美國導航戰新進展與啟示

唐 斌，鄭 沖，章林鋒，王 正

(32021部隊，北京 100094)

0 引言

衛星導航系統可提供全天候的高精度、實時定位、導航與授時(Positioning, Navigation and Timing, PNT)服務，20世紀90年代，美國全球定位系統(Global Positioning System，GPS)建成并投入使用，并且在伊拉克、科索沃、阿富汗、利比亞、敘利亞等一系列局部戰爭中廣泛應用，已經成為決定現代戰爭勝負的關鍵因素。但是，由于衛星導航系統自身的脆弱性，針對該系統易受干擾的實際情況，美軍開始對GPS的電子防護和抗干擾技術展開研究，推動了導航戰的發展[1-2]。1997年，美國正式提出了導航戰的概念，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[3-4]。美國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，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”[5]。近年來，伴隨第1顆全面貫徹美軍新世紀導航戰思想的GPS III衛星的發射，美國密集制定了多項有關導航戰的政策文件，不斷豐富和發展導航戰理論，同時將導航戰加入到作戰演習和部分實戰中，表明美國已將導航戰列為繼電子戰、信息戰及網絡戰之后提出的新的作戰樣式。

本文從梳理導航戰表現形式與技術現狀入手，進而闡述了美國導航戰理論與政策的最新進展，以及近年來美國導航戰演習與作戰應用實踐，最后總結并提出了美國導航戰發展啟示。

1 導航戰表現形式與技術進展

1.1 導航戰表現形式

導航戰的核心就是阻止和保護，阻止就是阻止敵方使用衛星導航信息，可以歸為進攻導航戰；保護就是保證己方有效地利用衛星導航信息，可以歸為防御導航戰[6]。因此，從表現形式上，導航戰可以分為進攻型導航作戰和防御型導航作戰。

衛星導航系統一般由空間段(衛星星座)、控制段(地面控制/監測網絡)和用戶段(用戶接收機)3個段組成。它們都可以被攻擊或進行防御。

1)空間段攻擊與防御

針對空間段攻擊，可以使用反衛星武器直接摧毀，或者使用電磁武器進行干擾。針對空間段的防御措施主要是使用在軌備份衛星或補充發射新的衛星。針對導航衛星的干擾式進攻，可采取的防御措施是對導航衛星進行一定的電磁或激光加固[7]。

2)控制段攻擊與防御

針對控制段的攻擊有2類，一類是對主控站、監測站和注入站進行直接摧毀以使地面站不能工作，或者進行網絡攻擊破壞使其向衛星注入錯誤信息；另一類是干擾監測站對導航衛星信號的接收，以使主控站不能獲得正確的衛星軌道信息。針對控制段的直接破壞防御，主要是在廣闊的區域內進行站點冗余配置；對于干擾則需要對遙測與通信鏈路進行加密保護等[8-9]。

3)用戶段攻擊與防御

當前對衛星導航用戶的干擾主要是通過輻射干擾信號，來壓制或欺騙敵方的導航接收機。用戶段防御除了研制抗干擾反欺騙接收機外，還可以在導航信號源頭實施，如增大衛星發射信號功率、研制新型衛星信號和采用偽衛星技術等[10]。此外，還可以采用其他導航系統進行輔助和備份。

不管是實施進攻型導航作戰或是防御型導航作戰，都需要相應的導航戰技術手段作為支撐。導航戰技術手段深刻影響著戰場對抗環境下PNT服務的可用性與穩健性。從具體技術層面來說，又分為衛星導航系統層面的導航戰技術和衛星導航拒止條件下的導航戰技術。

1.2 衛星導航系統導航戰主要技術進展

1)空間段主要導航戰技術進展

空間段導航戰技術主要通過優化導航信號體制、衛星升級換代、區域信號功率增強、導航拒止技術、衛星自主導航技術等，提高導航衛星自身生存和抗干擾能力[11]。

美國GPS最新一代GPS Ⅲ衛星于2001年開始實質性的研制，就目前的信息來看，GPS Ⅲ共有 36 顆，包括 A、B、C 三種類型。其中，GPS ⅢA衛星12顆，GPS ⅢB衛星8顆，GPS ⅢC衛星16顆，第1顆GPS Ⅲ衛星已經于2018年12月完成首次發射[12]。GPS Ⅲ衛星除通過增發無數據調制的導頻信號，將軍用信號和民用信號的頻譜分開，提高導航信號的安全性和可靠性外，在區域信號功率增強、衛星自主導航技術等方面也有較大提升，同時衛星在軌可重新編程與信號重構技術也有望在GPS Ⅲ衛星上啟用。

