卫星导航安全与北斗系统的发展

蔺陆洲 （外交学院）

邓平科 （中国科学院光电研究院）

卫星导航系统是国家的重要空间信息基础设施，对国家的信息化建设和经济发展具有重要意义。针对卫星导航所固有的缺陷和由此产生的安全威胁，需要通过综合多种技术手段维护卫星导航安全。

1 卫星导航安全的重要性

时间和空间作为信息数据的基本属性，在信息系统中占有重要地位。根据中国卫星导航定位协会的统计，现有信息系统中大约85%的信息与位置和时间相关。对于任何一个信息系统而言，都需要获取时间和空间的基准作为系统运行的基础。时间基准通过时间同步为信息系统的运行提供统一的时间参数，而空间基准通过规范坐标系为信息系统的运行提供统一的位置参数。信息化的快速发展使得人们需要在大范围内通过更加便利的方式获取精确的时间和准确的位置。卫星导航系统是以人造地球卫星为导航台的星基无线电导航系统，可以在全球范围内提供高精度、全天时、全天候的连续导航、定位和授时服务。对于任何国家而言，卫星导航系统都是国家重大信息基础设施，是大国地位和战略利益的核心支撑，也是国家经济社会发展和国防安全保障的重要基石。①杨宁虎,刘春保.卫星导航系统赛博安全技术发展[J].卫星应用,2018(09).

然而，卫星导航系统所固有的局限性和脆弱性，使得卫星导航应用存在严重的安全隐患。卫星导航的局限性是指微弱的卫星导航信号不能穿透物理遮蔽，无法在室内、地下、水下等区域使用导航服务。卫星导航的脆弱性是指导航信号功率过低和无线电信号传播与接收的特性，使得导航信号容易受到干扰，从而使用户不能很好的获得导航服务。②刘春保.卫星导航系统脆弱性评估与对策[J].卫星应用,2015(04).由于卫星导航系统技术难度高、建设运维费用庞大，一直是世界上少数国家才能拥有的系统。目前，全球卫星导航系统国际委员会认定的四大卫星导航服务供应商是美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、中国的北斗系统（BDS）和欧洲的伽利略系统（Galileo）。此外，多个国家也计划建设自己的区域导航系统，如日本正在建设的准天顶系统（QZSS）和印度的区域导航系统（IRNSS）。现阶段美国的GPS系统最为成熟、性能指标最为稳定，是世界各国用户量最多的系统。随着卫星导航技术在各国的广泛应用，尤其是在国家基础设施和武器装备中的应用，有限的卫星导航服务供应商对应用卫星导航的国家或将构成直接的安全威胁。据报道，在1999年的科索沃战争和2002年的阿富汗战争中，美军在南联盟和阿富汗全境停止GPS民用信号的使用，美军在2018年针对叙利亚的军事行动期间增强GPS军用信号的功率并降低民用信号的功率，使得部分民用卫星导航接收机无法正常工作，对卫星导航用户造成严重影响，这些事件的发生都为维护卫星导航安全敲响警钟。

2 卫星导航的安全威胁

卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段主要是在太空轨道运行的卫星，地面段主要是由地面站和保密通信网组成的地面运行控制系统，用户段指的是各类卫星导航的用户接收机。在卫星导航系统中，其中任何一个部分都可能受到攻击，进而产生异常或者停止工作，造成系统全部或局部的性能降低或者服务停止。

在空间段，卫星导航所面临的安全威胁主要是针对卫星的攻击。卫星本身需要应对高辐射、高真空、高低温差的恶劣太空环境，同时还会受到太阳活动引起的空间天气对卫星的影响。此外，反卫星武器是对卫星的直接威胁，例如反卫星导弹、反卫星激光武器和核辐射粒子束对卫星的直接攻击，卫星的失效会直接造成卫星导航服务的终止。

在地面段，卫星导航所面临的安全威胁主要是针对地面运控系统的攻击。卫星导航系统的地面控制分系统包括主控站、注入站、监测站和保密通信网。对这些地面设施和传输网络进行的物理和网络攻击可能会导致卫星导航系统性能的下降甚至是崩溃，直接威胁导航安全。

由此可见，对卫星导航系统空间段和地面段的攻击会对导航系统整体的工作造成重大影响，造成其性能下降，甚至停止工作。但是，要威胁卫星导航系统的空间段和地面段并不容易，对攻击者在技术和资源方面都具有较高的要求，因此这类威胁一般情况下很难发生。目前，对卫星导航安全的主要威胁是对用户段的各类干扰。

在用户段，卫星导航所面临的安全威胁主要是针对用户终端的电磁干扰。用户终端包括各类卫星导航接收机，如专用接收机和智能手机中的卫星导航模块。接收机很容易受到有意或无意的干扰。这是因为卫星在太空中只有几百瓦的发射功率，导航信号要传播至少两万公里才能达到地球表面。而干扰源距离接收机则近得多，干扰源到达接收机的功率很容易比导航卫星信号强很多，因此接收机抗电磁干扰能力弱的缺点是卫星导航所固有的。对于卫星导航，攻击者只需要较低的技术、较小的设备和少量的资金投入就可以在一定范围内实施干扰。当然，由于卫星导航用户终端的设备数量众多而且应用于世界不同地域的各类设备平台、种类繁多，一般的电磁干扰只能对一定区域内部分用户的终端产生影响，不会造成整个卫星导航系统的失灵，这是用户段安全威胁与空间段和地面段所不同的地方。

