衛星導航終端對抗技術綜述

王巍 趙彥雷

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

0 背景

衛星導航(GNSS)在軍事應用和經濟發展中得到日益廣泛的應用,重要性日趨明顯。目前隨著GPS、GLONASS和北斗等衛星導航系統的蓬勃發展,在地理信息位置服務行業產生了巨大的經濟價值,為精準農業、物流運輸、電信電力、智慧交通、測繪建筑、防洪救災等各個領域提供了大量精準的地理信息支撐。同時,在現代高科技戰爭中衛星導航(GNSS)為信息化作戰系統和精確制導武器提供了精確的時空基準,發揮著越來越重要的作用。

現代化戰爭的一個重要特征是精確打擊手段,而衛星導航制導技術逐漸發展成為精確制導的重要手段。從1991年的海灣戰爭到后來的科索沃、阿富汗、伊拉克、利比亞戰爭,衛星導航制導武器的比重越來越高,分別達到7.7%、30%、60%、90%和100%。以上統計數據表明:衛星導航(GNSS)手段已經成為決定現代戰爭勝負的重要因素。在衛星導航(GNSS)的軍事和民用作用日益突出的背景下,對衛星導航系統及其無線電頻譜資源的爭奪和控制也日趨激烈,出現了導航戰的概念和部署計劃,形成了獨特的導航戰表現形式[1]。

導航戰概念由來已久,起源于二戰時期的導航對抗。在GPS系統投入使用以后,導航戰得到了廣泛的關注和深入的研究。自21世紀以來,美國發布了多個關于導航戰的政策文件,不斷形成和完善導航戰的理論和規劃,同時積極開展導航戰方面的技術研究,并將其應用到軍事演習和實際行動中。導航戰的概念內涵包括:阻止敵方使用衛星導航(GNSS)信息進行導航定位;在敵方實施導航戰的情況下保證自己能夠利用高精度導航定位信息;不影響戰區外民用用戶和平利用導航定位信息。依據衛星導航系統的特點,目前現有衛星導航系統(美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、中國北斗系統以及日本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、導航電文公開、衛星信息公開、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 導航戰的脈絡分類

導航戰概念來源于電子戰。和電子戰類似,最大程度防止和破壞敵對方利用GNSS系統進行導航和定位,同時保證己方對衛星導航系統的有效保護實現高可用導航定位,這是導航戰的主要使命任務。導航戰技術能力在某種程度上代表衛星導航(GNSS)的先進程度及魯棒可用性,是保證一個國家在戰時對抗條件下打贏以高可靠導航定位引導的信息化戰爭的前提。

導航戰主要劃分為對敵和對我兩個技術門類,即進攻性和防御性兩個方面。具體包括:

(1)對敵方主要采用進攻性手段,干擾、燒毀、破壞乃至摧毀敵方的衛星導航系統、地面站、終端設備,阻止敵方獲取有效的導航定位信息,從而大大降低敵方的作戰性能,嚴重的喪失作戰能力。根據進攻目標的不同,可以分為以下三個方面:1)摧毀空間導航衛星。采用反衛星武器、定向能(微波、激光、粒子束等)或動能武器等太空武器摧毀衛星導航系統的空間段(空間導航衛星),或者從地面大功率輻射導航衛星使其致盲;2)破壞衛星導航系統的地面運行控制系統。地面運行控制系統中的主控站、監測站、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。其發射系統龐大,遙控遙測信號微弱,很容易受到電磁干擾。從而導致整個衛星導航系統癱瘓。3)干擾或者大功率燒毀用戶終端設備。采用大功率壓制干擾,使得干擾區域的軍用衛星導航設備無法完成正常定位,降低其作戰效能。采用生成式或轉發式欺騙干擾使得軍用衛星導航終端輸出錯誤的位置信息,嚴重的被連續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星導航終端設備。

(2)對己方設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,保證己方獲取穩定、可靠、連續的導航定位信息,從而保證己方的作戰效能。根據防御目標的不同,也可以分為以下三個方面:1)增強衛星導航系統空間段(空間導航衛星)的抗摧毀能力。新發射的衛星采用防微波、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量級;增加運行衛星數量,增加備份衛星;增加了星間鏈路設計,在沒有地面系統支持的情況下,衛星仍可以在軌運行180天,滿足10m以內定位要求。2)增強衛星導航系統地面運行控制系統的抗破壞能力。進一步加強地面運行控制系統及其周邊區域的安全保衛措施,防止敵方攻擊破壞;用分布式結構代替目前主控站的主計算機;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)增強地面用戶終端設備的抗干擾和抗燒毀能力。提高軍用終端設備的抗燒毀能力設計,防止大功率武器燒毀前端電路。創新導航信號體制設計,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、組合導航的融合能力。

下面對衛星導航(GNSS)終端設備的抗干擾技術進行詳細介紹。

2 衛星導航(GNSS)終端設備的抗干擾技術

衛星導航（GNSS）終端設備采用的抗干擾技術主要有6種，如表1所示。

美軍的GPS終端抗干擾技術應用開展時間早，研究內容充分，在各個武器平臺均有適應性成熟應用。針對不同軍兵種武器平臺對GPS終端設備的不同使用需求進行了針對性設計，形成了種類繁多的抗干擾GPS設備家族，增強了各個武器平臺終端設備的抗干擾能力。聯合防區外空地導彈（JASSM）加裝了新型GPS 抗干擾接收機（G-STAR），該種接收機采用空時聯合自適應處理（STAP）技術，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接收機提高幾個數量級。陸軍航空導彈研究發展中心研發了應用于多種導彈和火箭彈的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 衛星導航(GNSS)終端設備常見抗干擾技術

