衛星導航對抗能力現狀及發展趨勢

劉 富，舒 展，謝維華

（北京衛星導航中心，北京 100094）

0 引言

自全球定位系統（global positioning system,GPS）正式建成，特別是GPS 制導武器在美伊戰爭大放異彩以來，世界大國爭相建設自己的衛星導航系統。目前，世界上已建成了GPS、北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）、格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）及伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）4 大全球系統和印度區域衛星導航系統（Indian regional navigation satellite system, IRNSS）及日本準天頂衛星系統（quasi-zenith satellite system, QZSS）2 個區域性定位系統。全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）在導航定位、精確打擊、指揮控制、精準后勤等軍事領域發揮著越來越重要的作用。美國聲稱，應用BDS 可使中國軍隊的作戰能力提升100～1 000 倍。然而，GNSS也存在信號傳播距離遠、地面信號微弱、易受干擾欺騙等先天不足。為了應對GPS 面臨的挑戰，確保制導航權，美國 GPS 聯合項目辦公室（Joint Program Office, JPO）于1997 年提出了導航戰的概念，指出導航戰的任務有3 項：①在戰場環境中，阻止敵方使用衛星導航信息；②保證己方有效地利用衛星導航信息；③同時不影響戰區以外的地方和平利用衛星導航信息[1-2]。

1 衛星導航對抗能力框架

參照電子對抗的分類方法，衛星導航對抗能力可分為導航進攻能力、導航防御能力和導航偵察能力3 種。

1.1 導航進攻能力

衛星導航系統由衛星段、地面控制段和用戶設備段3 部分組成。相應的導航進攻是針對這3 部分進行的，具體包括對衛星段、地面控制段的硬摧毀能力、網絡攻擊能力以及導航干擾能力。

1）硬摧毀能力。GPS、Galileo 和GLONASS的導航衛星均為中圓地球軌道（medium Earth orbit,MEO）衛星；BDS 為混合星座，由位于中軌的MEO衛星、位于高軌的傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）衛星及地球靜止軌道（geostationary Earth orbit, GEO）衛星組成；目前，美俄等國均具備了對中軌衛星的打擊能力，同時也具備了一定的對高軌衛星的攻擊能力。

所有衛星導航系統的地面控制段都存在站點有限、位置固定、特征明顯、抗毀性差、容易受到攻擊等弱點。

2）網絡攻擊能力。網絡攻擊主要針對地面控制段內部網絡、地面控制段和衛星段之間的傳輸鏈路。衛星導航系統地面控制段一般由主控站、衛星監測站和上行注入站組成。GPS 的地面控制段由1 個主控站（施里弗空軍基地）、1 個備用主控站（范登堡空軍基地）、16 個監測站以及12 個上行注入站組成。各監測站、上行注入站和主控站之間通過網絡相連接，有頻繁的業務信息傳遞。同時，由于站點之間距離遙遠，內部網絡具有一定的脆弱性，使其成為網絡攻擊的重點。

地面控制段和衛星段之間通過無線鏈路有密切的信息交互，這也可以成為網絡攻擊的切入點。

3）導航干擾能力。導航干擾針對的對象，可以是衛星段、傳輸鏈路（衛星段和地面控制段之間）和用戶設備段。針對衛星段和傳輸鏈路的干擾，可以由地基、空基大功率干擾器實施，也可由天基平臺抵近實施。

針對用戶設備的干擾，其技術難度低、容易實施，是導航干擾的重點，可由地基、空基的固定式或移動式平臺實施。導航干擾主要技術手段，包括壓制式干擾和欺騙式干擾。壓制式干擾是指，采用大功率壓制式信號來阻止接收機捕獲和跟蹤衛星信號的干擾方式。由于衛星導航信號落地電平很低，導致小功率的干擾源即可對大面積的GNSS 接收機實施壓制式干擾。壓制式干擾又分為窄帶干擾（瞄準式干擾）和寬帶干擾（阻塞式干擾）2 種，常用的壓制式干擾信號如圖1 所示。

圖1 常用壓制式干擾信號

欺騙式干擾分為轉發式欺騙干擾和生成式欺騙干擾2 種類型。轉發式欺騙干擾，是指將接收到的衛星導航信號進行簡單處理（延遲、功率變換）后，直接向干擾區域內播發。這種干擾方式技術門檻低，僅能從信號層面進行欺騙，欺騙效果一般，易被識別。但是可以同時作用于軍用信號和民用信號。生成式欺騙干擾，是指依據衛星導航信號的偽碼、電文，通過復雜的運算，生成欺騙信號，向干擾區域播發。生成式欺騙干擾技術難度大，欺騙效果好，難以識別。

