衛(wèi)星導(dǎo)航終端對抗技術(shù)綜述

王巍 趙彥雷

(1.火箭軍參謀部軍事訓(xùn)練中心,北京 100085;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊 050081)

0 背景

衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)在軍事應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中得到日益廣泛的應(yīng)用,重要性日趨明顯。目前隨著GPS、GLONASS和北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展,在地理信息位置服務(wù)行業(yè)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)價值,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、物流運(yùn)輸、電信電力、智慧交通、測繪建筑、防洪救災(zāi)等各個領(lǐng)域提供了大量精準(zhǔn)的地理信息支撐。同時,在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)為信息化作戰(zhàn)系統(tǒng)和精確制導(dǎo)武器提供了精確的時空基準(zhǔn),發(fā)揮著越來越重要的作用。

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的一個重要特征是精確打擊手段,而衛(wèi)星導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)逐漸發(fā)展成為精確制導(dǎo)的重要手段。從1991年的海灣戰(zhàn)爭到后來的科索沃、阿富汗、伊拉克、利比亞戰(zhàn)爭,衛(wèi)星導(dǎo)航制導(dǎo)武器的比重越來越高,分別達(dá)到7.7%、30%、60%、90%和100%。以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)手段已經(jīng)成為決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素。在衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)的軍事和民用作用日益突出的背景下,對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其無線電頻譜資源的爭奪和控制也日趨激烈,出現(xiàn)了導(dǎo)航戰(zhàn)的概念和部署計劃,形成了獨特的導(dǎo)航戰(zhàn)表現(xiàn)形式[1]。

導(dǎo)航戰(zhàn)概念由來已久,起源于二戰(zhàn)時期的導(dǎo)航對抗。在GPS系統(tǒng)投入使用以后,導(dǎo)航戰(zhàn)得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。自21世紀(jì)以來,美國發(fā)布了多個關(guān)于導(dǎo)航戰(zhàn)的政策文件,不斷形成和完善導(dǎo)航戰(zhàn)的理論和規(guī)劃,同時積極開展導(dǎo)航戰(zhàn)方面的技術(shù)研究,并將其應(yīng)用到軍事演習(xí)和實際行動中。導(dǎo)航戰(zhàn)的概念內(nèi)涵包括:阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)信息進(jìn)行導(dǎo)航定位;在敵方實施導(dǎo)航戰(zhàn)的情況下保證自己能夠利用高精度導(dǎo)航定位信息;不影響戰(zhàn)區(qū)外民用用戶和平利用導(dǎo)航定位信息。依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點,目前現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、中國北斗系統(tǒng)以及日本QZSS、印度NAVIC)均是無線電信號測距的工作原理,為無源接收的方式。普遍有信號頻率公開、編碼方式公開、導(dǎo)航電文公開、衛(wèi)星信息公開、向廣大用戶開放的特點,很容易受到各種類型、各種方式的惡意干擾[1]。

1 導(dǎo)航戰(zhàn)的脈絡(luò)分類

導(dǎo)航戰(zhàn)概念來源于電子戰(zhàn)。和電子戰(zhàn)類似,最大程度防止和破壞敵對方利用GNSS系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位,同時保證己方對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有效保護(hù)實現(xiàn)高可用導(dǎo)航定位,這是導(dǎo)航戰(zhàn)的主要使命任務(wù)。導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)能力在某種程度上代表衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)的先進(jìn)程度及魯棒可用性,是保證一個國家在戰(zhàn)時對抗條件下打贏以高可靠導(dǎo)航定位引導(dǎo)的信息化戰(zhàn)爭的前提。

導(dǎo)航戰(zhàn)主要劃分為對敵和對我兩個技術(shù)門類,即進(jìn)攻性和防御性兩個方面。具體包括:

