GNSS導(dǎo)航信息對抗技術(shù)研究

李軍正,張倫東,叢佃偉,陳軻

(信息工程大學(xué),地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450002)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航是以空間星座作為觀測目標(biāo),通過測距實現(xiàn)定位、導(dǎo)航和授時等功能的導(dǎo)航手段。世界主要大國都在致力于發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。覆蓋全球的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS),不是一個單一系統(tǒng),而是個多系統(tǒng)、多層面、多模式的復(fù)雜綜合系統(tǒng),主要有美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALILEO)、我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)(QZSS)和印度的區(qū)域增強系統(tǒng)(IRNSS)等,建成后空中可用衛(wèi)星數(shù)達(dá)到150顆以上。衛(wèi)星導(dǎo)航具有全球覆蓋、全天候服務(wù)、功能多、精度高、操作簡的優(yōu)點。

軍事應(yīng)用歷來是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的重要領(lǐng)域,在信息化時代,已成為高技術(shù)戰(zhàn)爭的重要支持系統(tǒng),它極大地提高了部隊的指揮控制、多軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)和快速反應(yīng)能力,大幅度地提高了武器裝備的打擊精度和效能。由于導(dǎo)航系統(tǒng)存在過度地面控制部分,容易被破壞;導(dǎo)航頻率公開、部分導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)公開,經(jīng)過長距離傳輸用戶接收到信號非常弱,容易受到干擾等缺陷。針對衛(wèi)星導(dǎo)航的信息對抗一直是導(dǎo)航戰(zhàn)研究的重點。

1 導(dǎo)航戰(zhàn)

1.1 導(dǎo)航戰(zhàn)的提出

導(dǎo)航戰(zhàn)是隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的廣泛應(yīng)用而引起的一種新的作戰(zhàn)方式,是信息化條件下的一種重要的軍事作戰(zhàn)模式。美國GPS聯(lián)合計劃辦公室(JPO)于1996年確定了導(dǎo)航戰(zhàn)計劃,用于解決電子戰(zhàn)對GPS的威脅,并于1997年4月在“GPS在軍事及民事方面的應(yīng)用”研討會上,正式提出了“導(dǎo)航戰(zhàn)”的概念:“在戰(zhàn)場環(huán)境中,阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,保證己方有效地利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,同時不影響戰(zhàn)區(qū)以外的地方和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。[1-2]”

從導(dǎo)航戰(zhàn)的概念可以看出,其包含兩個重要的內(nèi)容:阻止和保護(hù)。阻止就是“阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,同時不影響戰(zhàn)區(qū)以外的地方和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息”,這歸為進(jìn)攻導(dǎo)航戰(zhàn)研究的內(nèi)容;保護(hù)就是“保證己方有效地利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息”,歸為防御導(dǎo)航戰(zhàn)研究的內(nèi)容[3]。

1.2 導(dǎo)航戰(zhàn)的實例

2011年11月,伊防空部隊在東部邊境“擊落”一架美國無人偵察機RQ-170。2013年12月,伊朗聲稱在海灣水域“捕獲”一架侵入伊朗領(lǐng)空的美國無人機[4]。

一位參與破解RQ-170無人機系統(tǒng)的伊朗工程師稱:伊電子戰(zhàn)專家切斷了RQ-170的通信鏈接,然后通過使用從以前墜毀的美無人機上獲取的知識,再加上2011年9月伊朗宣布所擁有的技術(shù),重新設(shè)置了無人機的GPS參數(shù),使其誤認(rèn)為它確實是在阿富汗的基地而著陸。從捕獲的美軍無人進(jìn)行反向研究,2016年10月,伊朗伊斯蘭革命衛(wèi)隊航空部隊首次揭幕其最新型的“襖椎紜北無人機。指揮官哈吉扎德在揭幕式上說,“襖椎紜北無人機在隱形及遠(yuǎn)程打擊能力上,與美軍的RQ-170“處于同一水平”[3]。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航信息對抗