衛星信號功率增強是提高系統導航服務抗干擾能力的重要手段之一。美國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。星上信號功率可調技術利用星上控制系統與相關的星上功率管理程序實現，技術難度較小，但星上信號功率增加幅度有限，如美國GPS ⅡF衛星利用星上信號功率可調技術僅能實現7dB的功率增加。相對于星上功率可調技術，點波束增強技術功率增強幅度大，但是需要專用有效載荷的支持。GPS ⅢC衛星將采用點波束增強技術，可在點波束的覆蓋區域內實現軍用信號功率增強20dB[11]。

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。對美國而言，阻止、拒絕敵方使用GPS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。從GPS ⅡF衛星開始，可通過降低民用信號功率，提高軍用信號播發功率，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 Ⅲ衛星將全部擁有該能力，預計到2025年左右GPS將全面擁有導航拒止能力。

衛星自主導航等技術通過星座衛星間的自主網，實現衛星星歷的自主更新，進而提高衛星星座的自主運行能力。采用自主導航技術，在沒有地面控制系統支持的條件下GPS ⅡF衛星可以保持運行180天且用戶測距誤差不高于6m。GPS Ⅲ系統則進一步采用新的高速上行/下行鏈路和星間鏈路通信結構，這將使GPS Ⅲ衛星運行發生變革[11]。可以預見，未來GPS Ⅲ衛星依托高速星間鏈路，在實施自主導航時的完好性和可用性必將取得更大進步，從而提高系統的抗毀生存能力。

衛星在軌可重新編程與信號重構技術在功能上是一種類似于軟件無線電的技術，可實現導航信號波形和中心頻率等多種參數的調整。在GPS受到干擾時，通過調整或改變GPS導航信號的參數，從而提升或增強其抗干擾能力。美國計劃在GPS ⅢC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。

2)地面段主要導航戰技術進展

網絡安全與信息保證是美國新一代運行控制系統(Operational Control Segment，OCX)具備的重要核心能力。GPS的網絡安全與信息保證已經成為美國必須解決的問題。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等構成的安全威脅。

按當前的計劃，OCX Block 0已經于2017年底完成交付，以支持2018年GPS ⅢA衛星的首次發射。2020年將完成OCX Block 1和Block 2的交付，使運行控制系統具備全面支持GPS Ⅲ衛星和M碼軍用信號、星上信號功率可調等功能的運行[13]。

3)用戶段主要導航戰技術進展

用戶設備獲取衛星導航信號后，通過算法解算，從而獲得自身的位置信息。因此，提升用戶段抗干擾能力，首要的是提高設備獲取信號和處理信號的能力。因此，美國實施了軍用GPS用戶裝備(Military GPS User Equipment, MGUE)計劃，目標是研制一套現代化的軍用GPS接收機，與軍用下一代GPS信號M碼兼容，并提供增強型的精確、可靠和可用的PNT服務，主要服務于當前接收機無力或無法使用的場景。MGUE計劃的五項關鍵技術是：軍碼捕獲技術、軍碼加密技術、選擇可用性/防欺騙模塊加密技術、防篡改技術和防欺騙技術。目前，這些技術已經成熟，并通過時鐘發生模塊(Clock Generation Module, CGM)予以實現，進入工程研制階段[14]。

1.3 衛星導航拒止條件下的導航戰技術進展

為了降低對GPS的依賴性，減少GPS脆弱性所帶來的風險，美國加大了導航理論的創新研究力度，確保在GPS信號拒止或降級的環境下為各種作戰平臺提供可靠的導航或制導能力。針對當前GPS易受干擾和攻擊的影響,PNT系統需靈活應對多種復雜的戰場環境。分析了美國陸軍未來發展先進PNT技術的背景,重點分析了美國陸軍PNT能力的發展趨勢,其中主要包括偽衛星系統、車輛導航系統、慣性導航、定位、導航系統輔助傳感器、導航傳感器融合、導航仿生技術、授時、PNT建模與仿真、導航戰技術應用、自主與人工智能在PNT中的應用等11個方面的發展趨勢。還包括偽衛星增強、微PNT組合導航、全源導航、干擾源監測與定位等。

1)偽衛星增強技術

偽衛星增強技術最早于1982年首次提出，但由于當時的偽衛星用戶設備非常昂貴，這項研究工作沒有廣泛展開。經過幾十年的發展，隨著用戶設備價格的降低，相關產品正朝著高精度、小型化、芯片化和標準化等方向快速發展。當前比較成熟的偽衛星增強系統有澳大利亞的Locata系統、美國的Terralite XPS系統、法國的INOPSYS系統和日本的IMES系統等。

