舰艇对抗反辐射导弹GPS制导系统的方法研究*

李锦军 汤永涛 陶 金

(海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012)

舰艇对抗反辐射导弹GPS制导系统的方法研究*

李锦军 汤永涛 陶 金

(海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012)

现代战争中,反辐射导弹已经对舰艇构成巨大的潜在威胁。从反辐射导弹GPS制导系统的原理入手,分析了干扰反辐射导弹GPS制导系统的各个环节,提出了舰艇通过加载GPS干扰机,采用压制干扰、欺骗干扰和复合干扰等技术对抗反辐射导弹GPS制导系统的方法。

反辐射导弹; GPS制导系统; 压制干扰; 欺骗干扰; 复合干扰

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1 引言

在电子战领域中,反辐射导弹(ARM)作为“硬杀伤”武器占有突出的地位,多场战争表明,反辐射导弹已成为现代战争中最重要的电子进攻武器之一。反辐射导弹是利用敌方雷达波束进行被动式制导的精确制导武器,主要用于攻击敌防空警戒雷达、防空导弹火控雷达和防空高炮火控雷达,为己方兵力的空袭创造不受抗击或受到较小抗击的作战环境。水面舰艇是一个雷达密集的海上作战平台,其作战性能严重依赖于雷达体系的工作状况,能否有效防御反辐射导弹的攻击是舰艇海上防空作战的关键所在[1]。

然而随着反辐射导弹干扰技术的发展和战术运用的不断成熟,一些国家已经有较好的对抗反辐射导弹措施,如雷达诱饵技术、告警加火力拦截以及释放烟幕弹等。也正因为这种矛与盾的发展,为进一步提高抗干扰能力,部分国家开始在反辐射导弹上加装GPS制导系统,研制复合制导模式的反辐射导弹[2],据悉,此类反辐射导弹已研制成功。本文重点研究舰艇对抗反辐射导弹GPS制导系统的方法和技术。

2 反辐射导弹GPS制导系统原理

反辐射导弹基于GPS导航定位系统的导弹控制系统组成框图如图1所示。反辐射导弹前端的GPS接收机只需要接收到四颗卫星的导航信号便可完成定位,实时测量出导弹的实际位置,与存储在程序装置中的预定轨道参数进行比较和计算综合,然后通过姿态控制系统控制导弹飞行;而导弹的姿态信息也可通过GPS导航定位系统实时监测,并实时控制导弹进行调整,整个控制系统是一个闭环系统,最终将导弹引向目标[3]。

图1 基于GPS导航定位系统的 导弹控制系统组成框图

反辐射导弹采用GPS制导体制必须依托整个GPS系统。GPS系统由三部分组成,即空间卫星部分、地面控制部分(地面测控站)和用户设备部分(GPS接收机)。地面测控站向卫星注入导航电文和控制指今(上行通道),卫星向用户提供导航电文码(下行通道)。这三部分无论哪个部分出现故障,都无法进行引导定位,导致反辐射导弹无法命中目标。

3 反辐射导弹GPS制导系统干扰环节分析

3.1 对空间卫星实施干扰

GPS卫星系统的对抗环节包括星地链路和星间链路。通过对星地链路的有效干扰,使导航星不能正常工作或发射错误的导航信息,从而使反辐射导弹的GPS接收机得不到精确、甚至得到错误的导航信息;通过对星间链路实施干扰,破坏其星间数据传输和测距功能,从而使反辐射导弹无法完成自主导航功能。

根据GPS卫星系统的特点,可以采用以下三种途径达到干扰的目的: 1) 选用GPS卫星的伴星作为对抗GPS卫星链路的应用平台,发展一种共轨式天基电子对抗卫星[4]。这样,电子对抗卫星可以接收来自星地/星间的通信/测距信号,通过截获、分析,产生有效的伪GPS干扰信号,干扰或破坏GPS卫星的星地/星间链路的正常工作,从而达到破坏GPS卫星导航系统正常工作的目的。 2) 利用电磁脉冲武器扰乱和破坏星座上的电子设备,使其不能正常工作[5]。 3) 利用动能武器或激光武器直接摧毁星座。目前在反卫星武器的研究领域,采用携带多枚小型动能拦截器的“环顶器”反卫星武器方案就可以利用动能拦截弹来攻击中高轨道的导航和通信卫星,这对于GPS卫星来说将是致命的打击[6]。

