導航戰及其應對策略

任思衡，婁藝藍，楊 娜，鄭曉霞，康世倫

導航戰及其應對策略

任思衡，婁藝藍，楊 娜，鄭曉霞，康世倫

（航天工程大學 士官學校，北京 102249）

為進一步研究基于全球衛星導航系統的軍事應用與對抗，提出導航戰的應對策略：論述導航戰的起源和定義，探討針對空間段、地面段和用戶段的主要攻擊手段；然后分析電磁干擾的攻擊特性；最后給出應對導航戰的對策與建議。

導航戰；全球衛星導航系統；電磁干擾；對策

0 引言

全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）憑借其高度和廣域的優勢，已成為現代導航領域“高精度、全天時、全天候、海陸空天一體”的最佳手段之一，在地球測繪、精準授時、工業制造、交通物流、野外搜救、防災減災等領域應用廣泛。GNSS作為國家定位、導航、授時體系（positioning, navigation and timing, PNT）的核心部分，對社會生產和生活都產生了非常深遠的影響[1-4]。

GNSS起源于20世紀60年代，冷戰期間美國和蘇聯基于國防建設和軍事斗爭的需要，分別研發了子午儀系統（transit navigation satellite system, TNSS）和蘇聯第一代低軌奇卡達Tsikada（英譯為CICADA）系統。此后美國一直在衛星導航領域繼續探索和開發。1973年，美國開始在子午儀系統的基礎之上，建設全球定位系統（global positioning system, GPS），并于1994年正式完成。GPS給美國帶來了巨大的經濟效益和軍事效益，同時也引起了各國對衛星導航技術的高度重視。隨后，各國開始陸續建設本國的GNSS。目前，美國的GPS與中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system, Galileo）使用最為廣泛，被并稱為“4大衛星導航系統”。此外，印度區域衛星導航系統(Indian regional navigational satellite system, IRNSS）和日本準天頂衛星系統(quasi-zenith satellite system, QZSS）也正在陸續建設和實驗的過程中[5-6]。

隨著GNSS的出現和不斷發展，衛星導航技術在軍事上得到了廣泛的應用，戰爭的形態、作戰樣式也隨之發生了深刻的變化。目前，基于GNSS的應用與對抗成為了軍事導航領域研究的1個熱點問題[7]。

1 導航戰的概念

導航戰（navigation warfare, NAVWAR）的概念起源于20世紀90年代的海灣戰爭。在“沙漠風暴”軍事行動中，尚未完全建成的GPS初次在實戰中試用，約8800臺接收機在保障部隊穿插迂回、武器精確制導、防區準確劃分、炮兵定位和火力支援、精確地形測量、防空武器配置、人員物資運輸等方面發揮了顯著作用[8]。不僅如此，GPS還有效增強了指揮部對戰場態勢的感知能力，提高了指揮員的戰場指揮效率，從整體上提升了部隊的綜合作戰能力，為“沙漠風暴”軍事行動的成功起到了重要作用。

GPS的巨大軍事效益，讓美軍高度重視有關GNSS的軍事理論研究。1997年，美軍在一次學術會議中提出“導航戰”的概念，即“防止敵人在作戰中利用GNSS，保護己方和友軍正常使用GNSS，同時避免作戰區域以外的非敵方導航服務受到影響”。此概念被各國軍事導航領域廣泛接受，由此開啟了導航戰的全面研究與應用[9]。

導航戰與其他形式的電子對抗相比，最突出的特點是避免作戰區域外的非敵方導航服務受到影響。當前，GNSS因其軍民共用的特點，已經成為各國的基礎設施，與社會經濟高度融合。一旦衛星導航服務中斷，廣泛依賴GNSS的工業、農業、交通、金融、能源、通信、電力等行業都將受到嚴重影響甚至癱瘓，造成巨大的經濟損失。因此，將導航戰的作用范圍限制在作戰區域內，是導航戰區別于一般電子對抗的1個顯著特點。

2 對GNSS的攻擊手段

2.1 GNSS的結構

導航戰通過對GNSS發動攻擊，獲取戰爭中的制導航權。不同國家的GNSS盡管有很大差異，但基本結構一致，都是由空間段（space segment）、地面段（ground segment）和用戶段（user segment）共同組成（如圖1所示）。