綜上所述，針對衛星段、地面控制段、用戶設備段，分別有3 種導航進攻手段，分別是硬摧毀、網絡攻擊和導航干擾，由此可以建立導航進攻能力框架，如圖2 所示。

圖2 導航進攻能力框架

針對不同對象，3 種導航進攻手段的能力成熟度、實施難度和實施可能性各不相同，可能性最大的是針對用戶設備段的干擾，其次是針對地面控制段的網絡攻擊和針對衛星段的干擾，各種硬摧毀可能性最小，具體如表1 所示。

表1 導航進攻能力成熟度

1.2 導航防御能力

導航防御能力包括系統端防御能力和用戶端防御能力，如圖3 所示。

1）系統端防御。系統端防御主要包括太空態勢監測、導航衛星應急發射、衛星在軌熱備份、功率增強、導航星座自主運行、建設替代性導航源以及建設異地備份主控站。

功率增強是指通過衛星或者空基、地基偽衛星播發衛星導航信號，使地面衛星導航信號增強，以提高GNSS 接收機抗干擾能力的技術。功率增強將迫使導航進攻方采用功率更強的干擾源，這也使得干擾源更加易于探測和摧毀。

替代性導航源是指建設衛星導航系統以外的導航源，如長波無線電導航系統、天文導航系統、量子導航系統等，以防止在衛星導航系統失效情況下的導航手段缺失。

2）用戶設備端防御。用戶設備端防御指GNSS終端采用的抗干擾技術，主要包括濾波技術、波束形成技術、軍碼直捕技術、組合導航技術等。濾波技術包括基于單天線的濾波和機遇天線陣的濾波2 種，具體包括時域濾波、頻域濾波、空域濾波和空時2 維濾波技術。波束形成技術通過技術手段提高指向衛星方向的信號增益，同時削弱指向其他方向的信號增益，從而實現增強衛星信號和抑制無關信號的目的。軍碼直捕技術指的是導航終端不經過民碼的引導，直接捕獲精密測距碼（precise ranging code，P 碼）的技術，P 碼也稱軍碼。目前軍碼直捕技術主要分為時域相關捕獲與頻域“快速傅里葉變換”（fast Fourier transform, FFT）捕獲2 大類。組合導航技術主要是指將衛星導航和慣導技術進行組合，發揮2 種導航技術各自的優勢，彌補各自的缺點。按照組合程度的不同，又分為松組合、緊組合和超緊組合3 種[3]。

圖3 導航防御能力框架

1.3 導航偵察能力

導航偵察包括導航信號監測和干擾源檢測與定位，是發起導航進攻和進行導航防御的基礎。導航信號監測是指對未公開導航信號的偽碼、電文、調制方式等指標進行監測和破譯，為實施干擾提供技術支持。干擾源檢測與定位是指對戰場導航頻段進行監測，判斷干擾源的來向和位置，為摧毀干擾源提供技術支持。

2 美國導航對抗能力現狀

美國作為世界最早的衛星導航系統的研制方和導航戰概念的提出方，在導航對抗領域進行了很多研究和實踐，其導航對抗能力處于全球領先水平。

導航進攻領域，在反衛星和在軌操作方面，美國具備了使用反衛星武器對中軌、高軌衛星的硬摧毀能力。同時，美國逐步掌握了低中高軌合作或非合作目標的自主逼近、交會、對接、捕獲以及伴飛、繞飛等關鍵技術。2016 年8 月19 日，美國地球同步軌道空間態勢感知計劃（geosynchronous space situational awareness program, GSSAP）星座的4 顆衛星組網成功，具備了對地球同步軌道衛星近距離成像、電子偵察、干擾和攻擊的能力。同時，美國通過鳳凰、蜻蜓、同步軌道衛星機器人服務等項目，演示驗證了針對衛星的在軌捕獲、燃料加注、切除部件、裝配等能力。在導航干擾方面，美國開發了不同種類的壓制式GPS 干擾系統。德州大學托德·漢弗萊斯（Todd Humphreys）團隊研制的欺騙式干擾源，2012 年成功地接管了無人直升機，控制其下降和爬升；2013 年，在地中海成功控制游艇，使其偏離航線，整個欺騙干擾過程中，沒有觸發任何警報，GPS 信號也沒有失鎖[4-6]。

