卫星导航终端对抗技术综述

王巍 赵彦雷

(1.火箭军参谋部军事训练中心,北京 100085;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081)

0 背景

卫星导航(GNSS)在军事应用和经济发展中得到日益广泛的应用,重要性日趋明显。目前随着GPS、GLONASS和北斗等卫星导航系统的蓬勃发展,在地理信息位置服务行业产生了巨大的经济价值,为精准农业、物流运输、电信电力、智慧交通、测绘建筑、防洪救灾等各个领域提供了大量精准的地理信息支撑。同时,在现代高科技战争中卫星导航(GNSS)为信息化作战系统和精确制导武器提供了精确的时空基准,发挥着越来越重要的作用。

现代化战争的一个重要特征是精确打击手段,而卫星导航制导技术逐渐发展成为精确制导的重要手段。从1991年的海湾战争到后来的科索沃、阿富汗、伊拉克、利比亚战争,卫星导航制导武器的比重越来越高,分别达到7.7%、30%、60%、90%和100%。以上统计数据表明:卫星导航(GNSS)手段已经成为决定现代战争胜负的重要因素。在卫星导航(GNSS)的军事和民用作用日益突出的背景下,对卫星导航系统及其无线电频谱资源的争夺和控制也日趋激烈,出现了导航战的概念和部署计划,形成了独特的导航战表现形式[1]。

导航战概念由来已久,起源于二战时期的导航对抗。在GPS系统投入使用以后,导航战得到了广泛的关注和深入的研究。自21世纪以来,美国发布了多个关于导航战的政策文件,不断形成和完善导航战的理论和规划,同时积极开展导航战方面的技术研究,并将其应用到军事演习和实际行动中。导航战的概念内涵包括:阻止敌方使用卫星导航(GNSS)信息进行导航定位;在敌方实施导航战的情况下保证自己能够利用高精度导航定位信息;不影响战区外民用用户和平利用导航定位信息。依据卫星导航系统的特点,目前现有卫星导航系统(美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo、中国北斗系统以及日本QZSS、印度NAVIC)均是无线电信号测距的工作原理,为无源接收的方式。普遍有信号频率公开、编码方式公开、导航电文公开、卫星信息公开、向广大用户开放的特点,很容易受到各种类型、各种方式的恶意干扰[1]。

1 导航战的脉络分类

导航战概念来源于电子战。和电子战类似,最大程度防止和破坏敌对方利用GNSS系统进行导航和定位,同时保证己方对卫星导航系统的有效保护实现高可用导航定位,这是导航战的主要使命任务。导航战技术能力在某种程度上代表卫星导航(GNSS)的先进程度及鲁棒可用性,是保证一个国家在战时对抗条件下打赢以高可靠导航定位引导的信息化战争的前提。

导航战主要划分为对敌和对我两个技术门类,即进攻性和防御性两个方面。具体包括:

(1)对敌方主要采用进攻性手段,干扰、烧毁、破坏乃至摧毁敌方的卫星导航系统、地面站、终端设备,阻止敌方获取有效的导航定位信息,从而大大降低敌方的作战性能,严重的丧失作战能力。根据进攻目标的不同,可以分为以下三个方面:1)摧毁空间导航卫星。采用反卫星武器、定向能(微波、激光、粒子束等)或动能武器等太空武器摧毁卫星导航系统的空间段(空间导航卫星),或者从地面大功率辐射导航卫星使其致盲;2)破坏卫星导航系统的地面运行控制系统。地面运行控制系统中的主控站、监测站、地面站等的地面位置固定,很容易受到精确打击武器的攻击。其发射系统庞大,遥控遥测信号微弱,很容易受到电磁干扰。从而导致整个卫星导航系统瘫痪。3)干扰或者大功率烧毁用户终端设备。采用大功率压制干扰,使得干扰区域的军用卫星导航设备无法完成正常定位,降低其作战效能。采用生成式或转发式欺骗干扰使得军用卫星导航终端输出错误的位置信息,严重的被连续欺骗以至于平台被敌方捕获。还有研究采用高功率窄脉冲武器烧毁敌方卫星导航终端设备。

