美國GPS系統導航戰技術發展分析

楊寧虎 劉春保 楊哲 （ 中國衛星導航系統管理辦公室， 北京空間科技信息研究所， 中國空間技術研究院）

1 概述

1997年，美軍正式提出“導航戰”概念，并將其定義為：阻止敵方使用衛星導航信息，保證己方和盟友部隊可以有效地利用衛星導航信息，同時不影響戰區以外區域和平利用衛星導航信息。美軍還確立了導航戰的作戰目標，即：“在戰場上取得導航優勢；確保GPS系統正常運行，使美軍和盟軍不受干擾地使用該系統；阻止敵軍在戰場上使用GPS系統，并使敵方的衛星導航系統不能正常工作或不能正常使用其服務”。

2 衛星導航系統導航戰技術分類與主要作用

按功能與作用的不同，衛星導航系統的導航戰技術可以分為：①在地面運行控制系統受損條件下保證衛星導航系統正常運行的自主導航技術，如星間鏈路技術、星間測距技術、星歷與導航電文自主生成技術等；②拒絕、阻止敵方使用己方衛星導航系統的拒止技術，如星上信號功率可調、關閉民用信號等技術；③干擾條件下增強衛星導航服務能力的功率增強技術，如點波束增強技術、高功率放大器與天線技術；④用于實現導航信號重構的在軌可重新編程與信號重構技術；⑤保證衛星導航系統網絡空間安全與信息安全的技術，如網絡安全與信息保證技術等。

目前，全部導航戰技術均由美國率先提出、研發和投入使用，俄羅斯與歐洲均處于跟隨發展狀態。

自主導航技術

自主導航是指在失去地面測控和運控支持的前提下，衛星星座或構成星座的衛星通過自身的測量獲得信息，利用自主導航算法實現星座自主運行。

自主導航技術是最早應用于衛星導航系統的導航戰技術，其主要作用是在地面運行控制系統受損，不能為衛星導航系統空間星座提供正常的測控與數據更新服務時，衛星導航系統空間星座具有自主地完成星座維持與星歷更新，且在一定時間范圍內提供滿足要求的定位導航與授時服務的能力。

GPS系統空間星座全部由具有自主導航功能的衛星（包括GPS－2R、2RM和2F三個型號的衛星）組成，已全面具備自主導航能力。目前，俄羅斯與歐洲已經啟動了自主導航技術的研究，預計“格洛納斯”（GLONASS）系統和“伽利略”（Galileo）系統將于2030年前全面具備自主導航能力。

導航拒止技術

導航拒止技術是用于阻止敵方使用己方衛星導航能力的技術，是擁有衛星導航系統的國家限制、阻止他方使用自己的衛星導航能力的關鍵技術。衛星導航系統是典型的軍民兩用系統，且民用信號完全開放，任何國家、組織或個人均可接收并免費使用。美國軍方規定：美國軍用衛星導航設備應能兼容包括天基增強系統在內的所有衛星導航系統，以增強美軍衛星導航服務的精度、可用性與穩健性等。

為阻止敵方使用GPS系統，美國軍方研發了用于拒絕、阻止敵方使用GPS系統服務的技術——星上信號功率可調技術，通過降低交戰區域GPS系統民用信號的功率，使得敵方無法使用GPS系統民用服務，實現對敵方的拒止功能。截至2017年12月，GPS星座中已經擁有12顆具備拒止功能的GPS－2F衛星。

在灌區建設過程中，總承包單位作為責任主體，應該具有很強的責任意識，保證灌區建設的質量和工程進度。同時，要減少一些強勢部門對灌區建設的干擾，保障灌區建設順利進行。

功率增強技術

功率增強是通過增加衛星導航系統導航信號的播發功率，對抗敵方干擾，從而提供更加穩健的衛星導航服務能力的技術。由于衛星導航信號功率很低（一般在－160～－155dBW之間），因此極易受到干擾。增加衛星導航信號的功率可有效提升干擾背景下捕獲與跟蹤衛星導航信號的能力，從而增強干擾環境下衛星導航系統提供服務的能力。

從目前的發展情況看，美國發展了兩種旨在提高GPS系統軍用信號導航功率的技術，其一為星上信號功率可調技術，即在降低民用信號功率，實現拒止的同時，將軍用信號的功率增加7dB，該技術已經裝備了12顆GPS－2F衛星；其二為點波束增強技術，即利用點波束天線播發僅覆蓋局部（點）區域的功率增強信號，軍用M碼導航信號的功率可增加20dB，從而使抗干擾能力大大增強。目前，美國正在研發點波束抗干擾技術，計劃裝備GPS－3C衛星。

