卫星导航对抗能力现状及发展趋势

刘 富，舒 展，谢维华

（北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

自全球定位系统（global positioning system,GPS）正式建成，特别是GPS 制导武器在美伊战争大放异彩以来，世界大国争相建设自己的卫星导航系统。目前，世界上已建成了GPS、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）及伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）4 大全球系统和印度区域卫星导航系统（Indian regional navigation satellite system, IRNSS）及日本准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）2 个区域性定位系统。全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）在导航定位、精确打击、指挥控制、精准后勤等军事领域发挥着越来越重要的作用。美国声称，应用BDS 可使中国军队的作战能力提升100～1 000 倍。然而，GNSS也存在信号传播距离远、地面信号微弱、易受干扰欺骗等先天不足。为了应对GPS 面临的挑战，确保制导航权，美国 GPS 联合项目办公室（Joint Program Office, JPO）于1997 年提出了导航战的概念，指出导航战的任务有3 项：①在战场环境中，阻止敌方使用卫星导航信息；②保证己方有效地利用卫星导航信息；③同时不影响战区以外的地方和平利用卫星导航信息[1-2]。

1 卫星导航对抗能力框架

参照电子对抗的分类方法，卫星导航对抗能力可分为导航进攻能力、导航防御能力和导航侦察能力3 种。

1.1 导航进攻能力

卫星导航系统由卫星段、地面控制段和用户设备段3 部分组成。相应的导航进攻是针对这3 部分进行的，具体包括对卫星段、地面控制段的硬摧毁能力、网络攻击能力以及导航干扰能力。

1）硬摧毁能力。GPS、Galileo 和GLONASS的导航卫星均为中圆地球轨道（medium Earth orbit,MEO）卫星；BDS 为混合星座，由位于中轨的MEO卫星、位于高轨的倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）卫星及地球静止轨道（geostationary Earth orbit, GEO）卫星组成；目前，美俄等国均具备了对中轨卫星的打击能力，同时也具备了一定的对高轨卫星的攻击能力。

所有卫星导航系统的地面控制段都存在站点有限、位置固定、特征明显、抗毁性差、容易受到攻击等弱点。

2）网络攻击能力。网络攻击主要针对地面控制段内部网络、地面控制段和卫星段之间的传输链路。卫星导航系统地面控制段一般由主控站、卫星监测站和上行注入站组成。GPS 的地面控制段由1 个主控站（施里弗空军基地）、1 个备用主控站（范登堡空军基地）、16 个监测站以及12 个上行注入站组成。各监测站、上行注入站和主控站之间通过网络相连接，有频繁的业务信息传递。同时，由于站点之间距离遥远，内部网络具有一定的脆弱性，使其成为网络攻击的重点。

地面控制段和卫星段之间通过无线链路有密切的信息交互，这也可以成为网络攻击的切入点。

3）导航干扰能力。导航干扰针对的对象，可以是卫星段、传输链路（卫星段和地面控制段之间）和用户设备段。针对卫星段和传输链路的干扰，可以由地基、空基大功率干扰器实施，也可由天基平台抵近实施。

针对用户设备的干扰，其技术难度低、容易实施，是导航干扰的重点，可由地基、空基的固定式或移动式平台实施。导航干扰主要技术手段，包括压制式干扰和欺骗式干扰。压制式干扰是指，采用大功率压制式信号来阻止接收机捕获和跟踪卫星信号的干扰方式。由于卫星导航信号落地电平很低，导致小功率的干扰源即可对大面积的GNSS 接收机实施压制式干扰。压制式干扰又分为窄带干扰（瞄准式干扰）和宽带干扰（阻塞式干扰）2 种，常用的压制式干扰信号如图1 所示。

图1 常用压制式干扰信号

欺骗式干扰分为转发式欺骗干扰和生成式欺骗干扰2 种类型。转发式欺骗干扰，是指将接收到的卫星导航信号进行简单处理（延迟、功率变换）后，直接向干扰区域内播发。这种干扰方式技术门槛低，仅能从信号层面进行欺骗，欺骗效果一般，易被识别。但是可以同时作用于军用信号和民用信号。生成式欺骗干扰，是指依据卫星导航信号的伪码、电文，通过复杂的运算，生成欺骗信号，向干扰区域播发。生成式欺骗干扰技术难度大，欺骗效果好，难以识别。

综上所述，针对卫星段、地面控制段、用户设备段，分别有3 种导航进攻手段，分别是硬摧毁、网络攻击和导航干扰，由此可以建立导航进攻能力框架，如图2 所示。

图2 导航进攻能力框架

针对不同对象，3 种导航进攻手段的能力成熟度、实施难度和实施可能性各不相同，可能性最大的是针对用户设备段的干扰，其次是针对地面控制段的网络攻击和针对卫星段的干扰，各种硬摧毁可能性最小，具体如表1 所示。