本文以動態(tài)用戶作為衛(wèi)星導(dǎo)航信息對抗攻擊目標(biāo),以GNSS為對抗手段進(jìn)行研究。

2.1 導(dǎo)航信息對抗原理

衛(wèi)星導(dǎo)航信息對抗是利用地基或空基導(dǎo)航對抗裝備產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航對抗信號,向攻擊目標(biāo)發(fā)射并被其接收,使其定位、測速和授時結(jié)果為期望的數(shù)值。導(dǎo)航信息對抗是導(dǎo)航戰(zhàn)的重要內(nèi)容,具有隱蔽性好、效能突出等優(yōu)點。

2.2 導(dǎo)航信息對抗常用方式

目前研究較多的兩種導(dǎo)航對抗信息實現(xiàn)方式主要有轉(zhuǎn)發(fā)式和生成式兩種,在工程實踐和對抗效果上各有優(yōu)劣。轉(zhuǎn)發(fā)式是攻擊者接收真實的導(dǎo)航信號并根據(jù)需求在不同衛(wèi)星信號上加上不同延遲,并放大發(fā)送,以期通過改變目標(biāo)接收機對衛(wèi)星信號的距離,達(dá)到改變接收機解算位置的效果。這種對抗方式無需知道實際導(dǎo)航信號的形式和電文結(jié)構(gòu),攻擊信號除延時外與真實信號完全相同,具有良好的欺騙效果。生成式是利用導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)布的接口控制文檔生成導(dǎo)航信號,對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機進(jìn)行干擾和攻擊。這種對抗方式需要知道導(dǎo)航信號的形式和電文結(jié)構(gòu),可以任意設(shè)置位置、速度和時間,具有靈活的特點。

2.3 技術(shù)上需要研究的問題

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航在軍事上的應(yīng)用問題,針對動態(tài)目標(biāo)導(dǎo)航信息對抗問題,有幾個方面進(jìn)行研究。

1) 衛(wèi)星導(dǎo)航信息對抗模式

研究生成式、轉(zhuǎn)發(fā)式兩種導(dǎo)航信息對抗的工作原理和適用環(huán)境,并從現(xiàn)實可行的角度論證分析應(yīng)用條件和對抗效果,以期達(dá)到最佳對抗效果。

2) 多天線導(dǎo)航信息對抗問題

針對多天線的導(dǎo)航信息對抗需要研究應(yīng)用條件和對抗效果。多天線在動態(tài)目標(biāo)上的作用大致可分為三種,即互相備份、數(shù)據(jù)相互比較和用于基線及姿態(tài)測量。動態(tài)目標(biāo)上放置多個天線用以發(fā)現(xiàn)和分辨異常信號,方法有兩類。1) 多個接收機解算結(jié)果的距離應(yīng)與其真實距離在一定的誤差允許范圍內(nèi),一般用測量的偽距進(jìn)行解算的結(jié)果;2) 利用多個接收機接收的數(shù)據(jù)計算動態(tài)目標(biāo)的姿態(tài),與慣導(dǎo)測量得到的姿態(tài)進(jìn)行比較,其差值應(yīng)當(dāng)在一定范圍內(nèi),采用的測量數(shù)據(jù)是載波相位觀測量。

3) 組合導(dǎo)航模式下的導(dǎo)航信息對抗問題

衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航組合條件下的衛(wèi)星導(dǎo)航具有新的特點,其導(dǎo)航信息對抗模式,需要結(jié)合慣性器件誤差特性和慣性導(dǎo)航原理,研究組合導(dǎo)航模式下的位置對抗方法,并利用設(shè)備進(jìn)行試驗驗證。

