衛星導航系統對抗體系構建方法研究

辛 潔，張天橋，郭 睿，郭靖蕾，常志巧

(北京衛星導航中心，北京 100094)

0 引言

近年來，太空成為國際戰略競爭的新邊疆和制高點，太空威懾成為大國博弈的重要砝碼，特別是美國將中國作為其在太空的戰略對手開展“施里弗”系列太空安全演習，通過演習驗證并加速太空攻防力量的建設和發展。衛星導航系統作為一種重要的太空戰略資源，已經融入政治、外交、軍事、電力、通信、金融和大眾服務等國防軍事和國民經濟的方方面面，是決定國家“命脈”的重要空間基礎設施。當大國之間發生激烈沖突或戰爭時，可能攻擊敵國衛星導航系統，以癱瘓敵國作戰指揮信息系統、社會經濟生活秩序。

隨著太空技術、信息技術的發展，作戰形式已由軍種作戰向體系作戰發展，作戰范圍已從傳統戰場向深空、深海延伸，并正在向陸、海、空、天、電、網六維拓展，呈現出復雜的網絡化、層次化和關聯化特點[1]。信息化武器裝備、無縫鏈接的網絡化軍事信息系統和高度融合的諸軍兵種作戰力量，是我軍實施體系化作戰的三大要素，通過信息流、邏輯流將從事作戰相關的武器裝備、人員編制、指揮決策等相互關聯，形成一個多層的異構復雜網絡[2-3]。

衛星導航系統作為國家重要的時空信息基礎設施，可為精確打擊、戰場偵察、目標定位和武器制導等提供信息服務，導航系統之間的對抗已成為體系化作戰不可或缺的組成部分[4-5]，其面對主要的打擊手段有干擾與欺騙、網絡攻擊和物理摧毀等[6-8]。隨著北斗新一代衛星導航系統服務的逐步開通，其必將成為我軍作戰對手主要的欺騙目標，急需針對北斗三號空間段、地面段和用戶段特點，開展干擾與欺騙能力、網絡攻防能力、對星干擾等導航戰體系能力分析，提升我軍戰場環境保障能力。

本文闡述了GPS的導航對抗能力發展概況，分析了導航對抗體系構建的要素及需求，提出了一種衛星導航系統的對抗體系設計構想，并給出了衛星導航系統物理毀傷的評估模型。

1 GPS導航對抗能力發展概況

為了確保GPS系統在敵方干擾環境下仍能夠保持優良的性能，1994年美軍提出了導航戰的概念，其實質是系統對抗以及反對抗戰術的較量，其目標是使GPS系統只在地球上規定的區域內失效，而對其他區域的用戶仍然有效，這將通過調整導航衛星的發射頻率和采用干擾技術來實現，同時設法阻止敵方利用GPS系統為其軍事行動和軍事裝備進行導航和定位服務[9-11]。GPS系統的全天候導航能力是現代戰爭取得勝利不可缺少的重要因素，目前已成為美軍實現其未來作戰思想和全球戰略的關鍵手段，并在美軍的指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察(C4ISR)系統中發揮著重要作用。

美國GPS從空間段、地面段、應用段都進行了一定的防護能力設計，可以用“降低成本、提高信息安全性、增強抗干擾能力、擴展應用”來概括。從空間段來看，新一代搭載高功率導航戰點波束天線的GPS III衛星已于2018年底發射，并搭載了傳統的S頻段硬件以確保與空軍衛星控制網絡兼容，同時利用高速TT&C鏈路和高寬帶指向性星間鏈路[12-13]，GPS III可在空間形成通信網絡，使所有衛星在所有時間保持聯系；從地面段來看，GPS主要注重于信息層的安全防護，包括選擇可用性防欺騙模塊(SAASM)、分布式架構的計算機網絡和新一代GPS運控段(Next Generation GPS Operation Control System，OCX)深度防御網絡；從應用段來看，授權管理層進行的防護主要包括兩大部分：一是密碼管理，包括密鑰生成、分發和使用；二是對安全模塊和配置安全模塊的用戶終端的管理和監控。

