导航战及其对抗技术

+ 刘天雄

导航战及其对抗技术

+ 刘天雄

第十八讲

1、引言

GPS系统已成为主导信息化战争的高技术系统之一，能够极大地提高美军的指挥控制、多军兵种协同作战和快速反应能力，大幅度地提高了武器装备的打击精度和效能。然而，在频谱对抗日趋激烈的战场环境中，GPS系统由于其信号发射功率低、穿透能力差等固有弱点，极易受到电磁干扰和电子欺骗威胁。

GPS导航信号极其微弱，卫星播发到地面的L1频段信号功率为-160dBW，其微弱程度相当于一只50W普通灯泡的光从20000Km的GPS卫星轨道空间照射到地球表面，因此GPS卫星导航信号极易受到干扰。2003年美军入侵伊拉克期间，伊拉克军方使用干扰机对GPS信号实施了有效地干扰，GPS系统暴露了战时抗干扰能力比较差、使用不可控、系统安全性不足等问题。

鉴于目前先进的电子干扰技术已经对GPS脆弱的抗干扰能力构成了直接威胁，为维持导航定位领域的技术优势，确保战场制导航权，针对GPS系统一定会遭到敌军干扰的事实，美军提出的“在复杂电子环境下（或在战场环境中），使美军能够有效地利用GPS全球定位系统，同时阻止敌军使用该系统”的导航战Navwar（Navigation Warfare）理论，目的是在未来战争中确保GPS系统能够有效地为美军服务，也是美国提出的争夺制导航权的一项具体措施。即，在敌方有意干扰情况下，保持GPS系统的正常服务，是美军开展导航战的实质。GPS系统导航战的主要内容包括以下四个方面：通过加大卫星导航信号功率，提高GPS系统抗干扰能力；具备电子攻击能力，保护军用导航信号，确保美军及其盟友在战场上取得定位导航和授时优势，同时不影响战区以外民用用户导航服务水平；采取防电子欺骗以及抗射频干扰等措施，提高GPS接收机抗干扰能力；如图1所示。

图1 GPS系统导航战的主要内容

2、GPS系统薄弱环节

美军在四十年前（1973年）开展GPS系统信号体制设计时，并未充分认识到今天复杂电子环境对GPS系统的无意干扰和有意干扰，军事保密要求GPS信号必须淹没在背景噪声之下，系统设计上要求调制C/A码的L1频点信号比背景噪声功率低16dB，调制P（Y）码的L2频点信号比L1的信号功率低13dB，GPS信号强度如图2所示，信号结构如图3所示。这种设计方案的优点是降低了卫星有效载荷的实现难度（特别是星载信号功率放大部件和星载天线设计难度），缺点是GPS卫星发射的导航信号功率极其微弱，由此导致GPS系统抗干扰能力较弱。发射带内干扰信号，可以造成GPS系统降低或者丧失服务能力。

微弱的GPS信号使得GPS接收机在接收、捕获及跟踪GPS信号过程中很容易受到有意或者无意的电磁干扰，当干扰信号功率超过GPS信号功率时，就会造成GPS接收机信号失锁并转入信号搜索状态。战时对于敌方GPS信号干扰机的管制，美国政府的唯一措施只能是发现并摧毁。GPS系统的薄弱环节主要包括如下四个方面：

1)GPS系统L1信号的频率为1575.42MHz，L2信号的频率为1227.6MHz，信号频率固定，因此在L1信号和L2信号的频点附近发射其它其他L频段信号时，很容易干扰GPS信号。例如，2012年光平方公司网路对GPS信号的干扰事件，是近年来卫星导航领域最为瞩目的大事件，折射出卫星导航系统的固有脆弱性以及与其它系统的矛盾冲突等重大问题；

2)GPS接收机需要接收四颗以上导航卫星的信号才能解算出用户的位置，接收机天线的方向图呈半球状，因此GPS接收机天线在空域对射频干扰的抑制能力较弱；

3)GPS下行链路的信号强度极其微弱，例如GPS民用用户接收到L1频段的信号功率为-160dBW，而我们日常使用联通手机信号功率则为-134dBW，也就是说GPS用户接受到的信号强度大约只有手机信号的1/400，GPS用户接收机的灵敏度比较高，较低的射频干扰信号就可以对GPS下行信号产生较大的干扰；