圖1 GNSS組成結構

空間段由分布在不同軌道的多個衛星構成，主要功能包括：接收來自地面段發送的導航信號和指令，不斷根據地面的信號修正自己的時間和軌道位置信息，同時持續向用戶發送衛星導航信號。此外，空間段的衛星還會在必要的時候接收地面站的應急指令，采取如緊急變軌等行動。

地面段主要由監測站、主控站和注入站3個子部分組成。其主要功能是維護整個導航系統的正常穩定運行，具體包括跟蹤與監測所有在軌衛星，實現精密定軌和星地時間同步，控制衛星播發導航信號，監控衛星的運行情況，同時檢查導航信號的完好性。

用戶段是GNSS與用戶交互的終端部分，將接收到的衛星導航信號經數據處理后，輸出速度、加速度、位置、姿態和時間等導航信息，具體還可根據用途不同分為民用終端和軍用終端。

2.2 攻擊手段

針對GNSS的空間段、地面段和用戶段不同的功能和特點，可以在導航戰中采取物理毀傷、網絡入侵、電磁干擾等不同的攻擊手段（如圖2所示）。

圖2 導航戰的攻擊手段

2.2.1 對空間段的攻擊手段

對空間段而言，可能受到2種形式的攻擊。第1種是物理毀傷，包括以美國“ASM-135”、俄羅斯“Nudol”為代表的反衛星導彈[10]，以及以激光武器、粒子束武器、微波武器等為代表的定向能武器。目前，反衛星導彈技術已經較為成熟，美、俄等國已進行了多次實驗，部分武器已經列裝了部隊；而定向能武器技術尚不成熟，存在照射時間短、受天氣影響大、到達衛星功率低等缺點，目前還未大規模投入實際應用[11]。

第2種形式的攻擊手段是電磁干擾。空間段的導航衛星在不間斷播發導航信號的同時，也在不間斷地接收地面站的信號。接收地面信號的上行注入接收機一旦被電磁干擾，GNSS將無法為用戶提供導航服務。

2.2.2 對地面段的攻擊手段

對地面段即地面控制系統而言，主要面臨物理毀傷、網絡入侵和電磁干擾3種形式的攻擊。

物理毀傷即采用物理手段直接攻擊地面站，使其損毀失去效能。

網絡入侵則是將電腦病毒植入地面段的終端，破壞地面段的內部網絡系統，進而使其無法正常工作。

由于GNSS的主控站和注入站等大型地面站通常采用的是大口徑天線，波束較窄，電磁干擾很難進入，所以電磁干擾主要針對分布在各地的監測站。通過干擾使其不能接收衛星導航信號，從而使系統無法提供導航服務。

2.2.3 對用戶段的攻擊手段

對GNSS的用戶段而言，由于其數量眾多，物理毀傷的攻擊方式成本高、效率低，通常不采用這種手段。一般認為，對用戶段的物理毀傷攻擊屬于傳統作戰手段，而非導航戰的作戰手段。相比之下，電磁干擾攻擊成本低、效率高，是導航戰目前針對用戶段的主要攻擊手段。

3 電磁干擾攻擊

在導航戰中，對空間段的物理毀傷直接違反了《外層空間條約》等國際法規和公約，政治風險較高，在常規烈度作戰中，實施的可能性較低；對地面段的物理毀傷，則屬于直接攻擊該國領土，等同于對其直接宣戰，實現的可能性也較低；網絡入侵因受到諜報條件等因素影響較大，可靠性無法保證。而電磁干擾攻擊，技術實現難度較小，政治風險較低，攻擊效果也較為顯著，應用的可能性最大。目前，GNSS在導航戰中受到的最廣泛的威脅來自電磁干擾攻擊。