4) 導(dǎo)航信息對抗方案與流程設(shè)計

導(dǎo)航戰(zhàn)中信息對抗需要設(shè)計一定的方案和流程才能達(dá)到效果。設(shè)計中需要結(jié)合實際條件和歷史數(shù)據(jù),提出一種或幾種針對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航信息對抗的具體方案。設(shè)計的流程,需根據(jù)現(xiàn)實需求,分析對抗效果,并結(jié)合實際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗證。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

1) 組合導(dǎo)航的對抗方法

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有高精度的優(yōu)點,但信號容易受到遮擋和干擾且定位更新頻率低;慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有短時間精度高、更新頻率高的優(yōu)點,但誤差隨時間積累,定位結(jié)果容易發(fā)散。這兩種導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)缺點相補,慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航通過一定形式的融合可形成具有高精度、高更新率,同時誤差又不累積的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航定位原理,以及對抗信號需要滿足的條件,可以計算出干擾信號的時延與多普勒頻率,生成對抗信號。在實踐中,需要先獲得目標(biāo)的運動軌跡,并設(shè)計干擾陣地,利用對抗設(shè)備產(chǎn)生信號,實現(xiàn)對抗的目的。

2) 對抗信號的精確同步

對抗信號與實際信號的同步精度決定了對抗信號是否能夠快速進(jìn)入目標(biāo)接收機,并達(dá)到預(yù)期效果。GNSS民用信號一個碼片所對應(yīng)的時長為1 μs,同步精度達(dá)到一個碼片以內(nèi)時對抗信號可實現(xiàn)無縫接入。

對抗時采用授時型接收機、高精度原子鐘為生成式和轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源提供時間及頻率基準(zhǔn),并對發(fā)射信號進(jìn)行標(biāo)校的方法可以滿足時間同步精度需求。

3) 導(dǎo)航對抗信號的生成

導(dǎo)航對抗信號的生成,是根據(jù)衛(wèi)星軌道、鐘差、接收機位置、速度、空間環(huán)境影響等信息仿真得到用戶位置的接收機應(yīng)當(dāng)接收到的偽距、載波、多普勒和導(dǎo)航電文,并通過衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源生成與實際相符的信號。

導(dǎo)航信號仿真包括:衛(wèi)星星座仿真、衛(wèi)星鐘差仿真、空間環(huán)境參數(shù)仿真、軌跡仿真、以及相應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航電文仿真和觀測數(shù)據(jù)仿真生成等。

為確保對抗的可靠性,生成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括GPS、GLONASS、BDS、GALILEO等目前常用的系統(tǒng),并保證各系統(tǒng)信息的一致性。

3 技術(shù)試驗及效果

根據(jù)動態(tài)目標(biāo)可能配置的導(dǎo)航裝備以及衛(wèi)星導(dǎo)航當(dāng)前的狀態(tài),開展以下技術(shù)試驗,對導(dǎo)航信息對抗效果進(jìn)行分析驗證。

3.1 單天線接收機組合導(dǎo)航

利用單GNSS天線條件組合導(dǎo)航系統(tǒng)和導(dǎo)航模擬器在實驗室環(huán)境下進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航組合條件下的導(dǎo)航信息對抗。

實驗采用單天線GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源。對抗場景采用靜態(tài)、直線、圓周等運動狀態(tài),并以水平大圓運動條件為例,進(jìn)行效果分析;對抗設(shè)計的運動軌跡為:仿真的中心點為北緯40°、東經(jīng)116°、高程4 000 m,大圓周半徑600 km,運動速度為0～100 m/s,加速度為0～1 m/s2振蕩;采用組合導(dǎo)航輸出結(jié)果與模擬源設(shè)置結(jié)果的差異判斷對抗結(jié)果的有效性。

GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的速度、位置如圖 1和圖 2所示,與設(shè)計一致,從數(shù)據(jù)分析來看,單天線GNSS慣導(dǎo)組合可達(dá)到信息對抗設(shè)計的效果。