表1 导航进攻能力成熟度

1.2 导航防御能力

导航防御能力包括系统端防御能力和用户端防御能力，如图3 所示。

1）系统端防御。系统端防御主要包括太空态势监测、导航卫星应急发射、卫星在轨热备份、功率增强、导航星座自主运行、建设替代性导航源以及建设异地备份主控站。

功率增强是指通过卫星或者空基、地基伪卫星播发卫星导航信号，使地面卫星导航信号增强，以提高GNSS 接收机抗干扰能力的技术。功率增强将迫使导航进攻方采用功率更强的干扰源，这也使得干扰源更加易于探测和摧毁。

替代性导航源是指建设卫星导航系统以外的导航源，如长波无线电导航系统、天文导航系统、量子导航系统等，以防止在卫星导航系统失效情况下的导航手段缺失。

2）用户设备端防御。用户设备端防御指GNSS终端采用的抗干扰技术，主要包括滤波技术、波束形成技术、军码直捕技术、组合导航技术等。滤波技术包括基于单天线的滤波和机遇天线阵的滤波2 种，具体包括时域滤波、频域滤波、空域滤波和空时2 维滤波技术。波束形成技术通过技术手段提高指向卫星方向的信号增益，同时削弱指向其他方向的信号增益，从而实现增强卫星信号和抑制无关信号的目的。军码直捕技术指的是导航终端不经过民码的引导，直接捕获精密测距码（precise ranging code，P 码）的技术，P 码也称军码。目前军码直捕技术主要分为时域相关捕获与频域“快速傅里叶变换”（fast Fourier transform, FFT）捕获2 大类。组合导航技术主要是指将卫星导航和惯导技术进行组合，发挥2 种导航技术各自的优势，弥补各自的缺点。按照组合程度的不同，又分为松组合、紧组合和超紧组合3 种[3]。

图3 导航防御能力框架

1.3 导航侦察能力

导航侦察包括导航信号监测和干扰源检测与定位，是发起导航进攻和进行导航防御的基础。导航信号监测是指对未公开导航信号的伪码、电文、调制方式等指标进行监测和破译，为实施干扰提供技术支持。干扰源检测与定位是指对战场导航频段进行监测，判断干扰源的来向和位置，为摧毁干扰源提供技术支持。

2 美国导航对抗能力现状

美国作为世界最早的卫星导航系统的研制方和导航战概念的提出方，在导航对抗领域进行了很多研究和实践，其导航对抗能力处于全球领先水平。

导航进攻领域，在反卫星和在轨操作方面，美国具备了使用反卫星武器对中轨、高轨卫星的硬摧毁能力。同时，美国逐步掌握了低中高轨合作或非合作目标的自主逼近、交会、对接、捕获以及伴飞、绕飞等关键技术。2016 年8 月19 日，美国地球同步轨道空间态势感知计划（geosynchronous space situational awareness program, GSSAP）星座的4 颗卫星组网成功，具备了对地球同步轨道卫星近距离成像、电子侦察、干扰和攻击的能力。同时，美国通过凤凰、蜻蜓、同步轨道卫星机器人服务等项目，演示验证了针对卫星的在轨捕获、燃料加注、切除部件、装配等能力。在导航干扰方面，美国开发了不同种类的压制式GPS 干扰系统。德州大学托德·汉弗莱斯（Todd Humphreys）团队研制的欺骗式干扰源，2012 年成功地接管了无人直升机，控制其下降和爬升；2013 年，在地中海成功控制游艇，使其偏离航线，整个欺骗干扰过程中，没有触发任何警报，GPS 信号也没有失锁[4-6]。

导航防御领域，在太空态势感知方面，美国的太空篱笆项目于2018 年底具备初始作战能力，可探测、跟踪轨道高度超过1 931 km、直径约10 cm 大小的空间物体，可跟踪的空间物体数量达20 万个[7]。功率增强方面，美国已具备星基功率增强实战能力，在叙利亚战争、伊朗争端期间，美国多次进行GPS 信号功率增强操作，使中东地区的GPS 信号功率强度提升了10 倍以上。另外，美国依据机载伪卫星项目，进行空基功率增强，4 架猎人无人机作为伪卫星，可覆盖300 km×300 km 的战区。替代导航源方面，美国开展了欧米伽导航系统（omega navigation system, ONS）、罗兰C 导航系统（long-range navigation system, LORAN-C）等地基无线电导航系统的现代化工作。同时积极开展重力导航、天文导航、量子导航等导航系统的研发工作。GPS 能力增强方面，美国研制了新型的GPSⅢ卫星，采用了新的军码（M 码）和加密方式，具备比现有GPS 卫星高100～500 倍的抗干扰能力，其星座自主运行能力超过了180 d[8]。持续开展抗干扰型GPS 接收机研究，实施军用GPS 用户设备计划（military GPS user equipment program, MGUE）[9]，开发军码直捕技术，研制新型选择可用性反欺骗模块（selective availability anti-spoofing module,SAASM），研制新型廉价微型原子钟，以期提高GPS 接收机抗干扰和防欺骗能力。目前，在综合应用各种抗干扰技术的情况下，美国军用GPS 接收机的抗干扰能力可达120 dB 以上。