在軌可重新編程與信號重構技術

在軌可重新編程與信號重構技術是正在研發的導航戰技術，其目標是利用上述技術實現導航信號的重構，從而在導航信號受到干擾不能正常使用的條件下，以新信號、新波形等方式提供新導航能力與服務。

美國計劃在GPS－3B衛星上利用軟件無線電技術開展在軌可重新編程與信號重構技術的演示驗證，項目的研發已經進入關鍵設計評審階段。同時，為進一步保證該技術或功能的可行性，美國空軍在新一代的導航技術試驗衛星－3（NTS－3）項目中將進行“在軌數字波形生成器技術”（ORDWG）的空間飛行演示驗證，該技術可實現導航信號中心頻率與信號波形的調整，從而增強導航戰能力。

網絡安全與信息保證技術

就衛星導航領域而言，網絡安全與信息保證技術旨在通過增強機密性、完整性、可用性和時空相關性等，保證美國GPS系統空間段與運行控制系統之間的網絡安全、信息安全，增強GPS系統對抗網絡攻擊、保證信息安全的能力。

3 GPS系統導航戰技術發展現狀

導航戰技術是提升、增強戰場或對抗環境下衛星導航系統服務能力最重要的手段之一，在一定程度上代表著衛星導航系統的先進程度與服務的可用性與穩健性。因此，導航戰技術與能力已經成為擁有自主衛星導航系統與能力的國家和地區爭相發展的關鍵技術。

GPS系統自主導航技術

GPS系統發展之初，美國敏銳地認識到：戰時，全球部署的GPS系統運行控制段極易受到敵方的干擾與攻擊，導致衛星導航系統不能提供滿足軍事作戰要求的服務。1985年初，美國空軍航天系統部委托國際商業機器公司（IBM）進行了一項深入開發自主導航系統算法的研究。1987年5月．空軍航天系統部發出了有效載荷的招標合同，正式提出自主導航功能要求。在目前的導航衛星系統中，GPS－2R和2F衛星采用了自主導航技術。GPS－2R自主導航系統有3大設計特色：每顆GPS衛星均有計算能力，具有特高頻（UHF）星間鏈路測量和通信系統。通過采用自主導航技術，GPS－2R衛星的生存能力大大提高，主要表現在：能從比較嚴重的核打擊中恢復工作；通過部件設計和采取冗余手段提高了可靠性；在沒有地面測控支持的條件下播發180天的GPS衛星位置和時鐘數據，用戶測距誤差可達6m。GPS－2F衛星能通過星間鏈路收發指令及遙測數據。GPS－3于2001年開始實質性的研制，計劃于2018年首次發射。GPS－3系統將采用新的高速上行/下行鏈路和星間鏈路通信結構，這將使GPS－3衛星運行發生變革。GPS－3衛星至少有3點不同于以前的型號：高速遙測、跟蹤和指令上行鏈路和下行鏈路；高速、定向星間鏈路；完好性功能。

GPS系統導航拒止技術

導航拒止技術是導航戰技術中非常重要的內容。美軍認為，在衛星導航技術應用已經滲透到幾乎所有領域的前提下，導航拒止技術也許是比導航增強、抗干擾技術更重要的導航戰技術。特別是在關鍵基礎設施（如通信與網絡、金融證券、交通運輸、電力網絡等）越來越多地依賴衛星導航服務保證高效、安全、穩定運行的今天，對美國而言，阻止、拒絕敵方使用GPS系統已經成為美國對敵方實施綜合打擊、破壞或制約敵方戰爭潛力的重要打擊手段。

GPS－2F衛星采用的星上信號功率可調技術，通過降低GPS系統民用信號的播發功率，提高軍用信號播發功率，一方面實現GPS軍用信號的增強，提升抗干擾能力；另一方面同使相關區域內的民用GPS接收設備無法跟蹤、鎖定GPS民用信號，實現對敵方使用GPS服務的拒止。未來，GPS－3衛星將全部擁有該能力，預計到2025年左右GPS系統將全面擁有導航拒止能力。