(1)對敵方主要采用進(jìn)攻性手段,干擾、燒毀、破壞乃至摧毀敵方的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地面站、終端設(shè)備,阻止敵方獲取有效的導(dǎo)航定位信息,從而大大降低敵方的作戰(zhàn)性能,嚴(yán)重的喪失作戰(zhàn)能力。根據(jù)進(jìn)攻目標(biāo)的不同,可以分為以下三個方面:1)摧毀空間導(dǎo)航衛(wèi)星。采用反衛(wèi)星武器、定向能(微波、激光、粒子束等)或動能武器等太空武器摧毀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間段(空間導(dǎo)航衛(wèi)星),或者從地面大功率輻射導(dǎo)航衛(wèi)星使其致盲;2)破壞衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面運(yùn)行控制系統(tǒng)。地面運(yùn)行控制系統(tǒng)中的主控站、監(jiān)測站、地面站等的地面位置固定,很容易受到精確打擊武器的攻擊。其發(fā)射系統(tǒng)龐大,遙控遙測信號微弱,很容易受到電磁干擾。從而導(dǎo)致整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)癱瘓。3)干擾或者大功率燒毀用戶終端設(shè)備。采用大功率壓制干擾,使得干擾區(qū)域的軍用衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備無法完成正常定位,降低其作戰(zhàn)效能。采用生成式或轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾使得軍用衛(wèi)星導(dǎo)航終端輸出錯誤的位置信息,嚴(yán)重的被連續(xù)欺騙以至于平臺被敵方捕獲。還有研究采用高功率窄脈沖武器燒毀敵方衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備。

(2)對己方設(shè)備主要采用防御性手段,采取有效措施抑制、消除敵方的干擾和破壞手段,保證己方獲取穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的導(dǎo)航定位信息,從而保證己方的作戰(zhàn)效能。根據(jù)防御目標(biāo)的不同,也可以分為以下三個方面:1)增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段(空間導(dǎo)航衛(wèi)星)的抗摧毀能力。新發(fā)射的衛(wèi)星采用防微波、防激光加固措施,將原來的銫鐘替換為氫原子鐘,將時間精度上升一個數(shù)量級;增加運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量,增加備份衛(wèi)星;增加了星間鏈路設(shè)計,在沒有地面系統(tǒng)支持的情況下,衛(wèi)星仍可以在軌運(yùn)行180天,滿足10m以內(nèi)定位要求。2)增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的抗破壞能力。進(jìn)一步加強(qiáng)地面運(yùn)行控制系統(tǒng)及其周邊區(qū)域的安全保衛(wèi)措施,防止敵方攻擊破壞;用分布式結(jié)構(gòu)代替目前主控站的主計算機(jī);對地面站采取物理加固措施,增加遙控遙測信號的加密措施和抗干擾能力。3)增強(qiáng)地面用戶終端設(shè)備的抗干擾和抗燒毀能力。提高軍用終端設(shè)備的抗燒毀能力設(shè)計,防止大功率武器燒毀前端電路。創(chuàng)新導(dǎo)航信號體制設(shè)計,提升信號的抗干擾、防破譯和反欺騙能力。增加各類軍用導(dǎo)航終端裝備的抗干擾能力,采用時域、頻域、空域和信息域多種抗干擾措施,增加與時間系統(tǒng)、組合導(dǎo)航的融合能力。

下面對衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)終端設(shè)備的抗干擾技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)終端設(shè)備的抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航（GNSS）終端設(shè)備采用的抗干擾技術(shù)主要有6種，如表1所示。

美軍的GPS終端抗干擾技術(shù)應(yīng)用開展時間早，研究內(nèi)容充分，在各個武器平臺均有適應(yīng)性成熟應(yīng)用。針對不同軍兵種武器平臺對GPS終端設(shè)備的不同使用需求進(jìn)行了針對性設(shè)計，形成了種類繁多的抗干擾GPS設(shè)備家族，增強(qiáng)了各個武器平臺終端設(shè)備的抗干擾能力。聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈（JASSM）加裝了新型GPS 抗干擾接收機(jī)（G-STAR），該種接收機(jī)采用空時聯(lián)合自適應(yīng)處理（STAP）技術(shù)，提高了單純空域處理的魯棒性，增加了空域處理的自由度，抗干擾能力比目前使用的GPS接收機(jī)提高幾個數(shù)量級。陸軍航空導(dǎo)彈研究發(fā)展中心研發(fā)了應(yīng)用于多種導(dǎo)彈和火箭彈的GPS抗干擾陣列天線，可對抗掃頻、脈沖、噪聲、匹配譜等多種干擾信號。