導航防御領域，在太空態勢感知方面，美國的太空籬笆項目于2018 年底具備初始作戰能力，可探測、跟蹤軌道高度超過1 931 km、直徑約10 cm 大小的空間物體，可跟蹤的空間物體數量達20 萬個[7]。功率增強方面，美國已具備星基功率增強實戰能力，在敘利亞戰爭、伊朗爭端期間，美國多次進行GPS 信號功率增強操作，使中東地區的GPS 信號功率強度提升了10 倍以上。另外，美國依據機載偽衛星項目，進行空基功率增強，4 架獵人無人機作為偽衛星，可覆蓋300 km×300 km 的戰區。替代導航源方面，美國開展了歐米伽導航系統（omega navigation system, ONS）、羅蘭C 導航系統（long-range navigation system, LORAN-C）等地基無線電導航系統的現代化工作。同時積極開展重力導航、天文導航、量子導航等導航系統的研發工作。GPS 能力增強方面，美國研制了新型的GPSⅢ衛星，采用了新的軍碼（M 碼）和加密方式，具備比現有GPS 衛星高100～500 倍的抗干擾能力，其星座自主運行能力超過了180 d[8]。持續開展抗干擾型GPS 接收機研究，實施軍用GPS 用戶設備計劃（military GPS user equipment program, MGUE）[9]，開發軍碼直捕技術，研制新型選擇可用性反欺騙模塊（selective availability anti-spoofing module,SAASM），研制新型廉價微型原子鐘，以期提高GPS 接收機抗干擾和防欺騙能力。目前，在綜合應用各種抗干擾技術的情況下，美國軍用GPS 接收機的抗干擾能力可達120 dB 以上。

導航偵察領域，美國納維西斯（NAVSYS）公司開發了干擾源定位系統（jammer detection and location system, JLOC），通過干擾監測網絡實現對各種干擾源的檢測和定位。美國阿吉倫特（Agilent）公司也研制了性能優良的干擾源監測/測向系統，可以提供快速的寬帶信號監測和測向。美國海軍航天和海戰中心主持開發了1 種機載GPS 干擾源定位系統（location of global positioning system interference, LOCO GPSI），該系統由四陣元天線陣、監測測向設備及 GPS/慣性導航系統（inertial navigation system, INS）組合接收機構成，采用短基線干涉儀測向體制和高靈敏度、快速掃描的接收機，實現了對干擾源的監測和精確測向[10]。

3 俄羅斯導航對抗能力現狀

反衛星和在軌操作方面，俄羅斯積極發展反衛星和天基操控武器，先后進行了多次衛星軌道機動試驗。俄羅斯于2013 年底重啟了樹冠項目，該項目具備地基偵察監視和機載打擊的能力；于2015 年3 月發射了小衛星宇宙2504，并于4—7 月開展了在軌交會試驗；同年4—9 月，射線衛星進行了軌道漂移試驗，在高軌軌道先后接近多顆其他國家GEO 衛星并在衛星附近駐留，疑似執行偵察和干擾任務，這表明其在地基定向反衛能力和共軌式反衛能力的基礎上，具備了在軌操作反衛能力。在導航干擾方面，根據公開的報道，俄羅斯是最早研制GPS 干擾機，并投入實戰的國家。早在2003 年的伊拉克戰爭期間，伊拉克使用從俄羅斯購置的干擾機，對多國聯軍的100 多枚GPS 制導武器實施了有效干擾，顯著降低了其命中率。近年來，在歷次和美國有關的局部沖突中，都有俄羅斯GPS 干擾武器的身影。2019 年6 月，伊朗在霍爾木茲海峽擊落了1 架美軍RQ-4 全球鷹高空無人偵察機；2019 年7 月，伊朗軍方在伊朗領海扣押了英國油輪斯坦納帝國號“Stena Impero”，據分析，伊朗的俄制GPS 干擾武器對無人機和油輪實施了欺騙式干擾，導致其駛向了錯誤的方向，進入了伊朗的火力打擊范圍。2020 年3 月，在敘利亞伊德利卜省，俄羅斯的克拉蘇哈電子戰系統對土耳其軍方的TB-2 型無人機實施了干擾，造成了7 架土軍無人機墜毀。

在太空態勢感知方面，俄新一代沃羅涅日預警雷達完成境內12 個站點部署，其最大探測距離為6 000 km，能同時監視500 個空間目標。俄新型天窗M 和天窗S 地基光電系統陸續部署，該系統具有強大的空間監測能力，能監測10 cm 以下的微小目標[7]。