2)微PNT技術

為了解決衛星導航系統在室內、地下、水下等物理受阻環境以及電子對抗等復雜電磁環境下服務性能嚴重下降的問題，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DA-RPA)提出了微型定位、導航與授時系統(Micro-PNT)項目。目前，DARPA的Micro-PNT項目中，芯片原子鐘(Chip-Scale Atomic Clock，CSAC)成熟度最高，已經實現了商品化；微型慣性導航技術(Micro Inertial Navigation Technology，MINT)、導航級集成微陀螺(Navigation Grade Integrated Micro Gyroscope，NGIMG)已相對成熟，正在向商品化階段發展；同時美國還在繼續發展下一代的微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)陀螺[15]。

3)全源導航技術

DARPA的全源定位與導航(All Source Posi-tion and Navigation，ASPN)項目于2010年11月啟動，旨在開發一種廉價的導航傳感器融合技術，可以與激光測距儀、相機和磁力計等各種傳感器實現即插即用的組合，通過使用除GPS衛星之外的其他信號來源進行定位，從而提供高可靠性的導航定位服務[16]。目前，已完成能夠適應多傳感器組件、跨平臺和環境的導航軟件架構和導航算法的設計開發，并對其架構和算法進行了評估，驗證結果顯示其已具備自適應性和即插即用能力，并初步實現了無GPS服務條件下的精確PNT能力。

4)干擾源監測與定位技術

關于GPS干擾源監測與定位，已有多個系統投入使用。美國聯邦航空管理局部署的GPS干擾源監測與定位實驗系統由10個射頻干擾源、33個便攜式定位系統、200多個手持式定位系統和21個機載設備構成。該系統幾乎利用了現有的各種干擾源定位技術，如到達角/到達頻率差/到達時間差的結合使用。典型的GPS干擾監測/定位系統還有：美國NAVSYS公司建設的干擾監測定位系統、美國國家大地測量機構基于連續運行衛星定位服務綜合系統網絡的GPS干擾監測系統等。這些典型系統一般采用多個獨立天線，具有獨立的接收通道，多站組合，對特定區域干擾信號進行監測/定位，其原理與通用的干擾信號監測系統基本相同。

2 美國導航戰政策進展

美國在大力發展導航戰技術的同時，也適時制定了新的作戰條令與政策法案，從整個國家層面推動導航戰作戰應用。

2.1 導航戰逐步成為一種新的作戰樣式

隨著GPS成為美國軍事行動的重要保障，軍事行動對GPS的嚴重依賴也使之成為敵方可能攻擊的目標。2015年2月5日，美國國防部更新了電子戰政策，頒布了新的導航戰命令，要求各軍種和國防部其他部門在各種軍事能力中融入導航戰，并且提出了在導航戰中提供PNT保障，包括提供非GPS技術的可能性[17]。

2018年4月10日，美國發布了新版聯合出版物JP3-14《太空作戰》，作為2013年《美參聯會太空作戰聯合條令》的升級版，將太空作戰從美空軍的空天作戰理論中正式獨立出來，導航戰也作為一種太空作戰能力被獨立列出，并定義為人為的進攻性或防御性軍事行動，通過綜合利用太空、網絡空間和電子戰能力，確保己方和友方正常使用并阻止敵方使用PNT信息[18]。同時，首次明確了在整個太空作戰體系框架下，聯合導航戰中心的主要職能和使命。導航戰逐步從太空作戰中脫穎而出，成為繼電子戰、信息戰及網絡戰之后新的作戰樣式。

2.2 彈性授時戰提上作戰應用日程

2017年5月10日，美國空軍戰略與技術中心研究人員首先提出了授時戰的概念，并提出美軍需重視PNT中的授時信息。美國國防部也認為應該提升授時的地位，將授時從PNT中拆解出來，使得精準授時工作不再被政策、規劃、條令等忽視。同時，DARPA也推出了精準授時的相關項目，主要包括:量子輔助傳感與讀取(Quantum-Assisted Sen-sing and Readout，QuASAR)項目，超快激光科學與工程(Program in Ultrafast Laser Science and Engineering，PULSE)項目，對抗環境中的空間、時間和方位信息(Spatial, Temporal, and Orientation Information in Contested Envrionments，STOIC)項目等，加快了對授時戰的技術支撐[19]。