4)GPS信号用户接口控制文件（ICD）已公开发布，即C/A码已在国际上公开应用，而P码处于半公开状态，因此只要使干扰信号与GPS下行信号结构相同，GPS用户接收机就可以“正常”接收干扰信号，而很难识别信号的真伪，由此达到欺骗GPS用户接收机的目的。

图2 GPS信号强度

美国国防科学部的有关研究报告指出：“当前，GPS接收机处于接收模式时，即使受到距离很远的低功率干扰器的干扰，也是很脆弱的，而受到近距离的适度干扰时，便会丧失跟踪能力”，详见刘志春于2007年4月发表在《全球定位系统》“GPS导航战策略分析”的相关阐述。

2013年10月28日,美国《防务新闻》周刊网站发表了题为“美国寻求全球定位系统的替代方案”的文章，文章引用美国国防部防务研究和工程办公室主管谢弗的评论“利用现代电子技术做事变得越来越容易，例如干扰全球定位系统信号。”文章指出目前人们生活中离不开全球定位系统，但又不能信赖它，在全球定位系统的弱点变得越来越明显之际，美国军方在试图提高用户接收机和军用定位数据的可靠性。

图4 1W功率的干扰机大小

图5 干扰范围与干扰功率的关系

干扰范围是干扰功率的函数。试验表明，地面干扰功率为1W的干扰机，大小与碳酸饮料罐相当，如图4所示，天线指向为水平线以上不超过2°时，就能对200Km范围内的GPS接收机实施有效干扰。当地面干扰机的干扰功率为100W时（相当于家里用的电灯泡的功率），干扰机能造成1000Km范围内的民用接收机不能捕获C/A测距码信号，而军用GPS接收机的工作机制是首先捕获民用C/A码信号，然后由C/A码信号引导捕获军用P（Y）码信号，由此导致军用GPS接收机也无法正常工作，如图5所示。

3、导航战主要历程

为了解决GPS系统抗干扰能力不足的问题，保持美军在全球作战中的信息优势，美国政府在上世纪90年代中期启动了导航战计划，主要历程如下：

1)1994年，美国联合电子战中心（JEWC）在美国国防部支持下，开始对美国GPS军用接收机有关电子防护和电子干扰的技术及战术开展研究工作；

2)1995年，美国国防部指定罗克韦尔公司成立了包括BDM、Collins、E-System和SRI International等几家电子公司在内的研究小组，开始一项为期13个月的有关“导航战”的研究计划，这项计划是美国国防部“先期概念技术技术演示计划”的一部分，研究内容主要是围绕GPS军用接收机所需的干扰及反干扰技术、以及新一代导航卫星的改进技术；

3)1996年，美国国会向美国国防部发出的防卫授权决议书中，明确指出要实施加强GPS系统的计划，防止敌对军事力量利用GPS系统的有效能力，又不要妨碍美国自身的军事力量和民用用户使用这一系统的能力，发展新的技术使得GPS接收机具有明显的抗有意干扰和其他形式无意干扰或破坏的能力；同年，美国国防部颁布了《国防技术目标》和新版本《军用关键技术清单》，信息战技术首次被确定为是一种战术，并开展了“导航战先期概念技术演示”研究。

4)1997年，美军在英国召开的“GPS在军事及民事方面的应用”研讨会上，正式提出了“导航战（NAV WAR）”的作战概念，同年在美国西海岸进行了GPS卫星抗阻塞试验，详见吴志金于2005年12月发表在《国防科技》的“导航战技术发展趋势”以及向吴辉于2006年10月发表在《现代防御技术》的“关于导航战概念的探讨”的相关阐述；

2003年3月，美国发动了伊拉克战争。战争期间，战场上90%以上的信息是卫星提供的，美军实时掌握战场态势，控制了制天权意味着掌握着战争的主动权。战争中，美英联军几乎在所有的陆海空作战平台上都嵌入有GPS终端，用于导航定位和统一时间基准，甚至单兵也装备有GPS接收机。在其使用的19269枚精确制导弹药中，采用GPS制导的占了绝大多数。美军大量使用GPS末端制导炸弹，包括“战斧”巡航导弹、联合直接攻击弹药（JDAM）和EGBU-27激光/GPS复合制导炸弹，但轰炸初期频频发生美军GPS制导炸弹误炸伊拉克邻国事件，伊拉克军方使用6套俄罗斯Aviaconversiya公司研制的大功率GPS信号干扰机对GPS系统开展了有效地干扰，导致GPS末端制导炸弹中的GPS接收机无法正常工作，后期美军对伊军所使用的GPS干扰装置实施侦测和摧毁，显示出美军在导航战中制导航权的能力。

