美国GPS系统导航战技术发展分析

杨宁虎 刘春保 杨哲 （ 中国卫星导航系统管理办公室， 北京空间科技信息研究所， 中国空间技术研究院）

1 概述

1997年，美军正式提出“导航战”概念，并将其定义为：阻止敌方使用卫星导航信息，保证己方和盟友部队可以有效地利用卫星导航信息，同时不影响战区以外区域和平利用卫星导航信息。美军还确立了导航战的作战目标，即：“在战场上取得导航优势；确保GPS系统正常运行，使美军和盟军不受干扰地使用该系统；阻止敌军在战场上使用GPS系统，并使敌方的卫星导航系统不能正常工作或不能正常使用其服务”。

2 卫星导航系统导航战技术分类与主要作用

按功能与作用的不同，卫星导航系统的导航战技术可以分为：①在地面运行控制系统受损条件下保证卫星导航系统正常运行的自主导航技术，如星间链路技术、星间测距技术、星历与导航电文自主生成技术等；②拒绝、阻止敌方使用己方卫星导航系统的拒止技术，如星上信号功率可调、关闭民用信号等技术；③干扰条件下增强卫星导航服务能力的功率增强技术，如点波束增强技术、高功率放大器与天线技术；④用于实现导航信号重构的在轨可重新编程与信号重构技术；⑤保证卫星导航系统网络空间安全与信息安全的技术，如网络安全与信息保证技术等。

目前，全部导航战技术均由美国率先提出、研发和投入使用，俄罗斯与欧洲均处于跟随发展状态。

自主导航技术

自主导航是指在失去地面测控和运控支持的前提下，卫星星座或构成星座的卫星通过自身的测量获得信息，利用自主导航算法实现星座自主运行。

自主导航技术是最早应用于卫星导航系统的导航战技术，其主要作用是在地面运行控制系统受损，不能为卫星导航系统空间星座提供正常的测控与数据更新服务时，卫星导航系统空间星座具有自主地完成星座维持与星历更新，且在一定时间范围内提供满足要求的定位导航与授时服务的能力。

GPS系统空间星座全部由具有自主导航功能的卫星（包括GPS－2R、2RM和2F三个型号的卫星）组成，已全面具备自主导航能力。目前，俄罗斯与欧洲已经启动了自主导航技术的研究，预计“格洛纳斯”（GLONASS）系统和“伽利略”（Galileo）系统将于2030年前全面具备自主导航能力。

导航拒止技术

导航拒止技术是用于阻止敌方使用己方卫星导航能力的技术，是拥有卫星导航系统的国家限制、阻止他方使用自己的卫星导航能力的关键技术。卫星导航系统是典型的军民两用系统，且民用信号完全开放，任何国家、组织或个人均可接收并免费使用。美国军方规定：美国军用卫星导航设备应能兼容包括天基增强系统在内的所有卫星导航系统，以增强美军卫星导航服务的精度、可用性与稳健性等。

为阻止敌方使用GPS系统，美国军方研发了用于拒绝、阻止敌方使用GPS系统服务的技术——星上信号功率可调技术，通过降低交战区域GPS系统民用信号的功率，使得敌方无法使用GPS系统民用服务，实现对敌方的拒止功能。截至2017年12月，GPS星座中已经拥有12颗具备拒止功能的GPS－2F卫星。

在灌区建设过程中，总承包单位作为责任主体，应该具有很强的责任意识，保证灌区建设的质量和工程进度。同时，要减少一些强势部门对灌区建设的干扰，保障灌区建设顺利进行。

功率增强技术

功率增强是通过增加卫星导航系统导航信号的播发功率，对抗敌方干扰，从而提供更加稳健的卫星导航服务能力的技术。由于卫星导航信号功率很低（一般在－160～－155dBW之间），因此极易受到干扰。增加卫星导航信号的功率可有效提升干扰背景下捕获与跟踪卫星导航信号的能力，从而增强干扰环境下卫星导航系统提供服务的能力。

从目前的发展情况看，美国发展了两种旨在提高GPS系统军用信号导航功率的技术，其一为星上信号功率可调技术，即在降低民用信号功率，实现拒止的同时，将军用信号的功率增加7dB，该技术已经装备了12颗GPS－2F卫星；其二为点波束增强技术，即利用点波束天线播发仅覆盖局部（点）区域的功率增强信号，军用M码导航信号的功率可增加20dB，从而使抗干扰能力大大增强。目前，美国正在研发点波束抗干扰技术，计划装备GPS－3C卫星。