同時，美國近期幾場高技術局部戰爭表明，美軍也在加強衛星導航系統攻擊手段研究和建設。美國從越南戰爭開始的空中作戰，就始終貫徹實施導航電子干擾的戰術，更是在近來的敘利亞戰爭中，通過大功率GPS全頻帶強力干擾，誘騙敘利亞軍隊發射了十數枚防空導彈。目前，對于導航戰裝備建設，美國發展的主要方向包括系統級和設備級。在系統級，美國提出了GPS現代化防護計劃，保證其在電子戰環境下的精度(干擾與抗干擾)，拒絕敵方使用；在設備級，導航戰裝備主要包括抗干擾裝備(如GPS空間時間抗干擾接收機G-STAR)、干擾裝備(EA-18G“咆哮者”電子戰飛機，其連續波干擾功率最大可以達到100 kW，脈沖干擾峰值功率超過1 MW；ALQ-99干擾吊艙，其發射機頻段覆蓋零到幾十兆赫茲、有效干擾輻射功率100 kW)、干擾監測與定位裝備(如美國海軍航天和海戰系統中心開發的“LOCO GPSI”機載干擾源定位樣機系統)。

結合美軍歷次作戰方法分析，美軍可能采取的導航戰方式主要有3種：一是電磁頻譜戰，主要分為壓制干擾和欺騙干擾。美軍在多次聯合演習中開展了干擾衛星導航系統的演練，具備非常有效的干擾或欺騙作戰能力，并逐步將“保障式、反應式”的電磁頻譜行動提升為“主動式、決定式”。二是地面設施摧毀戰，直接攻擊地面系統的主控站、注入站、監測站等固定站點，致使地面運行控制段癱瘓。三是衛星打擊戰，主要分為共軌式和直升式反衛星，共軌式反衛星主要用于開展抵近偵察、電磁干擾甚至物理破壞乃至摧毀，已處于較為成熟的階段，具備一定的實戰能力，直升式反衛星主要采用各種攔截手段對近地軌道衛星進行直接物理攻擊，具備作戰實施演示能力。3種方式可根據沖突規模以及對抗程度選擇采用，或隨事態變化逐步升級，直至3種干擾方式同時實施。

2 導航對抗體系分析

2.1 典型對抗方式比較分析

從攻擊方式來看，一般對衛星導航系統的攻擊包括電子干擾、網絡攻擊、電磁攻擊和硬摧毀打擊等，其中，電子干擾又主要分為壓制和欺騙2種方式；網絡攻擊與傳統的干擾和欺騙不同，在于其將導航系統視為計算機系統，從而形成更廣泛的攻擊視角，產生更多的攻擊手段；電磁攻擊主要是利用電磁脈沖炸彈攻擊導航系統的相關電子設備；硬摧毀主要利用一些定向能或動能武器對衛星或地面站進行摧毀。

從攻擊目的來看，干擾主要利用衛星導航信號到達地面比較微弱的特點，在導航信號頻段內播發干擾信號，阻止接收機鎖定導航信號；欺騙就是偽造用于計算偽距的電文信息，造成導航解算錯誤；網絡攻擊針對導航系統電文協議、操作系統和應用軟件等相關脆弱性，使導航系統癱瘓；電磁攻擊主要是癱瘓導航系統的相關電子設備；硬摧毀主要是摧毀衛星和地面站，從最根本上消除敵方導航系統威脅。

從攻擊強度來看，電子干擾、網絡攻擊主要是軟攻擊，相關攻擊停止后，導航服務可以迅速恢復；電磁攻擊、硬摧毀則屬于硬攻擊，電磁攻擊燒毀相關電子設備元器件；衛星和地面站被摧毀，需要采取相應補網策略。

