導航戰及其對抗技術

+ 劉天雄

導航戰及其對抗技術

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5.3 反電子欺騙技術

如果知道了授權用戶GPS接收機所接收衛星的信號特征，利用欺騙型干擾發射機，在GPS系統的L1 和 L2頻點 (1575 & 1227 MHz)發射調制有錯誤導航電文參數的虛假導航干擾欺騙信號，可以誘使授權用戶GPS接收機錯誤鎖定到干擾欺騙信號上,并產生錯誤的定位結果。利用商用GPS信號模擬器就可以很方便地生成含有虛假導航電文參數的干擾欺騙信號，如圖10所示。

為了防止這種電子欺騙干擾，美國國防部為采取了反電子欺騙AS（Anti-Spoofing）技術。反電子欺騙AS技術對P測距碼進一步加密，引入高度機密的W碼，將P碼與W碼進行模2相加，將P測距碼轉換成Y測距碼。由于W碼是高度機密，所以非授權用戶無法利用P測距碼進行精密定位，也沒有辦法發射適當頻率的干擾欺騙信號開展電子欺騙。

圖10 利用商用GPS信號模擬器生成含有虛假導航電文參數的干擾欺騙信號

表1 實時單點定位精度（平面，米）

SA和AS技術是各自獨立實施的。只有在美國國家處于緊急狀態時，才啟用W碼，實施反電子欺騙AS技術。在上述措施的影響下，目前不同用戶利用GPS系統進行實時定位可能達到的精度大致如表1所示（詳見衛星導航原理與應用，袁建平,羅建軍，岳曉奎. 北京，中國宇航出版社，2004.9）。

軍事與民用服務分開，即提供標準定位服務SPS和精密定位服務PPS兩種定位服務，增加選擇可用性技術和反電子欺騙技術并不能保證美軍在戰場上的信息絕對優勢，因為系統自身的薄弱環節并未解決。

圖11 GPS衛星信號到達地球表面后非常微弱

5.4干擾技術

GPS系統導航衛星下行信號的頻點固定，L1信號的中心頻率為1575.42MHz，L2信號的中心頻率為1227.6MHz，相對比較容易開展壓制式干擾，即干擾信號的中心頻率與L1/ L2信號的中心頻點一致，只要干擾信號能量大于GPS信號能量即可。由于GPS衛星播發信號到達地球表面后非常微弱（衛星播發的導航信號到達地面時功率為5E-17W），如圖11所示。同100W家用燈泡的功率相比，100W家用燈泡的功率是GPS信號功率的2E18倍。這樣地面微弱的干擾信號就能屏蔽空間GPS衛星播發的信號，使GPS用戶機接收不到GPS衛星播發的導航信號，從而達到干擾的目的。

GPS信號對帶內干擾是十分脆弱的，對GPS用戶接收機的干擾實際就是對GPS系統的下行信道信號干擾，包括壓制式干擾和欺騙式干擾兩種方式。

壓制式干擾就是發射一定帶寬、頻率和功率的L頻段干擾信號，造成GPS接收機的信號接收通道不能正常接收GPS衛星播發的信號，從而使接收機不能解算用戶的位置坐標。壓制式干擾包括單頻瞄準式（或連續波）干擾、帶內窄帶噪聲干擾和同頻帶寬帶干擾（或阻塞式干擾）三種壓制式干擾方式。壓制式干擾干擾信號過大很容易喪失隱蔽性，所以尋找合適的干擾功率是導航電子對抗的基本要求。壓制式干擾干擾機開啟和關閉對GPS接收機的影響如圖12所示。

欺騙式干擾就是干擾機播發虛假的GPS星歷和歷書，即衛星的軌道參數是假的，或者增加信號傳播時延，使測量的偽距產生偏差。接收機接收到虛假導航信號后，虛假的導航電文參數將導致GPS接收機解算出錯誤的位置信息。相比壓制式干擾，欺騙式攻擊的潛在危害性更大，因為目標接收機并沒有意識到威脅的存在。欺騙式干擾干擾機開啟和關閉對GPS接收機的影響如圖13所示。