3 針對衛星導航(GNSS)終端設備的干擾技術

3.1 壓制式衛星導航(GNSS)干擾

由于到達地面的衛星導航信號非常微弱,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。壓制式衛星導航(GNSS)干擾主要是通過大功率干擾機發射壓制真實信號的干擾,衛星導航(GNSS)接收機基帶處理無法解調真實信號而無法正常工作。研究表明,一個發射功率1W的GPS干擾機可以干擾周邊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。

壓制式衛星導航(GNSS)干擾機實現技術難度小,成本低,很容易被掌握并廣泛應用。俄羅斯在壓制式衛星導航(GNSS)干擾機方面起步早,技術成熟,種類繁多。早在伊拉克戰爭中俄羅斯提供給伊軍使用的GPS干擾機,質量僅3千克,發射功率5W,有效作用距離可達數百公里。R－330Zh“居民”衛星導航無線電干擾機被俄軍部署在敘利亞,能有效地干擾GPS信號。為了保護重要戰略設施和軍事目標免遭GPS制導的精確制導武器攻擊,俄軍裝備了新型“磁場-21”電子干擾系統。在蜂窩狀通訊鐵塔上分布式安裝干擾設備有效地實現了對特定區域的衛星導航信號屏蔽,實現對己方目標的盾狀保護[2]。

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

圖1 Todd 團隊設計的欺騙干擾源實物圖

3.2 欺騙式衛星導航(GNSS)干擾

欺騙式衛星導航(GNSS)干擾是指采用與衛星導航(GNSS)信號相同的載波頻率、偽碼序列和調制方式產生干擾信號,針對衛星導航(GNSS)系統的工作機理、導航接收機工作特性存在的薄弱環節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。對衛星導航(GNSS)信號進行欺騙干擾主要有兩種方式:轉方式欺騙干擾和生成式欺騙干擾。

轉發式欺騙干擾方式是將接收到的衛星導航(GNSS)信號經過一定時間延遲功率放大后重新發送出去,以構造一組虛假的衛星導航(GNSS)信號,使接收機出現解算錯誤。該方式在技術實現上相對比較容易,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星導航(GNSS)信號相同的無線電信號通過放大發射出去,干擾衛星導航(GNSS)接收機使其鎖定在干擾信號上,實現接收機位置的欺騙。目前,對民碼和P碼的生成式欺騙干擾可以實現,對軍用Y碼和M碼的生成式欺騙干擾產生難度較大, 不易實現。

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

在衛星導航欺騙式干擾領域,伊朗俘獲美國RQ-170“哨兵”隱身無人機當屬最成功的案例。伊朗從俄羅斯進口了“汽車場”主動干擾系統,依托本系統首先采用針對軍碼的壓制干擾使得無人機的GPS設備退到民碼信號,對民碼信號進行生成式欺騙,使其誤認為降落到了美軍基地從而捕獲完整無人機系統。

在敘利亞戰場上,俄羅斯將改進后的“杠桿－AV”電子戰系統加裝在“米－8 MTPR－1”直升機上。“杠桿－AV”系統針對性改進了分布式導航天線,使若干個衛星導航接收天線同時接收到虛假衛星導航信號,從而突破衛星導航抗干擾系統進行欺騙式攻擊[4]。

在民碼欺騙方面,美國德州大學的Todd Humphreys教授研制了一個欺騙干擾源,主要是在衛星導航軟件接收機的基礎上增加了加載欺騙軟件模塊的硬件發射模塊,并通過依賴GPS導航的一架無人機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確探知目標接收機的運動狀態,將接收到的衛星導航信號進行處理后重新發出,使得欺騙信號到達目標接收機的相位和真實衛星信號一致,逐漸加大欺騙信號的能量,導航接收機跟蹤環路被引導到欺騙信號,再逐步拉偏欺騙信號的相位,最終使目標接收機得出錯誤的定位結果,連續改變欺騙信號的相位目標接收機被欺騙到指定位置。該欺騙干擾設備具備12通道衛星信號欺騙能力,真正意義上實現了對衛星導航(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團隊在美國國防部組織的GPS無人機欺騙試驗中，采用民用GPS欺騙干擾設備釋放連續欺騙信號，通過控制飛機自動駕駛系統使飛機高度逐步降落，控制人員在其接近地面時通過手動操作又使得飛機飛起，該欺騙干擾設備的硬件成本不到1000美元。2013年Todd Humphreys團隊又引導欺騙一艘游艇，使得該游艇偏離了航向。上述案例有效驗證了衛星導航設備可能存在的隱患問題[4]。

4 總結

由上述分析可知,導航終端的干擾和抗干擾可謂道高一尺,魔高一丈,技術交替發展進步。目前,單一的干擾方式已經無法或很難對自適應調零天線+M碼接收機+慣導緊耦合的方式產生有效的影響,因此未來的干擾方式也應該是多維度的聯合對抗,包括壓制干擾配合欺騙干擾、轉發式欺騙配合產生式欺騙、陸基/空基/天基聯合干擾以及遠距離支援干擾配合分布式小功率干擾等。