從實施手段來看，電子干擾可將機載干擾機、平流層飛艇載干擾機、氣球載干擾機、星載干擾機和地面干擾站等干擾設備靈活組合形成多方位、不同高度的分布式干擾體系，在需要的時間和區域形成強烈的干擾態勢，使敵方難以防范和抵抗；網絡攻擊主要針對打擊對象的系統漏洞進行攻擊，不受空間限制，無論距離多遠，攻擊者都能夠利用網絡攻擊系統對任意網絡進行攻擊，且隱蔽性強也是網絡攻擊的主要特點，攻擊之前能夠通過多個網絡平臺，實現較強的偽裝和隱蔽；硬摧毀打擊主要采用激光、粒子束、射頻/微波定向能武器，高能激光武器、反衛星導彈等對地面關重站或衛星實施打擊摧毀。

因此，從攻擊方式、攻擊目的、攻擊強度和實施手段等多層面、多維度的分析可知，電子干擾和網絡攻擊具有可實施性強、打擊范圍可控、可快速恢復等優勢。

2.2 安全防護與薄弱環節分析

在衛星導航系統發展過程中，戰時打擊和安全防護既相互對立又相互制約，在發展中呈現出不同步的狀態。從大多數導航戰事件能夠看出，往往是攻擊事件發生后，才能夠針對攻擊采取相應的防御措施。因此，可從國外主要衛星導航系統空間段、地面控制段、用戶段3個層面，以信號層和信息層安全防護2個維度，深入分析研究其存在的薄弱環節，為導航戰安全防護實施提供切入點及參考。

2.2.1 信號層的安全防護與薄弱環節

從信號層的安全防護來看，衛星導航系統的上行鏈路可通過多手段冗余備份、先進信號體制設計等途徑來提高戰時抗干擾能力；星間鏈路采用無周期擴頻碼、抗干擾處理措施提高星間抗干擾和抗截獲能力；下行鏈路通過提升信號功率、采用先進信號調制方式、無周期擴頻碼、先進信道編碼、軍民頻譜分離等手段提高系統抗干擾、防欺騙、反利用等導航對抗能力；在服務精度上通過單頻差分或用戶機端的弱信號接收策略，達到雙頻服務的精度提升。

大多衛星導航系統的薄弱環節仍主要體現在抗干擾能力不足方面，尤其在抗大功率壓制式干擾和欺騙式干擾方面尤為突出。壓制式干擾將導致接收機失鎖，不過壓制式干擾監測和抑制技術相對較為成熟，可以借鑒雷達領域的相關技術，但欺騙式干擾更具有隱蔽性和危害性，可產生錯誤定位和授時，甚至達到控制目標接收機的程度。

2.2.2 信息層的安全防護與薄弱環節

在信息安全防護方面，主要有星地傳輸加解密和地面網絡防護等手段。地面網絡具備較強的安全防護能力，可有效防止篡改、入侵及破壞等威脅。尤其對于境外站數據和互聯網數據，可配置單向安全傳輸設備、雙向安全傳輸設備等裝備，以保證跨網跨域數據安全傳輸與網絡連通。

網絡安全與信息保證技術可通過增強機密性、完整性、可用性和時空相關性等實現衛星導航系統空間段與運行控制系統之間的網絡安全、信息安全，增強網絡對抗攻擊、保證信息安全的能力，但從GPS下一代運行控制系統(OCX)的發展延遲情況，可以看出系統網絡安全軟件開發的難度與工作量。

2.3 對抗場景設計與可行性分析

場景分類技術的意義在于實現對現實應用場景的描述和細分，以及對海量仿真和實測數據的聚類，實現數據庫的冗余數據消除，并保障測試數據的完備性和對抗場景的有效性。

僅就衛星導航信號而言，其特征參數包括信號強度、頻率多普勒、偽距觀測量、干擾信號特征譜和多徑信號特征等；就衛星導航系統網絡而言，其地面段結構主要為拓撲類型，交換機和路由器等各項硬件設備設置在不同節點，涉及數千臺套的系統設備，相應地病毒擴散范圍與影響也有著多樣變化。