3 维护卫星导航安全

针对卫星导航所面临的各类安全威胁，目前世界主要卫星导航系统在空间段、地面段和用户段都采取了相应的措施应对威胁。

在空间段，卫星导航系统采取包括星座设计、冗余策略和卫星加固等方式应对安全威胁。首先，将卫星星座设计为由分布在多条轨道上的卫星组成的星座，而且一般使用距离地面两万公里左右的中圆轨道，这就使得系统具备一定的抗摧毁能力。中圆轨道与采用近地的低轨道时相比增加了导弹对卫星攻击的难度，多轨道设计可以避免出现两颗以上卫星聚拢的现象，从而防止多颗卫星被导弹同时击中。其次，卫星在轨数目的增加不仅可以提高系统的精度和可用性，而且也使得当少数卫星被击毁时系统性能不会有明显下降。再次，各国均存有一定数量的冗余卫星，在正常情况下用于在轨卫星失效时的自然更迭，当卫星被摧毁时也可以用于快速补充。最后，针对卫星开展加固设计，使得卫星对核辐射、激光武器等具备一定的防护能力。

在地面段，将地面运行控制系统建设在境内可以进行安全防范的区域，同时建设遍布全球的监测和评估系统，掌握系统实时运行状态，提高系统的安全性。此外，在提高星载原子钟精度的同时开展星间链路的建设，使得卫星具备一定的自主导航能力，减少系统对地面运行和控制系统的依赖。通过星间链路实现卫星之间的相互测距，在地面段遭受攻击或者其它原因不能向卫星上行注入指令的情况下，卫星仍然能够在一段时间内保持精确定轨的能力，使整个系统仍然能够按照系统设计的性能指标继续发送导航信号。①白英广.北斗卫星导航系统安全和完好性监测现状与发展探析[J].科技创新导报，2018(14).

在用户段，用户接收机会受到有意和无意的干扰。从技术上可以分为欺骗干扰和压制干扰。欺骗干扰是利用其它发射机发射卫星导航相同或相似的信号，使用户的接收机把这种信号误认为是由卫星发射来的，进而对其进行捕获与跟踪，导致接收机处理器产生错误信息或无信息输出。为了对抗欺骗干扰，卫星导航系统对军用或授权用户发送加密信号，由于密码很难被破译，因此使加密信号不容易被复制或仿造，保证了特定用户的信息安全。但是由于民用信号是公开的，因此很容易对其实施欺骗干扰。压制干扰是干扰机发射大功率干扰信号,使敌方导航接收设备在一定区域里接收不到导航定位信号。压制干扰也可能是非故意造成的，例如调频广播电台或者雷达信号的谐波引起的干扰。

压制干扰与欺骗干扰相比具有技术含量低、操作简便和低成本的特点，是当前使用的对卫星导航的主要安全威胁手段，目前需要在系统和终端方面进行防范。在系统层面，信号太弱是造成卫星导航抗干扰能力不强的根本原因，因此通过增大卫星的信号发射功率、采用点波束卫星天线等方式，增加覆盖范围内的信号功率，可以使局部区域的信号得到增强，提高接收机的抗干扰能力。在终端层面，在接收机的电路上通过加长接收机预检测积分时间，利用惯性导航实现组合导航，或者利用自适应滤波手段对干扰信号进行规避等方式可以对抗干扰，也可以在接收机的天线中通过加入干扰对消器、优化天线的极化设计、使用自适应调零天线、波束控制和波束形成天线来对抗干扰。①庄钊文,王飞雪,欧钢,等.北斗卫星导航系统安全和完好性监测现状与发展[J].科技导报，2017(10).目前，接收机抗干扰技术是研究的热点，也是一个高速发展的领域，未来将会有更多的技术应用在卫星导航的用户终端上，维护卫星导航安全。

4 北斗系统的发展

在实现当前卫星导航安全维护手段之外，我国的北斗卫星导航系统还在应对安全威胁方面做出了一些新的努力。

首先，北斗积极开展国际合作。通过与其它卫星导航系统在系统建设和应用方面开展全方位的交流与合作，加强系统间的兼容与互操作协调，以互建参考站、共建增强系统等方式，实现卫星导航系统之间的资源共享、优势互补和技术进步，为用户提供多卫星导航系统的兼容共用。用户通过多系统共用的方式，可以维护卫星导航的应用安全。

其次，北斗积极开展综合定位导航授时（PNT）体系建设。以卫星导航系统为核心，在深空发展天文导航技术，在中高轨发展下一代的卫星导航系统，在近地空间建设低轨导航增强系统，在地面开展北斗系统与5G通信系统/数据链等通信技术的深度融合，在水下重点建设水声导航、地磁/重力匹配导航等系统，增强导航系统的性能，提升其完好性和安全性，补充卫星导航在水下、深空以及室内的服务空白，并使其具备一定的应急服务能力。②北斗系统总师杨长风.中国北斗综合定位导航授时体系发展构想[EB/OL].http://www.chinabeidou.gov.cn/zhuanjia/2432.html.未来，将通过多种手段的集成，形成体系化的国家综合PNT基础设施，提升北斗卫星导航的安全。