美国军方为研究未来战场上将会出现的“导航战”场景，开辟出称为“紧张环境”的特殊区域以实战方式来推演这一概念，进而制订出在这类地区作战的战术和条令。实施“导航战”的目的是在未来战争中确保美军及其盟军的卫星导航系统能够正常运作，防止敌方使用并尽可能降低对民用用户的影响，确保美军的定位（P）、导航（N）和授时（T）优势。

4、导航战内涵及目标

为加强GPS全球定位系统在现代化战争中的支撑作用，保持其在全球民用导航领域中的领导地位。北约（NATO）定义导航战为“NAVWAR is defined as preventing the hostile use of PNT information while protecting the unimpeded use of the information by NATO forces and preserving peaceful use of this information outside the area of operations.”，即“阻止敌对方利用PNT信息，同时保护北约盟军正常使用PNT信息，而战区以外的用户依然能够和平使用PNT信息”。导航战的内涵有三点，一是保护（Protect）,即保护美军及其盟友战时能够有效地使用GPS系统给出的定位导航和授时信息；二是阻止（Prevent），即阻止敌军利用GPS系统进行定位导航和授时服务；三是保持（Preserve），即保持战区以外的民用用户依然能够安全有效地使用GPS服务；导航战的唯一挑战是“使用同时拒止”，如图6所示，

由此，导航战的目标可以概括为以下三点：首先是确保GPS系统正常运行，使美军和盟军不受干扰地使用GPS系统，确保美军及其盟友在战场上取得定位导航和授时（PNT）优势；其次是阻止敌军在战场上使用GPS系统并使敌方导航系统不能正常工作；最后是保持民用GPS用户受到的影响或定位精度劣化程度最小。

5、导航战对抗技术

在设计GPS卫星导航信号时，国美国防部提出的技术要求是需要考虑能够适应不同要求的用户系统（军事或民用用户）、能够通过接收在轨卫星播发的导航信号唯一识别不同的卫星、能够通过接收在轨卫星播发的导航信号确定并预测该卫星运行轨道位置、能够实现基于导航信号到达时间（TOA）的原理解算卫星和接收机之间的距离、能够确定星载原子钟的工作状态（把是否可用信息下传给用户）、满足高精度实时定位以及满足军事保密等几方面的要求。

因此，从技术层面实现美国国防部对GPS卫星导航信号的要求是比较复杂的，同时还需要考虑导航信息的类型、数量及编码方法、信号的功率（EIRP）以及信号的频率分配等技术等因素。GPS卫星同时播发L1和L2两种L频段无线电导航定位信号，包含载波信号、测距码信号以及数据码(NAV/SYSTEM DATA)信号三种分量，数据码又称为导航电文（navigation message）。其中L1信号的频率为1575.42MHz，调制一般精度的C/A测距码（Course acquisition Code）信号；L2信号的频率为1227.6MHz，调制精密测距的P测距码（Precision Code）信号。

卫星导航系统是一个完整的系统，由卫星星座（空间段）、地面控制及监测网络（控制段）和用户接收设备（用户段）三个相对独立的部分组成，系统中任何一个环节受到攻击或者破坏都可能导致系统无法正常使用。攻击或者破坏GPS系统地面控制及监测网络意味着攻击或者破坏美国本土军事设施，就是对美国宣战，已超出导航战的范畴，几乎不可能发生。攻击或者破坏卫星星座，理论上应用反卫星武器是可能的，但是又有多少国家有能力实施星球大战呢？

美国导航战的主要策略一是摧毁GPS干扰源，二是提高GPS系统抗干扰能力，包括接收机和导航卫星两方面的抗干扰能力。主要的导航对抗技术包括以下九个方面：

图6 导航战中的保护、阻止和保持

5.1 两种服务模式

GPS全球卫星定位系统是美国的，美国政府发展GPS全球定位系统的目的是为美国国家安全服务，为了保障美国的安全和自身的利益，因此，GPS系统提供两种定位服务，一种是标准定位服务SPS（standard positioning service），全世界用户免费接收调制一般精度的测距码（C/A码）的L1信号；另一种是精密定位服务PPS（precise positioning service），仅供美国军方及其战略盟友等授权用户接收调制高精度的精密测距码（P码）L2信号。