3.1 電磁干擾攻擊的種類

GNSS主要受到2種形式的電磁干擾攻擊：壓制式干擾和欺騙式干擾。

壓制式干擾是從信號強度上進行攻擊，由干擾機發射與導航信號同頻段的強功率信號，使一定范圍內的導航信號被干擾信號覆蓋，導致接收機不能正常工作。

欺騙式干擾是根據信號特征進行攻擊。由干擾機發射與衛星導航信號特征相同或相似，而功率稍強的信號使接收機誤以為干擾信號是真實的信號，導致接收機產生錯誤的導航信息或無法輸出導航信息。

3.2 針對民用導航信號的干擾

民用導航信號可能同時受到壓制式和欺騙式的干擾。

由于民用導航信號的頻率是在國際電聯登記并公開的，干擾機很容易產生出同頻段的壓制信號。導航衛星的高度一般為20000~30000 km，到達地面的信號非常微弱。以GPS為例，其衛星到達地表的信號強度約為-160 dBW[12]，僅相當于在超過20000 km的距離外，觀測1個50 W燈泡得到的強度。不僅如此，由于電磁波的廣泛應用，人類所處空間的電磁環境愈加復雜，如此低功率的信號強度很容易被背景噪聲所覆蓋。即使通過擴頻技術等方式，讓信號以較寬的頻帶平均分布，并通過解擴技術讓信號以窄帶信號的形式提升功率密度，也非常容易受到壓制式干擾的攻擊[13]。根據英國防務部門的一項研究表明，通過在1.6 GHz頻段使用功率為1 W的壓制式干擾器進行干擾，足以讓半徑約2000 m區域內的GPS終端無法正常定位和導航。而且在實驗中，當干擾器的功率增加6 dB時，其干擾的半徑就擴大為原來的2倍[14]。

而民用導航信號為了便于開發和利用，其具體的信號格式、調制方式均處于公開狀態，攻擊者很容易按照其格式產生假信號對民用導航信號進行欺騙。目前，民用導航信號的干擾機制作簡單、成本低廉，市場上在售的欺騙式干擾機的價格從數百元到數千元不等。

總體上看，壓制式干擾和欺騙式干擾均能對民用導航信號產生較好的攻擊效果。

3.3 針對軍用導航信號的干擾

軍用導航信號主要受到壓制式干擾的攻擊。軍用導航信號由于持續播發、用戶數量眾多等特點，信號頻率需要固定不變，導致其很容易被偵測，頻率也基本處于公開狀態。因此，干擾機很容易通過產生同頻段的強信號對其進行壓制。

但是軍用導航信號很難受到欺騙式干擾的攻擊。軍用導航信號的頻率雖然很容易獲取，但其導航信息處于高度加密的狀態，其抗破譯程度遠超各國現有的破解計算能力。即使被敵方通過技術手段偵查到了密碼，也可以通過2次加密、更換信息格式等方式讓原密碼失效。因此，直接的欺騙式干擾對軍用導航信號效果較差[15]。

國外曾有研究提出，采用延遲轉發的方式進行欺騙干擾[16]。所謂延遲轉發是采用大口徑的天線對空中播發的敵方軍用導航信號進行截獲、存儲，然后延遲一段時間再播發出去。由于延遲轉發利用的是真實的導航信號，所以不需要對其密碼進行破譯。但這種方式存在2個缺點：①因為用戶會同時接收多顆衛星的信號，只延遲轉發1顆衛星信號不能起到效果，必須針對每1顆衛星都進行干擾，使得干擾設備體積龐大，容易被敵方發現和攻擊；②欺騙信號一定比真實信號更晚到達，接收機可以利用這個特點將假信號和真信號進行鑒別，規避其干擾。所以，目前壓制式干擾是針對軍用導航信號較為實用化的干擾手段。

3.4 抗電磁干擾技術

目前，抗電磁干擾技術可根據干擾源的類型分為抗壓制式干擾技術和抗欺騙式干擾技術。

抗壓制式干擾技術主要包括：時域/頻域濾波技術、空域濾波技術以及空時聯合濾波技術。時域/頻域的濾波技術與其他技術相比出現最早，也是較為簡單、低成本的抗干擾技術。其中時域濾波技術是通過使用自適應時域濾波器來消除壓制式干擾，頻域濾波技術則是將干擾信號與真實信號的差異進行頻域對比解析并抑制干擾信號。