在轨可重新编程与信号重构技术

在轨可重新编程与信号重构技术是正在研发的导航战技术，其目标是利用上述技术实现导航信号的重构，从而在导航信号受到干扰不能正常使用的条件下，以新信号、新波形等方式提供新导航能力与服务。

美国计划在GPS－3B卫星上利用软件无线电技术开展在轨可重新编程与信号重构技术的演示验证，项目的研发已经进入关键设计评审阶段。同时，为进一步保证该技术或功能的可行性，美国空军在新一代的导航技术试验卫星－3（NTS－3）项目中将进行“在轨数字波形生成器技术”（ORDWG）的空间飞行演示验证，该技术可实现导航信号中心频率与信号波形的调整，从而增强导航战能力。

网络安全与信息保证技术

就卫星导航领域而言，网络安全与信息保证技术旨在通过增强机密性、完整性、可用性和时空相关性等，保证美国GPS系统空间段与运行控制系统之间的网络安全、信息安全，增强GPS系统对抗网络攻击、保证信息安全的能力。

3 GPS系统导航战技术发展现状

导航战技术是提升、增强战场或对抗环境下卫星导航系统服务能力最重要的手段之一，在一定程度上代表着卫星导航系统的先进程度与服务的可用性与稳健性。因此，导航战技术与能力已经成为拥有自主卫星导航系统与能力的国家和地区争相发展的关键技术。

GPS系统自主导航技术

GPS系统发展之初，美国敏锐地认识到：战时，全球部署的GPS系统运行控制段极易受到敌方的干扰与攻击，导致卫星导航系统不能提供满足军事作战要求的服务。1985年初，美国空军航天系统部委托国际商业机器公司（IBM）进行了一项深入开发自主导航系统算法的研究。1987年5月．空军航天系统部发出了有效载荷的招标合同，正式提出自主导航功能要求。在目前的导航卫星系统中，GPS－2R和2F卫星采用了自主导航技术。GPS－2R自主导航系统有3大设计特色：每颗GPS卫星均有计算能力，具有特高频（UHF）星间链路测量和通信系统。通过采用自主导航技术，GPS－2R卫星的生存能力大大提高，主要表现在：能从比较严重的核打击中恢复工作；通过部件设计和采取冗余手段提高了可靠性；在没有地面测控支持的条件下播发180天的GPS卫星位置和时钟数据，用户测距误差可达6m。GPS－2F卫星能通过星间链路收发指令及遥测数据。GPS－3于2001年开始实质性的研制，计划于2018年首次发射。GPS－3系统将采用新的高速上行/下行链路和星间链路通信结构，这将使GPS－3卫星运行发生变革。GPS－3卫星至少有3点不同于以前的型号：高速遥测、跟踪和指令上行链路和下行链路；高速、定向星间链路；完好性功能。

GPS系统导航拒止技术

导航拒止技术是导航战技术中非常重要的内容。美军认为，在卫星导航技术应用已经渗透到几乎所有领域的前提下，导航拒止技术也许是比导航增强、抗干扰技术更重要的导航战技术。特别是在关键基础设施（如通信与网络、金融证券、交通运输、电力网络等）越来越多地依赖卫星导航服务保证高效、安全、稳定运行的今天，对美国而言，阻止、拒绝敌方使用GPS系统已经成为美国对敌方实施综合打击、破坏或制约敌方战争潜力的重要打击手段。

GPS－2F卫星采用的星上信号功率可调技术，通过降低GPS系统民用信号的播发功率，提高军用信号播发功率，一方面实现GPS军用信号的增强，提升抗干扰能力；另一方面同使相关区域内的民用GPS接收设备无法跟踪、锁定GPS民用信号，实现对敌方使用GPS服务的拒止。未来，GPS－3卫星将全部拥有该能力，预计到2025年左右GPS系统将全面拥有导航拒止能力。