從目前的發展看，尚無消息證明歐洲與俄羅斯開展了導航拒止技術的研發。因此，至2025年左右，將只有美國GPS系統擁有拒絕與阻止敵方使用GPS系統的能力。

GPS系統功率增強技術

功率增強是提高衛星導航系統導航服務抗干擾能力的重要手段之一。美國已經和正在發展的功率增強技術包括星上信號功率可調技術和點波束增強技術兩種技術途徑。

從星上信號功率可調技術的角度分析看，該技術利用星上控制系統與相關的星上功率管理程序實現，不需要增加有效載荷硬件，不增加對衛星平臺、電源系統等的要求，不會導致星上電源功率、有效載荷和衛星質量的增加，技術實現的難度較小。但星座信號功率可調技術能夠實現的信號功率增加幅度有限，如美國GPS－2F衛星利用星上信號功率可調技術僅能實現軍用導航信號7dB的增加。

相對于星上功率可調技術，點波束技術功率增強幅度大，可有效地提高干擾環境下導航接收設備鎖定、跟蹤導航信號的能力。如美國正在發展、計劃用于GPS－3C衛星的點波束增強技術，可在點波束的覆蓋區域內實現軍用信號功率增強20dB。但是，點波束增強技術需要專用有效載荷的支持，如點波束天線、展開與指向控制機構、功率放大器、控制電路等，對衛星平臺和供電要求高，將導致衛星質量、體積、成本和功耗的明顯增加。整體而言，實現的技術難度更大。

美國空軍在2015年啟動的導航技術試驗衛星－3項目中，安排了兩項與功率增強直接相關的先進技術試驗驗證項目，分別為氮化鎵高效放大器技術和用于實現高增益區域增強的先進天線技術。由此表明，功率增強仍是美國空軍增強GPS系統抗干擾能力的重要技術途徑。

在軌可重新編程與信號重構技術

軟件無線電技術的發展為實現在軌可重新編程與信號重構提供了可能。

美國空軍在導航技術試驗衛星－3項目中，將“在軌數字波形生成器技術”的優先級列為最高。在軌數字波形生成器技術在功能上是一種類似于軟件無線電、利用硬件加以實現的技術，可實現導航信號波形、中心頻率等多種參數的調整，可在GPS系統受到干擾時，調整或改變GPS系統導航信號的參數，從而提升或增強抗干擾能力。

從導航技術試驗衛星－3項目開展的先進導航技術試驗驗證情況看，美國空軍將在軌可重新編程與信號重構技術視為功率增強技術之后提升GPS系統導航戰能力的重要途徑與技術發展方向，希望通過硬件技術與軟件無線電技術的集成，解決軟件無線電技術誤碼率過高的問題，實現導航戰能力的提升。

網絡安全與信息保證技術

美國空軍認為，網絡攻擊將成為未來GPS系統面臨的重要威脅之一，因此GPS系統的網絡安全與信息保證已經成為美國必須解決的問題。

網絡安全與信息保證是美國新一代“運行控制系統”（OCX）具備的重要核心能力。美國空軍為GPS新一代“運行控制系統”設計了多層防護的安全結構，以應對由內部威脅、物理威脅、網絡威脅與供應鏈威脅構成的安全威脅。

從“運行控制系統”的發展情況看，美國空軍與該系統的主承包商雷聲公司均表示，系統研發拖延的主要原因分為兩個方面，一是主要與網絡安全和信息保證有關的“運行控制系統”的設計更改；二是低估了系統軟件開放的難度與工作量。由此可見，網絡安全和信息保證研發的技術難度很高，應從“運行控制系統”設計初始階段就深度集成網絡安全和信息保證技術和系統，從而降低復雜程度和開發工作量。

按當前的計劃，2017年底前OCX Block 0將完成交付，以支持2018年GPS－3衛星的首次發射。2020年將完成COX Block 1和Block 2的交付，使運行控制系統具備全面支持GPS－3A衛星和M碼軍用信號、星上信號功率可調等功能的運行。

4 結束語

雖然GPS系統一直處于全球衛星導航領域主導與領先地位，但美國仍在不斷提升GPS系統的服務性能與導航戰能力，且圍繞增強GPS系統導航戰能力開展了大量的研發與創新活動。計劃于2020年發射的導航技術試驗衛星－3項目即以導航戰技術為核心，規劃了多個先進技術的演示驗證項目。如此，既保證了GPS系統在全球衛星導航應用領域的優勢地位，又保持了GPS系統在導航戰能力方面的不對稱優勢，對于保持美國的全球霸主地位起著重要的作用。

從未來需求的角度看，衛星導航系統的導航戰能力將成為軍事定位導航授時服務能力的重要支撐，是對抗條件下衛星導航能力安全可靠、穩健可用的基本保障。與GPS系統的導航戰能力相比，我國“北斗”系統尚存在較大差距。因此，應對“北斗”系統導航戰技術的研發與能力的提升給予充分的重視，使“北斗”系統安全、可靠地服務于國家發展和安全。