2018年12月4日，美國總統特朗普簽署頒布了《國家授時彈性與安全法案》，要求由交通部負責建設、維護和運行具有彈性、可靠的陸基備用授時系統，作為GPS授時手段的備份和支持，以減少對GPS的絕對依賴，確保在GPS授時信號遭到破壞、信號衰減、不可靠、不可用等情況下，依然能夠為軍方和地方用戶提供安全、可靠、可用的高精度授時信號[20]。這一方案表明美國彈性授時戰已逐步提上作戰應用日程。

2.3 導航戰與太空戰、網絡戰、電子戰關系逐步明確

2018年12月27日，美國國防部發布4650.08號指令，即《定位、導航與授時和導航戰》法案，取代了2015年相應法案。明確指出：國防部將有效利用導航戰能力，確保PNT優勢，為軍事行動提供保障；將以導航戰為手段，綜合利用太空戰、網絡戰、電子戰等不同作戰樣式，確保美軍正常使用并阻止敵方使用PNT信息；要求所有使用PNT信息的系統都必須能夠適應導航戰的要求，必須在真實的導航戰對抗環境下進行測試；按照信息與技術轉讓的相關政策、制度和流程，嚴格控制PNT信息與服務提供和轉讓的范圍，確保美國及盟國在PNT領域的優勢地位。

美國近年來的導航戰作戰條令與政策法案發展表明：隨著導航戰技術的發展與微型PNT核心技術的突破，多源PNT的彈性集成，即彈性PNT(Resilient PNT， RPNT)服務體系建設已經成為研究熱點。導航戰逐步成為一種新的作戰樣式，并與太空戰、網絡戰、電子戰相輔相成，一起為聯合作戰提供戰略支撐。未來導航戰將利用一切可利用的PNT信息源，生成連續、可用、可靠、穩健的PNT應用信息，其中連續、穩健和可靠的PNT信息生成是彈性PNT的核心[21-22]。

3 美國近期實施的導航戰情況分析

3.1 探索天、網、電3個作戰域的導航戰

2015年12月—2016年5月，在相隔不到半年的時間內，美軍連續實施了2次施里弗空間作戰演習，打破了以往每隔1～2年開展一次施里弗演習的慣例，創造了新的最短時間間隔記錄[23]。從施里弗-V開始，美國就著手探索太空和網絡空間2個作戰疆域的作戰問題，從最初的概念探索到接近實際作戰的場景，并且在天、網、電3個作戰域集成的基礎上，探索對GPS衛星的網絡攻防想定內容，包括網絡攻擊GPS衛星、欺騙GPS信號、使GPS衛星將錯誤的數據提供給精確制導武器等軍用GPS數據接收端等。

2次施里弗空間作戰演習表明：衛星導航系統的通信、指揮鏈路正面臨著日益嚴重的網絡安全問題，網絡安全已經成為GPS運行控制系統必須解決的問題。通過作戰演習，為GPS新一代運行控制系統的建設與發展奠定了基礎。

3.2 敘利亞軍事打擊中的導航戰

2018年3月中下旬以來，俄羅斯為對抗美國的無人機，在敘利亞地區對GPS信號進行了干擾。4月13日，敘利亞周邊的IGS站BSHM測站出現數據中斷現象，GPS部分衛星 P碼信號功率大幅度增強；4月14日，敘利亞當地時間凌晨4點，美國對敘利亞實施打擊；4月17日，GPS信號功率恢復正常；4月23日，地面干擾逐漸減弱[24]。據此可判斷，美軍對敘利亞進行軍事打擊前后，敵對雙方上演了GPS信號干擾與反干擾的導航戰。總之，敘利亞地區經歷了俄羅斯對GPS信號進行局部干擾，美國實現對P碼信號增強，美國對敘利亞實施軍事打擊，GPS信號功率恢復，地面干擾逐漸減弱，從而形成了一個完整的GPS導航戰實例。

敘利亞軍事打擊中的導航戰表明：美國已經可以在實戰中，靈活地運用各種導航戰技術配合地面軍事打擊，包括區域軍用信號功率增強技術和導航拒止技術。

3.3 加快演練在GPS受干擾條件下作戰應用

美國早就意識到對GPS衛星的過分依賴會影響其未來的作戰，一方面不斷推動GPS的更新換代，提高自身的防護能力，另一方面加快探索實踐不依賴GPS導航的作戰應用。尤其是面對俄羅斯在處理烏克蘭危機和敘利亞危機過程中展現出了驚人的導航攻擊能力，更促使美國各軍種加快演練在GPS受干擾條件下的作戰應用。