(2)对己方设备主要采用防御性手段,采取有效措施抑制、消除敌方的干扰和破坏手段,保证己方获取稳定、可靠、连续的导航定位信息,从而保证己方的作战效能。根据防御目标的不同,也可以分为以下三个方面:1)增强卫星导航系统空间段(空间导航卫星)的抗摧毁能力。新发射的卫星采用防微波、防激光加固措施,将原来的铯钟替换为氢原子钟,将时间精度上升一个数量级;增加运行卫星数量,增加备份卫星;增加了星间链路设计,在没有地面系统支持的情况下,卫星仍可以在轨运行180天,满足10m以内定位要求。2)增强卫星导航系统地面运行控制系统的抗破坏能力。进一步加强地面运行控制系统及其周边区域的安全保卫措施,防止敌方攻击破坏;用分布式结构代替目前主控站的主计算机;对地面站采取物理加固措施,增加遥控遥测信号的加密措施和抗干扰能力。3)增强地面用户终端设备的抗干扰和抗烧毁能力。提高军用终端设备的抗烧毁能力设计,防止大功率武器烧毁前端电路。创新导航信号体制设计,提升信号的抗干扰、防破译和反欺骗能力。增加各类军用导航终端装备的抗干扰能力,采用时域、频域、空域和信息域多种抗干扰措施,增加与时间系统、组合导航的融合能力。

下面对卫星导航(GNSS)终端设备的抗干扰技术进行详细介绍。

2 卫星导航(GNSS)终端设备的抗干扰技术

卫星导航（GNSS）终端设备采用的抗干扰技术主要有6种，如表1所示。

美军的GPS终端抗干扰技术应用开展时间早，研究内容充分，在各个武器平台均有适应性成熟应用。针对不同军兵种武器平台对GPS终端设备的不同使用需求进行了针对性设计，形成了种类繁多的抗干扰GPS设备家族，增强了各个武器平台终端设备的抗干扰能力。联合防区外空地导弹（JASSM）加装了新型GPS 抗干扰接收机（G-STAR），该种接收机采用空时联合自适应处理（STAP）技术，提高了单纯空域处理的鲁棒性，增加了空域处理的自由度，抗干扰能力比目前使用的GPS接收机提高几个数量级。陆军航空导弹研究发展中心研发了应用于多种导弹和火箭弹的GPS抗干扰阵列天线，可对抗扫频、脉冲、噪声、匹配谱等多种干扰信号。

表1 卫星导航(GNSS)终端设备常见抗干扰技术

3 针对卫星导航(GNSS)终端设备的干扰技术

3.1 压制式卫星导航(GNSS)干扰

由于到达地面的卫星导航信号非常微弱,比周围热噪声还要低30分贝,很容易受到各种压制干扰信号的影响。压制式卫星导航(GNSS)干扰主要是通过大功率干扰机发射压制真实信号的干扰,卫星导航(GNSS)接收机基带处理无法解调真实信号而无法正常工作。研究表明,一个发射功率1W的GPS干扰机可以干扰周边25公里的GPS信号,并且功率每增加6分贝干扰距离增加一倍。

压制式卫星导航(GNSS)干扰机实现技术难度小,成本低,很容易被掌握并广泛应用。俄罗斯在压制式卫星导航(GNSS)干扰机方面起步早,技术成熟,种类繁多。早在伊拉克战争中俄罗斯提供给伊军使用的GPS干扰机,质量仅3千克,发射功率5W,有效作用距离可达数百公里。R－330Zh“居民”卫星导航无线电干扰机被俄军部署在叙利亚,能有效地干扰GPS信号。为了保护重要战略设施和军事目标免遭GPS制导的精确制导武器攻击,俄军装备了新型“磁场-21”电子干扰系统。在蜂窝状通讯铁塔上分布式安装干扰设备有效地实现了对特定区域的卫星导航信号屏蔽,实现对己方目标的盾状保护[2]。

另外,朝鲜和伊朗也掌握了一定程度的GPS干扰技术,并形成了相应的装备,对美军GPS设备形成了一定的威胁[3]。

图1 Todd 团队设计的欺骗干扰源实物图

3.2 欺骗式卫星导航(GNSS)干扰

欺骗式卫星导航(GNSS)干扰是指采用与卫星导航(GNSS)信号相同的载波频率、伪码序列和调制方式产生干扰信号,针对卫星导航(GNSS)系统的工作机理、导航接收机工作特性存在的薄弱环节采用的隐蔽干扰手段。干扰功率比较低,一般比热噪声信号低,比真实信号高3dB～15dB,是近年来比较热的干扰手段。对卫星导航(GNSS)信号进行欺骗干扰主要有两种方式:转方式欺骗干扰和生成式欺骗干扰。