俄羅斯的艾爾科斯（IRCOS）公司研制了1 套干擾源監測/測向系統，其可對頻率在25～3 000 MHz 內的干擾源實施有效監測，頻率掃描速率1 000 MHz/s。

4 其他國家導航對抗能力現狀

反衛星和在軌操作方面，德國的棱鏡任務驗證了編隊飛行和自主交會技術，自主視覺導航與目標識別任務驗證了航天器完全自主交會技術。歐空局（European Space Agency, ESA）的離軌任務項目，追求利用服務航天器捕獲位于極軌/太陽同步軌道的非合作大型衛星。日本于1997 年執行的工程試驗衛星-7 任務，是世界上首次空間機器人在軌操作試驗；其“空間碎片微型清除器”計劃，驗證了使用電動力纜繩捕獲衛星的能力[11-12]。導航干擾方面，中小型國家也具備了導航干擾的能力，2011 年12 月4 日，伊朗防空部隊在該國東部邊境利用欺騙干擾技術俘獲了1 架RQ-170 無人偵察機，隨后伊朗工程人員復制了該無人偵察機，這是欺騙干擾技術第1 次在實戰中的成功應用。據媒體報道，朝鮮也裝備了GPS 干擾設備。

5 導航對抗能力發展趨勢

從各國導航對抗能力發展及近幾場局部戰爭導航對抗態勢來看，導航對抗將呈現以下發展趨勢：

1）導航對抗將越來越深入頻繁地進入實戰，爭奪制導航權的斗爭將越來越激烈。從敘利亞戰爭、利比亞戰爭、伊美沖突、俄土沖突等近幾場局部戰爭及沖突來看，導航對抗越來越頻繁地進入實戰。GPS 衛星功率增強已成為局部沖突開始的先兆和常態化操作；導航干擾成為對抗察打一體無人機等現代化武器裝備的首選，并能成功地誘騙油輪，使戰艦偏航。導航對抗的技術門檻日益降低，越來越多的中小國家開始具備導航對抗能力，伊朗、利比亞、敘利亞均有實施導航干擾的成功戰例。可以預見，在未來高技術局部戰爭中，爭奪制導航權的斗爭將越來越激烈。

2）各國爭相發展導航對抗能力，導航對抗技術發展日新月異。美俄等國不斷地發展反衛星技術和衛星在軌操作技術，對衛星實施打擊和干擾的技術日趨成熟，在未來爭奪制導航權的斗爭中，必將發揮重要的作用。另外，各大國不斷優化更新自身的GNSS，增強其可用性、連續性和可靠性，提升其在戰時的生存能力。同時開發芯片級原子鐘、芯片級慣導等微定位、導航、授時（positioning,navigation and time, PNT）技術，加強多傳感器集成和信息融合，提升GNSS 應用終端的抗干擾性和可用性。綜合采取低軌衛星導航增強、空地偽衛星增強、研發不依賴GNSS 的導航源等手段，全面提升導航對抗能力。

3）導航對抗將向綜合PNT 對抗方向發展，進入體系對抗階段。當前，GNSS 導航向綜合PNT 方向發展。隨著低軌衛星導航增強、空地偽衛星、組合導航等GNSS 增強手段的建設，地基無線電導航、天文導航、量子導航等不依賴GNSS 導航手段的發展，以及芯片級原子鐘、芯片級慣導等微PNT技術的發展，世界強國的PNT 能力將向抗干擾性更強、獲取途徑更多，更富彈性的方向發展。導航對抗向對抗更激烈、手段更豐富、技術更先進的體系對抗階段發展。要獲取未來戰爭的制導航權，一方面需要建好我方的綜合PNT 體系，提高綜合PNT體系的靈活性和抗毀性，另一方面要加緊研究針對性的導航對抗技術和戰術，提高體系破擊能力。

6 結束語

當前，美俄等國已具備了較強的導航對抗能力，中小國家如伊朗、朝鮮也具備了一定的導航對抗能力。各國爭相發展導航對抗能力，導航對抗越來越頻繁深入地進入實戰，并向綜合化、體系對抗的方向發展，圍繞制導航權的斗爭必將越來越激烈。我國必須開拓性地研發導航對抗技術，全方位地發展導航對抗能力，前瞻性地構建導航對抗體系，才能掌握未來戰爭的制導航權，而立于不敗之地。