表1 衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)終端設(shè)備常見抗干擾技術(shù)

3 針對衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)終端設(shè)備的干擾技術(shù)

3.1 壓制式衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)干擾

由于到達(dá)地面的衛(wèi)星導(dǎo)航信號非常微弱,比周圍熱噪聲還要低30分貝,很容易受到各種壓制干擾信號的影響。壓制式衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)干擾主要是通過大功率干擾機(jī)發(fā)射壓制真實信號的干擾,衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機(jī)基帶處理無法解調(diào)真實信號而無法正常工作。研究表明,一個發(fā)射功率1W的GPS干擾機(jī)可以干擾周邊25公里的GPS信號,并且功率每增加6分貝干擾距離增加一倍。

壓制式衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)干擾機(jī)實現(xiàn)技術(shù)難度小,成本低,很容易被掌握并廣泛應(yīng)用。俄羅斯在壓制式衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)干擾機(jī)方面起步早,技術(shù)成熟,種類繁多。早在伊拉克戰(zhàn)爭中俄羅斯提供給伊軍使用的GPS干擾機(jī),質(zhì)量僅3千克,發(fā)射功率5W,有效作用距離可達(dá)數(shù)百公里。R－330Zh“居民”衛(wèi)星導(dǎo)航無線電干擾機(jī)被俄軍部署在敘利亞,能有效地干擾GPS信號。為了保護(hù)重要戰(zhàn)略設(shè)施和軍事目標(biāo)免遭GPS制導(dǎo)的精確制導(dǎo)武器攻擊,俄軍裝備了新型“磁場-21”電子干擾系統(tǒng)。在蜂窩狀通訊鐵塔上分布式安裝干擾設(shè)備有效地實現(xiàn)了對特定區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航信號屏蔽,實現(xiàn)對己方目標(biāo)的盾狀保護(hù)[2]。

另外,朝鮮和伊朗也掌握了一定程度的GPS干擾技術(shù),并形成了相應(yīng)的裝備,對美軍GPS設(shè)備形成了一定的威脅[3]。

圖1 Todd 團(tuán)隊設(shè)計的欺騙干擾源實物圖

3.2 欺騙式衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)干擾

欺騙式衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)干擾是指采用與衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)信號相同的載波頻率、偽碼序列和調(diào)制方式產(chǎn)生干擾信號,針對衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)系統(tǒng)的工作機(jī)理、導(dǎo)航接收機(jī)工作特性存在的薄弱環(huán)節(jié)采用的隱蔽干擾手段。干擾功率比較低,一般比熱噪聲信號低,比真實信號高3dB～15dB,是近年來比較熱的干擾手段。對衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)信號進(jìn)行欺騙干擾主要有兩種方式:轉(zhuǎn)方式欺騙干擾和生成式欺騙干擾。

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾方式是將接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)信號經(jīng)過一定時間延遲功率放大后重新發(fā)送出去,以構(gòu)造一組虛假的衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)信號,使接收機(jī)出現(xiàn)解算錯誤。該方式在技術(shù)實現(xiàn)上相對比較容易,是目前最主要的欺騙干擾方式。

生成式欺騙干擾方式是通過生成與衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)信號相同的無線電信號通過放大發(fā)射出去,干擾衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機(jī)使其鎖定在干擾信號上,實現(xiàn)接收機(jī)位置的欺騙。目前,對民碼和P碼的生成式欺騙干擾可以實現(xiàn),對軍用Y碼和M碼的生成式欺騙干擾產(chǎn)生難度較大, 不易實現(xiàn)。