圖12 干擾機開啟和關閉對GPS接收機的影響

欺騙式干擾就是干擾機播發虛假的GPS星歷和歷書，即衛星的軌道參數是假的，或者增加信號傳播時延，使測量的偽距產生偏差。接收機接收到虛假導航信號后，虛假的導航電文參數將導致GPS接收機解算出錯誤的位置信息。相比壓制式干擾，欺騙式攻擊的潛在危害性更大，因為目標接收機并沒有意識到威脅的存在。欺騙式干擾干擾機開啟和關閉對GPS接收機的影響如圖13所示。

對GPS用戶接收機的干擾應以轉發式欺騙干擾為主，輔以相關壓制干擾，即壓制干擾和欺騙干擾相結干擾方案，首先采取壓制干擾，使干擾區內的接收機失鎖并轉入信號搜索狀態，然后再切換到轉發式欺騙干擾，使接收機鎖定在虛假的GPS衛星信號上，最終導致接收機解算出錯誤的位置信息。目前自適應調零天線技術能使接收機的天線在干擾源方向的增益為零，從而不受干擾，因此，采用單一干擾方式、單個干擾源的干擾方法很難達到預期的干擾效果，可以在地面和空中實施組合干擾，這樣既可以降低對干擾功率的要求，還能擴大干擾范圍。

1999年巴黎航展上，俄羅斯Aviaconversiya公司展示了便攜式商業GPS信號干擾機，輸出功率為4瓦，發射機重453.592克，功耗22瓦，如圖14所示，在2003年海灣戰爭中，伊拉克軍方使用的俄羅斯研制的GPS信號干擾機如圖15所示，能對美國現有全球導航衛星系統的兩個頻段信號實施有效的干擾。

圖14 俄羅斯研制的便攜式GPS信號干擾機

圖15 俄羅斯研制的GPS信號干擾機

干擾信號功率越高，干擾范圍越大，干擾機價格越貴，但也更容易被識別和被摧毀，干擾功率與干擾范圍和成本的關系如圖16所示。試驗表明，一臺1W的跳頻噪聲GPS信號干擾機，可以使22Km范圍內的民用GPS用戶機不能正常工作。典型干擾信號包括連續波信號（CW）、掃頻信號、窄帶噪聲信號（Nb）、寬帶噪聲信號（Wb）、頻譜匹配信號（測距碼干擾）以及欺騙信號，干擾信號的有效性和其生成復雜性成正比，如圖17所示。

圖13 欺騙式干擾干擾機開啟和關閉對GPS接收機的影響

目前美國大量使用的接收機中，接收機抗干擾（anti-jam）能力、干擾機信號功率（jammer power）以及有效干擾范圍（effective jammer range）之間的關系如圖18所示，圖中橫坐標為有效干擾范圍（單位Km），縱坐標為接收機抗干擾能力（單位db）。軍用接收機的抗干擾指標是在5～50Km范圍內，不受10W干擾機的干擾。詳見美國國防部2005年10月公開發表的文章：Defense Science board Task Force on The Future of the Global Positioning System , Office of the Under Secretary of Defense For Acquisition, Technology, and Logistics Washington, D.C. 20301-3140. October 2005。只有當GPS接收機受到干擾時，才能計算干擾機的干擾效果。描述這一干擾效果的方法是用進入接收機內部的干擾信號功率除以GPS信號功率，所得到的效果比來表示，這個比率稱為干信比，單位為db。

圖16 GPS信號干擾機能力及成本示意

圖17 干擾信號的有效性和其生成復雜性關系

圖18 目前裝備的接收機抗干擾（anti-jam）能力

圖19 未來軍用接收機具有90dB抗干擾能力

可以預計未來便攜式GPS信號干擾機的發射功率很容易做到100瓦，甚至更高功率，因此未來軍用接收機的抗干擾指標應至少達到90db，這樣即使當干擾機達到1000瓦時，在2.5公里范圍內，軍用接收機仍然能夠正常工作，這樣美軍可以強干擾環境下保持GPS系統的定位能力，如圖19所示。.