3.2 雙天線導(dǎo)航條件

動態(tài)目標(biāo)采用雙天線的目的是通過計算獲得姿態(tài)并與其他手段獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,計算得到的距離與已知距離進(jìn)行比較,用以判斷接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號是否為實際信號,由于需要計算基線，需要能采集載波相位的測量型接收機。

雙天線試驗采用兩臺測量型接收機和衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源。對抗場景采用靜態(tài)、直線、圓周等運動狀態(tài),并以勻速直線條件為例,進(jìn)行效果分析;對抗設(shè)計的軌跡為:起點為北緯30°、東經(jīng)110°、高程500 m,方向為45°,運動速度是50 m/s;兩天線間距離為1 m.采用軟件解算結(jié)果與模擬源設(shè)置結(jié)果的差異判斷對抗結(jié)果的有效性。

雙天線采集數(shù)據(jù)解算結(jié)果如圖3和圖4所示,試驗數(shù)據(jù)表明:1) 雙天線計算的姿態(tài)結(jié)果與天線實際關(guān)系相差較大,與理論分析結(jié)果一致; 2) 雙天線計算的基線結(jié)果與天線實際關(guān)系相差不大,但結(jié)果不穩(wěn)定,與理論分析不一致; 3) 計算結(jié)果與放置方位無關(guān),與運動方向相關(guān)。

由結(jié)果數(shù)據(jù)分析:① 多接收機作為備份、相互比較時可以實現(xiàn)導(dǎo)航信息對抗效果;② 多天線利用載波相位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)和基線解算無法實現(xiàn)信息對抗目的。

3.3 兼容定位系統(tǒng)試驗

兼容定位對抗試驗設(shè)置動態(tài)目標(biāo)處于野外真實環(huán)境下,先接收天空真實信號,然后用模擬源生成對抗信號,設(shè)計目標(biāo)運動狀態(tài)先保持靜態(tài),然后按照設(shè)計狀態(tài)進(jìn)行。試驗中動態(tài)目標(biāo)采用高精度組合導(dǎo)航設(shè)備,對抗信號采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器生成,結(jié)果數(shù)據(jù)采用組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理軟件提供;采用組合導(dǎo)航輸出結(jié)果與模擬源設(shè)置結(jié)果的差異判斷對抗結(jié)果的有效性。

1) 信號接入過程

在室外環(huán)境中,先接收天空真實信號,然后用模擬源生成對抗信號,目標(biāo)用戶動態(tài)為先保持3 min靜態(tài),然后加速度為0.2 m/s2勻加速直線運動,加速到200 m/s后保持勻速運動。接收機1 min后捕獲到對抗GNSS信號,3分47秒實現(xiàn)定位,6分秒設(shè)置目標(biāo)開始運動,實現(xiàn)慣導(dǎo)對準(zhǔn)后組合定位結(jié)果輸出,圖 5所示為接收機實現(xiàn)對準(zhǔn)的狀態(tài),圖6所示為目標(biāo)用戶解算得到的運動軌跡。

2) 對抗精度試驗

組合導(dǎo)航設(shè)備從信號失鎖重捕后開始GNSS輸出結(jié)果與GNSS-INS組合輸出結(jié)果比較如圖7所示,經(jīng)換算三個方向上差異小于25 m(95%),經(jīng)度、緯度上差異單位為°,高程差異單位為m.

4 結(jié)束語

目前,世界主要大國都在進(jìn)行針對衛(wèi)星導(dǎo)航的“導(dǎo)航戰(zhàn)”攻防技術(shù)研究,但技術(shù)高度保密。本文在分析導(dǎo)航信息對抗常用方式、關(guān)鍵技術(shù)以及解決途徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的技術(shù)試驗,為未來導(dǎo)航信息對抗研究奠定了基礎(chǔ)。

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[3] 叢佃偉,李軍正,劉婧.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)攻防技術(shù)[C].//第二屆全國測繪類研究生博士論壇,2014.

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