繁多的特征參數給場景分類帶來困難，針對每一個參數都應建立一個對應的場景分類，既無必要，也過于占用工作量和項目成本。因此，需要開展導航信號和網絡信號特征參數提取方法研究，結合現有裝備和技術體制特性以及特征參數對最終定位精度影響，開展有效的導航戰對抗場景設計。

3 導航對抗體系構建

導航對抗體系是指按照一定組織架構、運維模式、指揮關系將導航系統、作戰要素和作戰單元融合，形成具備指定作戰功能、動態適應威脅環境的有機整體[14-15]。結合上述分析，可分別從系統層次劃分、功能架構和毀傷效能指標等多個維度，開展導航對抗體系設計，為導航對抗能力分析、關鍵要素識別、打擊策略選取和對抗場景設計等方面奠定基礎。

3.1 系統層次劃分

導航對抗要素主要是指性質單一、地理位置相對獨立的目標，例如指揮中心、主控站、注入站、監測站、機動站、測控站和組網衛星等，這些目標是構成目標系統和目標體系的基礎，進而可根據目標功能特性，劃分為如表1所示的指揮控制系統、監測預警系統、信息攻防系統和綜合保障系統[16]等。通過構建體系結構，能夠實現個體功能和網絡拓撲的耦合，便于分析目標與目標之間的相互作用關系。

表1 導航對抗體系層次劃分Tab.1 Hierarchy division of the navigation countermeasure system

3.2 功能架構

為了確保衛星導航系統在敵方打擊下仍能夠保持優良的性能，其實質是系統對抗以及反對抗技戰術的較量，其目標是使衛星導航系統只在規定區域內失效，而對其他區域的用戶仍然有效，同時設法阻止敵方利用衛星導航系統為其軍事行動和軍事裝備進行導航和定位服務。因此，基于構建完成的系統劃分進行體系能力分析，有利于把握導航對抗重心、威脅程度及薄弱環節梳理，確保聯合作戰指揮及組織作戰協作。功能體系劃分主要包括服務類型、對抗方式、安全防護等要求，如表2所示。

表2 導航對抗體系功能要求Tab.2 Function requirements of the navigation countermeasure system

3.3 對抗效能指標體系

導航對抗效能指標主要包含作戰區域、服務性能、防護效能、打擊效能、首次定位時間、打擊成功率、打擊時效、增強功率和干擾功率等指標要素，可合理映射分解至系統總體設計中所涉及到的星座構型、空間信號、上行注入體制、星間鏈路體制、自主導航體制、安全性設計、可靠性設計等關鍵技術體制中，則相應的指標體系可分解為作戰區域、服務性能、物理毀傷度等。導航對抗指標體系設計如圖1所示。

圖1 導航對抗指標體系設計Fig.1 Specification design of the navigation countermeasure system

4 毀傷效能評估

毀傷效能評估是一項覆蓋范圍廣、技術狀態復雜、工作量大的工程任務，需結合導航對抗場景設計及運行管理需求，構建通用性強、開放性好、模塊化、易擴展、自動化程度高的毀傷效能評估模型，其主要作用是：① 通過構建各系統目標模型，結合各目標的毀傷性分析結果，制定通用評估模型及方法，進而得到多種對抗條件下的目標毀傷評估結論，實現衛星導航系統毀傷效能綜合評估；② 通過對不同對抗方式下的毀傷效能綜合評估分析，逐步完善相應的數據庫，建立全軍通用的大型數據庫平臺，實現資源的共享與管理；③ 在大型數據庫支持下，從典型導航對抗效能分析出發，開展系統防護策略分析，并制定應急處置預案，快速實現多目標綜合的最優打擊(防護)方案選取，為戰時指揮決策提供依據。