转发式欺骗干扰方式是将接收到的卫星导航(GNSS)信号经过一定时间延迟功率放大后重新发送出去,以构造一组虚假的卫星导航(GNSS)信号,使接收机出现解算错误。该方式在技术实现上相对比较容易,是目前最主要的欺骗干扰方式。

生成式欺骗干扰方式是通过生成与卫星导航(GNSS)信号相同的无线电信号通过放大发射出去,干扰卫星导航(GNSS)接收机使其锁定在干扰信号上,实现接收机位置的欺骗。目前,对民码和P码的生成式欺骗干扰可以实现,对军用Y码和M码的生成式欺骗干扰产生难度较大, 不易实现。

俄罗斯在欺骗式GPS干扰领域开展时间较长,积累了丰富的实战经验,推出了大量欺骗干扰设备。上世纪90年代,俄罗斯推出了能扰乱美国预警机GPS接收机的欺骗式电子干扰器。普遍使用GPS制导,俄罗斯还研制出了针对美国“战斧”、联合直接攻击弹药(JDAM)等GPS制导武器的干扰机,宣称可对导弹飞行不同阶段的GPS信号进行干扰和评估。以针对联合直接攻击弹药(JDAM)的干扰机为例,不仅能干扰联合直接攻击弹药(JDAM)的正常发射和飞行,甚至还能改变其航向从而飞向己方阵地,还能阻止导弹在制导末段锁定攻击目标。

在卫星导航欺骗式干扰领域,伊朗俘获美国RQ-170“哨兵”隐身无人机当属最成功的案例。伊朗从俄罗斯进口了“汽车场”主动干扰系统,依托本系统首先采用针对军码的压制干扰使得无人机的GPS设备退到民码信号,对民码信号进行生成式欺骗,使其误认为降落到了美军基地从而捕获完整无人机系统。

在叙利亚战场上,俄罗斯将改进后的“杠杆－AV”电子战系统加装在“米－8 MTPR－1”直升机上。“杠杆－AV”系统针对性改进了分布式导航天线,使若干个卫星导航接收天线同时接收到虚假卫星导航信号,从而突破卫星导航抗干扰系统进行欺骗式攻击[4]。

在民码欺骗方面,美国德州大学的Todd Humphreys教授研制了一个欺骗干扰源,主要是在卫星导航软件接收机的基础上增加了加载欺骗软件模块的硬件发射模块,并通过依赖GPS导航的一架无人机和一架游艇分别演示了欺骗干扰源的可行性。通过其他探测手段准确探知目标接收机的运动状态,将接收到的卫星导航信号进行处理后重新发出,使得欺骗信号到达目标接收机的相位和真实卫星信号一致,逐渐加大欺骗信号的能量,导航接收机跟踪环路被引导到欺骗信号,再逐步拉偏欺骗信号的相位,最终使目标接收机得出错误的定位结果,连续改变欺骗信号的相位目标接收机被欺骗到指定位置。该欺骗干扰设备具备12通道卫星信号欺骗能力,真正意义上实现了对卫星导航(GNSS)无感欺骗干扰,Todd Humphreys教授研制的干扰源如下图1所示。

2012年6月，Todd Humphreys团队在美国国防部组织的GPS无人机欺骗试验中，采用民用GPS欺骗干扰设备释放连续欺骗信号，通过控制飞机自动驾驶系统使飞机高度逐步降落，控制人员在其接近地面时通过手动操作又使得飞机飞起，该欺骗干扰设备的硬件成本不到1000美元。2013年Todd Humphreys团队又引导欺骗一艘游艇，使得该游艇偏离了航向。上述案例有效验证了卫星导航设备可能存在的隐患问题[4]。

4 总结

由上述分析可知,导航终端的干扰和抗干扰可谓道高一尺,魔高一丈,技术交替发展进步。目前,单一的干扰方式已经无法或很难对自适应调零天线+M码接收机+惯导紧耦合的方式产生有效的影响,因此未来的干扰方式也应该是多维度的联合对抗,包括压制干扰配合欺骗干扰、转发式欺骗配合产生式欺骗、陆基/空基/天基联合干扰以及远距离支援干扰配合分布式小功率干扰等。