从目前的发展看，尚无消息证明欧洲与俄罗斯开展了导航拒止技术的研发。因此，至2025年左右，将只有美国GPS系统拥有拒绝与阻止敌方使用GPS系统的能力。

GPS系统功率增强技术

功率增强是提高卫星导航系统导航服务抗干扰能力的重要手段之一。美国已经和正在发展的功率增强技术包括星上信号功率可调技术和点波束增强技术两种技术途径。

从星上信号功率可调技术的角度分析看，该技术利用星上控制系统与相关的星上功率管理程序实现，不需要增加有效载荷硬件，不增加对卫星平台、电源系统等的要求，不会导致星上电源功率、有效载荷和卫星质量的增加，技术实现的难度较小。但星座信号功率可调技术能够实现的信号功率增加幅度有限，如美国GPS－2F卫星利用星上信号功率可调技术仅能实现军用导航信号7dB的增加。

相对于星上功率可调技术，点波束技术功率增强幅度大，可有效地提高干扰环境下导航接收设备锁定、跟踪导航信号的能力。如美国正在发展、计划用于GPS－3C卫星的点波束增强技术，可在点波束的覆盖区域内实现军用信号功率增强20dB。但是，点波束增强技术需要专用有效载荷的支持，如点波束天线、展开与指向控制机构、功率放大器、控制电路等，对卫星平台和供电要求高，将导致卫星质量、体积、成本和功耗的明显增加。整体而言，实现的技术难度更大。

美国空军在2015年启动的导航技术试验卫星－3项目中，安排了两项与功率增强直接相关的先进技术试验验证项目，分别为氮化镓高效放大器技术和用于实现高增益区域增强的先进天线技术。由此表明，功率增强仍是美国空军增强GPS系统抗干扰能力的重要技术途径。

在轨可重新编程与信号重构技术

软件无线电技术的发展为实现在轨可重新编程与信号重构提供了可能。

美国空军在导航技术试验卫星－3项目中，将“在轨数字波形生成器技术”的优先级列为最高。在轨数字波形生成器技术在功能上是一种类似于软件无线电、利用硬件加以实现的技术，可实现导航信号波形、中心频率等多种参数的调整，可在GPS系统受到干扰时，调整或改变GPS系统导航信号的参数，从而提升或增强抗干扰能力。

从导航技术试验卫星－3项目开展的先进导航技术试验验证情况看，美国空军将在轨可重新编程与信号重构技术视为功率增强技术之后提升GPS系统导航战能力的重要途径与技术发展方向，希望通过硬件技术与软件无线电技术的集成，解决软件无线电技术误码率过高的问题，实现导航战能力的提升。

网络安全与信息保证技术

美国空军认为，网络攻击将成为未来GPS系统面临的重要威胁之一，因此GPS系统的网络安全与信息保证已经成为美国必须解决的问题。

网络安全与信息保证是美国新一代“运行控制系统”（OCX）具备的重要核心能力。美国空军为GPS新一代“运行控制系统”设计了多层防护的安全结构，以应对由内部威胁、物理威胁、网络威胁与供应链威胁构成的安全威胁。

从“运行控制系统”的发展情况看，美国空军与该系统的主承包商雷声公司均表示，系统研发拖延的主要原因分为两个方面，一是主要与网络安全和信息保证有关的“运行控制系统”的设计更改；二是低估了系统软件开放的难度与工作量。由此可见，网络安全和信息保证研发的技术难度很高，应从“运行控制系统”设计初始阶段就深度集成网络安全和信息保证技术和系统，从而降低复杂程度和开发工作量。

按当前的计划，2017年底前OCX Block 0将完成交付，以支持2018年GPS－3卫星的首次发射。2020年将完成COX Block 1和Block 2的交付，使运行控制系统具备全面支持GPS－3A卫星和M码军用信号、星上信号功率可调等功能的运行。

4 结束语

虽然GPS系统一直处于全球卫星导航领域主导与领先地位，但美国仍在不断提升GPS系统的服务性能与导航战能力，且围绕增强GPS系统导航战能力开展了大量的研发与创新活动。计划于2020年发射的导航技术试验卫星－3项目即以导航战技术为核心，规划了多个先进技术的演示验证项目。如此，既保证了GPS系统在全球卫星导航应用领域的优势地位，又保持了GPS系统在导航战能力方面的不对称优势，对于保持美国的全球霸主地位起着重要的作用。

从未来需求的角度看，卫星导航系统的导航战能力将成为军事定位导航授时服务能力的重要支撑，是对抗条件下卫星导航能力安全可靠、稳健可用的基本保障。与GPS系统的导航战能力相比，我国“北斗”系统尚存在较大差距。因此，应对“北斗”系统导航战技术的研发与能力的提升给予充分的重视，使“北斗”系统安全、可靠地服务于国家发展和安全。