空域濾波技術主要是利用陣列天線對信號進行空域濾波處理，通過對信號入射角的差異性分析，分辨并抑制干擾信號。

空時聯合濾波技術融合空域和時域濾波技術的特點，根據接收機所處的電磁環境為天線陣元賦予權重，采用如最小功率算法、空時解擴重擴算法和降秩空時自適應濾波算法等方式，降低干擾信號的影響，是1種比較復雜和先進的抗壓制式干擾技術[17]。

抗欺騙式干擾技術主要采取幅度檢驗、信號傳播時長檢驗、輔助導航數據檢驗、極化檢驗，以及根據空間處理的密碼檢驗、坐標偏移檢驗等方式，在軍事導航領域取得了良好的效果[13]。

4 導航戰應對策略

針對導航戰的特點以及主要攻擊手段，可以采取以下策略進行應對：

1）采用抗干擾星載測距接收機。導航衛星接收地面指令的星載接收機是連接地面與衛星的信息樞紐，也是抗干擾的薄弱環節。采用具備窄帶、掃頻、多址等干擾抑制能力的星載接收機，可以顯著提升GNSS在復雜電磁條件下正常工作的能力。

2）采用高安全性的軍碼。在軍用導航信號方面，采用抗破譯能力強、保密管理難度小的專用軍碼模塊和軍碼芯片，可以有效防范欺騙式干擾。

3）提高監測站監測接收機抗干擾能力。監測站所使用的接收機一般均為全向天線，具有無方向性，接收信號的頻段比較廣，具有易受干擾的特點。采用具備較強的窄帶干擾抑制和脈沖干擾抑制功能的接收機，可以有效消除對監測站的干擾信號。

4）改進終端設備。加快空時聯合濾波等抗干擾算法和技術的研究，配合更高效的天線設備，加強對終端干擾的抑制。此外，還可以將GNSS與其他導航方式聯用，構成組合導航系統進而提高終端的抗干擾能力。

5）建設備用設施和設備。雖然在導航戰中，衛星和地面站直接受到毀傷的可能性較小，但是也需要做好相應的準備。具體措施可以包括：發射備用衛星，建設備用地面站，做好重要數據的備份等。

6）積極開展導航戰理論的研究。目前，導航戰作為1種新的作戰樣式，理論研究還比較少。可以通過對導航戰戰術戰法、信號保護策略的研究，用理論創新指導實踐應用，提高導航戰的作戰水平。

5 結束語

導航戰和其他對抗形式一樣，都是“魔高一尺，道高一丈”的發展過程。綜合應用多種抗干擾措施，不斷提高抗干擾能力是GNSS未來的技術發展方向。從整體上看，GNSS的建設必須充分考慮抗干擾性這一重要因素，提升系統穩定性，才能更好地提供軍用和民用導航服務。

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Navigation warfare and its countermeasures

REN Siheng, LOU Yilan, YANG Na, ZHENG Xiaoxia, KANG Shilun

（School of Non-Commissioned Officer, Space Engineering University, Beijing 102249, China）

In order to further study on the military application and confrontation based on GNSS, the paper proposed the countermeasures of navigation warfare: the origin and the definition of navigation warfare were expounded, and the main attack means for space segment, ground segment and user segment were discussed; then the attack characteristics of electromagnetic interference were analyzed; finally the countermeasures and suggestions for navigation warfare were given.

navigation warfare; global navigation satellite system; electromagnetic interference; countermeasure

P228

A

2095-4999(2020)03-0100-05

任思衡，婁藝藍，楊娜，等. 導航戰及其應對策略[J]. 導航定位學報, 2020, 8(3): 100-104.（REN Siheng, LOU Yilan, YANG Na, et al. Navigation warfare and its countermeasures[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(3): 100-104.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200316.

2020-03-28

航天工程大學士官學校預研基金項目（YY1901）。

任思衡（1993—），男，遼寧沈陽人，碩士，助教，研究方向為衛星導航及導航對抗。

楊娜（1976—），女，遼寧遼陽人，博士，副教授，研究方向為遙感測繪及衛星導航等。