衛星導航系統的毀傷效能評估需首先進行物理毀傷評估，進而開展導航服務精度及可用性分析，最終實現不同導航對抗模式下的毀傷效能及長期推演分析。

對于物理毀傷效能評估，可根據目標各部件受損程度和影響因子，得到對應本次打擊的目標毀傷程度，結合打擊概率可得到目標的毀傷指數，其量化評估結果一般可用式(1)表示[17]，地面段和空間段可據此開展毀傷效能評估。

(1)

(1) 地面段毀傷效能評估

衛星導航系統的地面段一般由主控站、注入站和監測站組成，且各類地面站均有備份/冗余站。若主控站又由n個子系統組成，則其毀傷指數模型可表示為：

(2)

式中，IM為主控站毀傷指數；PMj為第j個可用主控站受打擊概率；Pmi為主控站第n個子系統的毀傷度；Kmi為地面站各子系統權重。同理，可得到注入站、監測站的毀傷指數IU、IS。

(2) 空間段毀傷效能評估

隨著衛星導航系統的不斷更新換代及測試服務需求變更，不同導航衛星所搭載的有效載荷及服務模式均有所差異，且不同星座構型下的服務性能也有所差異。因此，假設k顆衛星受打擊時星座毀傷指數為Is,k，同時考慮到不同衛星的作用及權重差異，則空間段的毀傷指數模型可表示為：

(3)

式中，M表示星座中的衛星總數；Rn,k表示第n種組合下特定的k顆衛星受打擊概率；Psai為第i顆受打擊衛星的第a個子系統的毀傷度；Ksai為第i顆受打擊衛星的各子系統權重；(1-Rn,j)表示第n種組合下特定的M-k顆正常衛星各自的單星可用性。

5 結束語

隨著導航技術及各種對抗技術的發展，導航戰對抗手段從單一的電磁頻譜對抗向多維多模式組合對抗發展，作戰對象也從單一的衛星導航對抗逐步擴展到以衛星導航為核心的PNT體系對抗。開展基于壓制干擾、欺騙干擾、網絡攻擊等手段的導航對抗能力需求分析與對抗場景設計，實現不同對抗模式下的毀傷與防護效能評估及推演，是信息時代作戰的必然需求。為應對日益突出的導航戰形勢，必須構建攻防一體、專業高效的導航戰作戰體系，涵蓋電磁環境監測能力、干擾偵察能力、抗干擾防護能力和對抗效能評估能力。

電磁環境監測主要依托戰區電磁頻譜管理力量和戰區各軍種電子對抗部隊實施。戰區電磁頻譜管控部門應當和導航保障部門密切協調，把衛星導航信號監測工作上升到作戰高度落實，通過多點組網、全時監控、重點排查等方法，定期發布戰區衛星導航信號監測報告，戰區部隊和重要戰備設施周邊衛星導航系統使用提高可靠依據。

干擾偵察主要依托航空力量、地面和海上偵察力量組織實施。偵察力量在實施戰場偵察時，利用攜帶的衛星導航信號接收設備，全域偵收和記錄戰場衛星導航信號，并將信號回傳給北斗導航保障部門，進行數據分析，判斷和排查干擾源，并建議組織定點清除。

抗干擾防護實施主要有2種途徑:一是由戰區協調戰略支援力量，利用搭建偽衛星平臺和點波束信號發送等手段，對作戰區域信號實施區域增強，提高抗干擾能力；二是依托自身組織防護，通過配備增強型接收機、多陣元抗干擾天線、組合導航設備等，提高自身抗干擾防護能力。另外，必須依照導航定位設備使用章程嚴格規范操作使用，避免因人為原因造成導航系統失效。

對抗效能評估一般由導航保障部門根據敵我雙方導航對抗能力以及偵察、頻譜、電子對抗部門提交的戰場導航環境資料進行分析評估，提出導航戰建議。