3.2 对地面监控系统的干扰

利用主控站、监测站和注入站分布比较分散的特点,可以对其信号进行截获和分析,在信号传播路径上播发干扰信号,进行干扰,使其地面站之间无法传递信息和数据,导致地面监控系统不能正常工作,从而达到干扰的目的。

3.3 对用户接收机的干扰

GPS卫星轨道距离地球表面两万多千米,卫星的发射功率不可能很大,传播到地球表面的信号非常弱。为了同时接收在空中运行的多颗GPS卫星信号,反辐射导弹的GPS接收机的接收天线波束较宽,加上C/A码已经完全公开,P码也处于半公开状态,因此,对下行通道进行干扰是比较可行和容易实现的[7]。

根据以上分析可知:对GPS卫星的干扰主要是毁坏式干扰和采用天基的伴星干扰,而GPS卫星星座的轨道平均高度约为20200km,属高轨卫星,对其实施硬摧毁并非易事,伴星干扰也较难实现;地面监控系统位于美国的本土或是美军的海外基地,有较多的保护措施,不易受到硬武器的直接攻击,对GPS地面站的上行通道进行干扰也很难实现,因为GPS卫星只有在通过位于美国的控制站上时才打开接收饥,并接收地面控制信号,而且该遥控信号采用了许多加密和抗干扰措施,对其进行干扰,目前技术尚未成熟。而有可能实现的,就是对GPS接收机的下行信道进行干扰,因为GPS接收机为了获取所需的导航信息,总是打开的,而且为了同时接收在空中运转的多颗GPS导航卫星的信号,其接收天线波束较宽,加上接收机相距导航星遥远,接收信号非常弱。因此,从目前来看,对GPS接收机的下行通道进行干扰是比较可行的。战时,在关键阶段对重点战场、主要方向实施区域性局部电子对抗,可使敌方反辐射导弹在此地域无法利用GPS进行定位和导航,或使其定位误差增大,不能获取精确的导航定位信息,而不能命中目标。

4 舰艇对抗反辐射导弹GPS制导系统的方法

舰艇平台空间有限,无法承载规模较大的GPS对抗系统,面临基于GPS导航定位系统制导的反辐射导弹的巨大威胁时,首要选择是加装体积较小的GPS干扰机,对反辐射导弹的GPS接收机实施干扰。目前,俄罗斯等国家已经开始该领域的实际应用。

GPS干扰机在干扰体制上可以分为压制式干扰、欺骗式干扰和复合干扰。采用压制式干扰的优点是比较容易实现,缺点是干扰所需的功率较大。欺骗式干扰则是发射和GPS信号相同或相似的干扰信号,引导GPS接收机偏离原来正确的导航和定位。复合干扰是通过综合采用多种干扰方式来获得更好的干扰效果。当反辐射导弹的GPS接收机在导弹飞行的任意点受到干扰时,该导弹在整个干扰阶段只能保持“惯性滑移”,其飞行弹道由不太精确的惯性制导系统引导。产生干扰的时间越早,导弹距目标的距离越远,其偏离预定攻击目标的误差就越大,将严重影响其攻击精度。

4.1 压制干扰

压制干扰是指发射一定带宽、频率和功率的干扰信号,造成反辐射导弹的GPS接收机的相关接收通道不能正常接收GPS卫星信号,使接收机无法正确导航定位。对GPS信号进行压制的干扰技术主要有以下四种[8]。