1993年12月，美国国防部宣布GPS系统具备初始运行服务能力IOC（Initial Operational Capability），同年宣布GPS系统对全世界开放，对全世界民用用户10年内免收任何费用。1995年4月美国国防部宣布GPS系统具备全面运行服务能力FOC（Full Operational Capability）。1978年～2007年间GPS卫星在轨卫星数量和系统定位精度变化趋势如图7所示，图中蓝线表示在轨组网GPS卫星部署情况，粉线表示军码定位精度变化情况，1995年GPS系统全面运行服务后，军码定位精度迅速提高并优于5m，远远高于设计指标（精密定位服务10m、标准定位服务16m）。

GPS系统的定位精度超过了已公布的定位指标已是不争的事实，美国政府GPS官方网站GPS.GOV（2012年2月17日）给出了近年来GPS系统用户测距误差URE值的变化趋势，如图8所示，2008年以后，GPS系统标准定位服务SPS空间信号SIS用户测距误差URE最坏情况下的均方根值RMS为4m。

在1995年GPS系统提供全面运行服务之前，GPS系统就已被广泛应用了，实际应用统计结果表明，使用一般精度的测距码（C/A码），大部分时候可以获得误差在平面内7～15m的水平定位精度，高程精度要差一些，但也能在12～35m的误差范围内。根据48届GPS系统CGSIC年会（GPS Program Update to 48th CGSIC Meeting，2008年9月15日）美国Aerospace公司GPS系统工程部的 Tom Powell提交的报告，2008年GPS系统全球范围平面定位误差（2008-09-10 16:55:00测量数据）统计结果，全球范围平面定位误差最大为4.92 m，平均为2.34 m，95%的情况下定位精度为3.16 m（其中用户设备误差UEE = 2.6 m）。

图7 GPS系统卫星在轨卫星数量和定位精度变化趋势

图8 GPS系统标准定位服务SPS用户测距误差URE值的变化趋势

5.2 选择可用性技术

GPS定位精度远远优于预期指标，这让美国国防部觉得十分不爽，特别是不希望敌对国家利用GPS系统开展不利于美国国家利益的军事行动，出于对美国自身的经济、政治，特别是国家安全考虑，美国国防部于1991年7月1日在BLOCK-Ⅱ导航卫星上实施选择可用性SA（Selective Availability）技术，将特定的误差引入卫星基准频率信号和卫星星历数据中，人为有意降低标准定位服务SPS的定位精度，使携带GPS接收机导航的武器难以准确击中目标，不能完成高精度的动态定位，以防止未经授权的用户将GPS系统用于军事目的。

实施选择可用性SA技术后，普通用户水平定位精度一夜之间由7～15m之间下降到100米，高程定位精度由12～35m之间下降到157米。这种影响是可以加强的，在美国政府认为必要的情况下，可以进一步降低利用C/A码进行定位精度。选择可用性SA技术是针对非授权用户的，对于美国军方及其战略盟友等授权用户，则可以利用密钥自动消除选择可用性SA技术的影响。

选择可用性SA技术使得民用接收机的误差人为增大，引起全球民用用户强烈不满，为了摆脱或者减弱选择可用性SA技术的影响，世界各国研究人员进行了积极的探索与试验，特别是是差分GPS技术可以大幅度消除选择可用性SA技术中δ技术（将一个加密的随时间变化的频率偏移引入到卫星的10.23MHz基准频率信号中，偏移具有高频抖动、短周期、快变化、随机性特征）引入的误差，从而显著地提高定位精度。在各种因素促使下（包括俄罗斯提高GLONASS全球卫星导航系统服务精度、欧洲研发GAILEO全球卫星导航系统），美国政府在2000年5月2日美国东部时间午夜停止使用选择可用性SA技术，非授权GPS用户伪距测量精度从100m提高到10m以内，关闭SA技术后标准定位服务定位精度变化如图9所示，一夜之间一般用户的接收机定位精度提高了10倍。

GPS全球卫星定位系统是美国的，美国政府发展GPS全球定位系统的目的是为美国国家安全服务，为了保障美国的安全和自身的利益，即使是免费提供给一般民用用户使用的L1导航信号的定位精度也可以根据美国政府的要求而随时降低。

图9 美国GPS系统关闭SA技术前后标准定位服务定位精度变化