俄羅斯在欺騙式GPS干擾領(lǐng)域開展時間較長,積累了豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗,推出了大量欺騙干擾設(shè)備。上世紀(jì)90年代,俄羅斯推出了能擾亂美國預(yù)警機(jī)GPS接收機(jī)的欺騙式電子干擾器。普遍使用GPS制導(dǎo),俄羅斯還研制出了針對美國“戰(zhàn)斧”、聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)等GPS制導(dǎo)武器的干擾機(jī),宣稱可對導(dǎo)彈飛行不同階段的GPS信號進(jìn)行干擾和評估。以針對聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)的干擾機(jī)為例,不僅能干擾聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)的正常發(fā)射和飛行,甚至還能改變其航向從而飛向己方陣地,還能阻止導(dǎo)彈在制導(dǎo)末段鎖定攻擊目標(biāo)。

在衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾領(lǐng)域,伊朗俘獲美國RQ-170“哨兵”隱身無人機(jī)當(dāng)屬最成功的案例。伊朗從俄羅斯進(jìn)口了“汽車場”主動干擾系統(tǒng),依托本系統(tǒng)首先采用針對軍碼的壓制干擾使得無人機(jī)的GPS設(shè)備退到民碼信號,對民碼信號進(jìn)行生成式欺騙,使其誤認(rèn)為降落到了美軍基地從而捕獲完整無人機(jī)系統(tǒng)。

在敘利亞戰(zhàn)場上,俄羅斯將改進(jìn)后的“杠桿－AV”電子戰(zhàn)系統(tǒng)加裝在“米－8 MTPR－1”直升機(jī)上。“杠桿－AV”系統(tǒng)針對性改進(jìn)了分布式導(dǎo)航天線,使若干個衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線同時接收到虛假衛(wèi)星導(dǎo)航信號,從而突破衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾系統(tǒng)進(jìn)行欺騙式攻擊[4]。

在民碼欺騙方面,美國德州大學(xué)的Todd Humphreys教授研制了一個欺騙干擾源,主要是在衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)的基礎(chǔ)上增加了加載欺騙軟件模塊的硬件發(fā)射模塊,并通過依賴GPS導(dǎo)航的一架無人機(jī)和一架游艇分別演示了欺騙干擾源的可行性。通過其他探測手段準(zhǔn)確探知目標(biāo)接收機(jī)的運(yùn)動狀態(tài),將接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行處理后重新發(fā)出,使得欺騙信號到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的相位和真實衛(wèi)星信號一致,逐漸加大欺騙信號的能量,導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤環(huán)路被引導(dǎo)到欺騙信號,再逐步拉偏欺騙信號的相位,最終使目標(biāo)接收機(jī)得出錯誤的定位結(jié)果,連續(xù)改變欺騙信號的相位目標(biāo)接收機(jī)被欺騙到指定位置。該欺騙干擾設(shè)備具備12通道衛(wèi)星信號欺騙能力,真正意義上實現(xiàn)了對衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)無感欺騙干擾,Todd Humphreys教授研制的干擾源如下圖1所示。

2012年6月，Todd Humphreys團(tuán)隊在美國國防部組織的GPS無人機(jī)欺騙試驗中，采用民用GPS欺騙干擾設(shè)備釋放連續(xù)欺騙信號，通過控制飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)使飛機(jī)高度逐步降落，控制人員在其接近地面時通過手動操作又使得飛機(jī)飛起，該欺騙干擾設(shè)備的硬件成本不到1000美元。2013年Todd Humphreys團(tuán)隊又引導(dǎo)欺騙一艘游艇，使得該游艇偏離了航向。上述案例有效驗證了衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備可能存在的隱患問題[4]。

4 總結(jié)

由上述分析可知,導(dǎo)航終端的干擾和抗干擾可謂道高一尺,魔高一丈,技術(shù)交替發(fā)展進(jìn)步。目前,單一的干擾方式已經(jīng)無法或很難對自適應(yīng)調(diào)零天線+M碼接收機(jī)+慣導(dǎo)緊耦合的方式產(chǎn)生有效的影響,因此未來的干擾方式也應(yīng)該是多維度的聯(lián)合對抗,包括壓制干擾配合欺騙干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙配合產(chǎn)生式欺騙、陸基/空基/天基聯(lián)合干擾以及遠(yuǎn)距離支援干擾配合分布式小功率干擾等。