (PLC)，如下所示：

HMI–PLC 通信总线：

系统控制总线 (IEC-104)：通过系统控制 HMI 控制系统和子系统电源状态（开/关）[正在编辑的 HMI 程序 (v_0.0.1)，目前设置为灯光 HMI 下的一个选项卡，稍后我将把它拆分为一个单独的 HMI]。
灯光状态控制总线 (IEC-104)：管理来自跑道灯 HMI 的所有 11 种类型的跑道照明元件。
雷达天线控制总线 (IEC-104)：通过雷达控制 HMI 切换 3 种类型的雷达天线模式（例如，待机或主动传输）并控制雷达塔。
雷达数据和功能总线（BR24 和 Simnet 协议）：传输雷达回波辐条数据并启用高级雷达控制，包括飞机跟踪和雷达范围调整。

塔台跑道灯控制 HMI

跑道灯控制 HMI提供了一个可视化的模块化界面，用于管理飞机在起飞、着陆和滑行操作期间的照明。用户界面如下所示：

它具有三个关键控制面板：

西进近（跑道 12）面板：控制在跑道 12 上着陆的飞机的进近灯光系统 (ALS)。
东进近（跑道 23）面板：控制从相反方向进近的飞机的进近灯光系统 (ALS)，跑道 23。
主跑道和滑行道面板：显示当前跑道状态和照明状态。它允许操作员引导着陆的飞机前往航站楼，并将准备起飞的飞机引导至正确的跑道入口点。它还包括跑道和滑行道灯的可调节亮度控制。

机场监视雷达控制和监控 HMI

雷达控制和监控 HMI用作雷达子系统管理和飞机态势感知的可视化和功能界面。用户界面如下所示：

主要功能包括：

雷达回波可视化：显示雷达回波辐条图像，同时实时突出显示跟踪的飞机位置。
雷达运行控制：提供雷达待机模式、传输激活和范围调整的切换控制。
飞机高度监控：绘制并比较雷达检测到的飞机高度与通过 VHF 通信报告的高度，支持异常检测和冗余验证。

总结

总之，Mini OT Aviation CAT-II 跑道灯光管理仿真系统为航空网络安全准备提供了关键能力。通过准确复制分层 OT 架构中跑道照明、雷达和通信 SCADA 系统之间的相互依赖性，这个网络孪生平台能够对源于网络攻击的级联故障场景进行逼真的建模。其类似游戏的 2D 可视化、PLC 仿真和塔台 HMI 界面为培训基础设施防御者、测试漏洞和演示网络威胁影响提供了一个易于访问但技术上严谨的环境。