美國陸軍針對多種復雜戰場環境提出了偽衛星系統、車輛導航系統、慣性導航、定位、導航系統輔助傳感器、導航傳感器融合、導航仿生技術、授時、PNT建模與仿真、導航戰技術應用、自主與人工智能等11個方面在PNT中的應用，同時著力加強GPS干擾環境下部隊作戰能力的訓練[25]。從2016年開始，在加利福尼亞州歐文堡國家訓練中心參加演訓的旅級部隊士兵，需要完成指南針使用、地圖閱讀、分辨GPS失效原因(能夠識別是GPS故障或敵方刻意干擾)，并具備操作主動式電子干擾裝備能力等一系列訓練科目。2018年年初，美國陸軍在北卡羅來納州布拉格堡和路易斯安那州波爾克堡等地都舉行了GPS干擾演習[26]。

紅旗系列演習是美國空軍最重要的軍事演習，是在近實戰環境下實施的高強度空戰對抗訓練。2018年1月—2月，美空軍聯合海軍、海軍陸戰隊以及澳洲皇家空軍與英國皇家空軍，在美國西部內華達州內利斯試驗訓練靶場，舉行了規模空前的紅旗18演習[27]。本次演習的重點科目之一是GPS干擾環境下的空戰組織與實施。參演部隊需要在無GPS提供PNT服務的情況下實施防區外導彈攻擊、飛越敵占區進行精確目標打擊等作戰任務。這種對抗不僅是火力的對抗，也是PNT的對抗。

2018年9月，美軍航母第4攻擊群(Carrier Stri-ke Group Four, CSG-4)在美國東海岸組織的2018年度第3次軍演中，假想GPS被切斷處于不可用狀態下的模擬實戰演習。2019年2月6日—10日，同樣是美軍航母第4攻擊群在美國東南部至加勒比海地區組織的本年度第1次演習中，在不同時段對該區域GPS信號進行了干擾[28]。

美國近期實施的導航戰戰例表明：美國導航戰技術發展已經日趨完善，有著系統的作戰條令可供遵循，并且將GPS拒止條件下的作戰應用作為演習訓練的重點。

4 美國導航戰發展啟示

美國近年來的導航戰理論、政策發展與作戰應用實踐表明：

1)導航戰已經成為一種新的作戰樣式，是美軍各戰斗單元使用PNT的有效性和安全性的較量，是空天作戰的重要元素，并且已經發展到覆蓋空天、網絡、電子3個作戰域集。

2)美國已經形成了較為成熟的導航戰戰法，并且可以嫻熟地在實戰中應用。

3)美國已經認識到戰時GPS的不可靠性，并且緊抓不依賴GPS的作戰演練。

針對美國近年來的導航戰發展，對于我國研究導航戰相關理論和發展相關技術有以下幾點啟示：

1)導航戰已經不僅僅是針對衛星導航系統，而是針對敵對國的所有導航手段和方式開展和進行的，是空天、網絡、電子等諸多作戰領域的綜合攻防對抗。

2)針對衛星導航系統的脆弱性，應充分利用北斗系統的后發優勢，有針對性地進行空間段、地面段與用戶段加固，但是也應該認識到單純的衛星導航是無法滿足未來戰場PNT需求的。

3)應該加快發展衛星導航替代手段、增強手段以及隱蔽導航手段，特別要注重PNT微技術研究與相關核心元器件攻關。

4)深入研究美國導航戰理論、政策、作戰裝備及戰法，并研究制定應對策略，加快相應的導航戰裝備建設，不斷加強作戰演練，提升導航戰對聯合作戰的貢獻率。

5 總結

本文圍繞導航戰的表現形式和技術現狀，著重梳理了美國導航戰的最新作戰條令和政策法案制定進展，并對美國近期實施的導航戰情況進行了深入剖析，最后提出了我之發展啟示。主要有以下幾點結論：一是導航戰政策和法律層面，導航戰已經成為一種新的作戰樣式，是針對敵對國的所有導航手段和方式開展和進行的，是多層次、寬領域的綜合攻防對抗，需要從國家層面建立統一的理論、政策與發展戰略；二是導航戰技術應用層面，不管是進攻技術還是防御技術，每一種技術在不同的戰場環境下，實施的難度與效果都不盡相同，如何針對敵方有效地組合各種技術來最大程度地獲得戰場優勢是導航戰應用的研究重點；三是未來戰場PNT需求層面，未來戰場PNT必須是多源的、可靠的導航定位保障，必須發展彈性、綜合PNT體系，要注重微PNT技術研究與相關核心元器件攻關，大幅提高國產化程度，避免戰時受制于人。