4.1.1 单音瞄准式干扰

已知目标信号的通信频点较为固定时,可以使用单音瞄准式干扰。由于扩频增益的影响,该干扰方式所需干扰功率较大。

4.1.2 宽带噪声干扰

宽带噪声干扰是指在滤波器的通带内形成均匀功率密度的干扰。由于扩频增益的存在,反辐射导弹的GPS接收机在放大信号功率的同时,对于干扰功率有扩展的作用。GPS系统的扩频增益很大,需要很强的干扰功率才能完成。与单音瞄准式干扰相比,它没有利用信号的载频信息,要达到同样的干扰效果所花的代价更大。

4.1.3 宽带阻塞式干扰

宽带阻塞式干扰的带宽大于GPS信号的带宽,使反辐射导弹的GPS接收机产生阻塞而达到干扰的目的。该干扰是干扰GPS信号有效的方式之一,一般很难被滤除掉。

4.1.4 伪码相关干扰

伪码相关干扰是指进入反辐射导弹的GPS接收机的干扰信号和GPS信号具有相同的码型。由于直接序列扩频信号对于随机噪声有很大的处理增益,而与GPS信号相关的干扰信号能得到全部或部分处理增益,即使有一点相关性的干扰波形也比随机噪声要有效。该干扰是通过对GPS信号的截获、侦察和识别,从侦收到的GPS信号中提取出GPS信号的关键参数(载频、码速率、扩频码周期等),根据所获参数产生与GPS信号相关或近似相关的干扰信号,可实现高效相关干扰。

4.2 欺骗干扰

欺骗干扰是利用虚假的GPS信号来干扰和欺骗反辐射导弹的GPS接收机,接收机无法分辨接收信号是否正确,从而使其利用错误参数进行解算,导致导航定位错误。欺骗干扰采用与GPS相似的信号和调制形式,获得与GPS信号相当的相关处理增益,使反辐射导弹的GPS接收机产生虚假的导航信息。和压制干扰相比,欺骗干扰功率大大降低[9]。对GPS进行欺骗干扰可以从两方面人手:增加信号传播时延或者给出虚假导航信息,分别对应于转发式欺骗干扰和产生式欺骗干扰两种干扰体制。

4.2.1 转发式欺骗干扰

利用信号的自然延时,将干扰机接收到的GPS导航信号,经过一定的延时放大后直接发送出去。对于反辐射导弹的GPS接收机来说,同时存在多个信号,接收机很容易被这种信号欺骗,从而得到错误的伪距,影响定位精度。对GPS信号进行转发式放大后,增加了接收机对干扰信号的捕获概率,即来自干扰机的干扰信号和来自卫星的导航信号都有被捕获的概率,但干扰信号被捕获的概率要大于导航信号,这样就起到很好的干扰效果。转发式欺骗干扰需要解决收发信号的隔离问题,转发式干扰同时要从-20dB～-30dB的信噪比中提取、放大信号,以保证信号不畸变或有较少畸变,提高输出信噪比。

4.2.2 产生式欺骗干扰

产生式欺骗干扰有两种实现方式:一种是自主欺骗干扰,该干扰需要掌握GPS的信号结构,包括码结构、导航信息内容等,适用于对民用C/A码的干扰;另一种是侦察引导欺骗干扰,即根据侦察得到的码结构,产生与其相关性最大的伪随机码,然后调制与导航电文格式完全相同的50bit/s的虚假导航电文,使接收方上当。该干扰方式实现困难,适用于对军用P(Y)码的干扰。

自主欺骗干扰不依赖GPS系统,自主产生高保真的GPS信号,这些信号通过空间辐射到反辐射导弹的GPS接收机,致使接收机锁定在干扰信号上从而得到错误的伪距和定位信息,达到欺骗的目的[10]。

侦察引导欺骗干扰通过突破GPS信号侦察和码型识别技术,获得伪码生成方法和外部调制参数(载频、码速率)后,从而产生出与GPS信号具有相同参数、但是加载错误导航电文的假信号,同时进行伪码相位可控调制,实现假信号比真实信号提前/滞后产生,这样在反辐射导弹的GPS接收机端便会产生可控的错误信息。通过不断地产生欺骗数据,使得GPS接收机慢慢地偏离预定航迹。

4.3 复合干扰

复合干扰根据GPS系统的特点,通过综合采用多种干扰方式来获得更好的干扰效果。比如,通过相关压制干扰、转发式欺骗干扰相互配合实施干扰,即首先用相关压制干扰在一个很短的时间让反辐射导弹的GPS接收机转入搜索状态,然后切换到转发式欺骗干扰上,使要GPS接收机锁定到欺骗信号上,过一段时间再重复这个过程。由于压制干扰所需干扰功率相对较大,欺骗干扰所需功率相对较小,所以采用组合式干扰方式将会有效地提高干扰设备的战场生存能力[11]。

5 结语

反辐射导弹已经成为水面舰艇海上防空作战的主要威胁,尤其是基于GPS导航定位系统制导的反辐射导弹的诞生,对舰艇自卫防御提出了新的挑战,舰艇仅靠常规的雷达对抗,以及诱饵系统、烟幕弹等措施,已经无法应对威胁。本文从反辐射导弹GPS制导系统的原理出发,深入分析了干扰反辐射导弹GPS制导系统的各个环节,进而针对舰艇这一平台的特殊性,提出通过加载GPS干扰机,采用压制干扰、欺骗干扰和复合干扰等技术实现对反辐射导弹的GPS接收机实施干扰,以达到对抗的目的。

[1] 王慕鸿,周智超,周亮.舰艇对抗反辐射导弹的复合干扰方法[J].电子信息对抗技术,2012(4):52-54.

[2] 金立峰,于凤全.反辐射导弹制导技术及发展趋势[J].电子世界,2012(10):6-7.

[3] 李建东,王智,苏五星,等.转发式GPS诱饵抗“雄风”反辐射导弹研究[J].舰船电子对抗,2009(6):31-33.

[4] 闻新,马文弟.小卫星编队与反卫星卫星[J].中国航天,2006(4):29-33.

[5] 蔡志斌.GPS导航对抗策略与技术分析[J].全球定位系统,2002(2):29-33.

[6] 冯志刚,方昌华.世界各国反卫星策略综述[J].中国航天,2006(3):38-41.

[7] 孔令文,王涛.GPS干扰技术及其防护措施研究[J].航天电子对抗,2012,28(6):35-38.

[8] 邓小涛,江帆,石佳.GPS导航系统干扰对抗技术研究[J].现代电子技术,2006(20):152-155.

[9] 李彬,靳国栋.浅析GPS干扰技术[J].电子对抗,2009(1):39-42.

[10] 李如年.防空雷达抗反辐射导弹研究[J].飞航导弹,2011(5):49-52.

[11] 宋亚飞,高峰马,马笒睿,等.反辐射导弹防御技术研究[J].飞航导弹,2011(6):66-69.

Method for Surface Warship Antagonize GPS Guidance System in the Anti-Radiation Missile

LI Jinjun TANG Yongtao TAO Jin

(Naval Bengbu Sergeant’s School, Bengbu 233012)

In modern war, the anti-radiation missile has formed huge latent threat for the surface warship. Starting from the principle of GPS guidance system in the anti-radiation missile, various links of GPS guidance system in the anti-radiation missile are analyzed, the surface warship by loading GPS jammer is put forward which uses the method of blanket jamming, deceptive jamming and complex jamming technology antagonize GPS guidance system in the anti-radiation missile.

anti-radiation missile, GPS guidance system, blanket jamming, deceptive jamming, complex jamming

2013年8月8日,

2013年9月29日

李锦军,男,讲师,研究方向:海军电子对抗。汤永涛,男,讲师,研究方向:海军电子对抗。陶金,男,助教,研究方向:海军电子对抗。

DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.014