导航侦察领域，美国纳维西斯（NAVSYS）公司开发了干扰源定位系统（jammer detection and location system, JLOC），通过干扰监测网络实现对各种干扰源的检测和定位。美国阿吉伦特（Agilent）公司也研制了性能优良的干扰源监测/测向系统，可以提供快速的宽带信号监测和测向。美国海军航天和海战中心主持开发了1 种机载GPS 干扰源定位系统（location of global positioning system interference, LOCO GPSI），该系统由四阵元天线阵、监测测向设备及 GPS/惯性导航系统（inertial navigation system, INS）组合接收机构成，采用短基线干涉仪测向体制和高灵敏度、快速扫描的接收机，实现了对干扰源的监测和精确测向[10]。

3 俄罗斯导航对抗能力现状

反卫星和在轨操作方面，俄罗斯积极发展反卫星和天基操控武器，先后进行了多次卫星轨道机动试验。俄罗斯于2013 年底重启了树冠项目，该项目具备地基侦察监视和机载打击的能力；于2015 年3 月发射了小卫星宇宙2504，并于4—7 月开展了在轨交会试验；同年4—9 月，射线卫星进行了轨道漂移试验，在高轨轨道先后接近多颗其他国家GEO 卫星并在卫星附近驻留，疑似执行侦察和干扰任务，这表明其在地基定向反卫能力和共轨式反卫能力的基础上，具备了在轨操作反卫能力。在导航干扰方面，根据公开的报道，俄罗斯是最早研制GPS 干扰机，并投入实战的国家。早在2003 年的伊拉克战争期间，伊拉克使用从俄罗斯购置的干扰机，对多国联军的100 多枚GPS 制导武器实施了有效干扰，显著降低了其命中率。近年来，在历次和美国有关的局部冲突中，都有俄罗斯GPS 干扰武器的身影。2019 年6 月，伊朗在霍尔木兹海峡击落了1 架美军RQ-4 全球鹰高空无人侦察机；2019 年7 月，伊朗军方在伊朗领海扣押了英国油轮斯坦纳帝国号“Stena Impero”，据分析，伊朗的俄制GPS 干扰武器对无人机和油轮实施了欺骗式干扰，导致其驶向了错误的方向，进入了伊朗的火力打击范围。2020 年3 月，在叙利亚伊德利卜省，俄罗斯的克拉苏哈电子战系统对土耳其军方的TB-2 型无人机实施了干扰，造成了7 架土军无人机坠毁。

在太空态势感知方面，俄新一代沃罗涅日预警雷达完成境内12 个站点部署，其最大探测距离为6 000 km，能同时监视500 个空间目标。俄新型天窗M 和天窗S 地基光电系统陆续部署，该系统具有强大的空间监测能力，能监测10 cm 以下的微小目标[7]。

俄罗斯的艾尔科斯（IRCOS）公司研制了1 套干扰源监测/测向系统，其可对频率在25～3 000 MHz 内的干扰源实施有效监测，频率扫描速率1 000 MHz/s。

4 其他国家导航对抗能力现状

反卫星和在轨操作方面，德国的棱镜任务验证了编队飞行和自主交会技术，自主视觉导航与目标识别任务验证了航天器完全自主交会技术。欧空局（European Space Agency, ESA）的离轨任务项目，追求利用服务航天器捕获位于极轨/太阳同步轨道的非合作大型卫星。日本于1997 年执行的工程试验卫星-7 任务，是世界上首次空间机器人在轨操作试验；其“空间碎片微型清除器”计划，验证了使用电动力缆绳捕获卫星的能力[11-12]。导航干扰方面，中小型国家也具备了导航干扰的能力，2011 年12 月4 日，伊朗防空部队在该国东部边境利用欺骗干扰技术俘获了1 架RQ-170 无人侦察机，随后伊朗工程人员复制了该无人侦察机，这是欺骗干扰技术第1 次在实战中的成功应用。据媒体报道，朝鲜也装备了GPS 干扰设备。

5 导航对抗能力发展趋势

从各国导航对抗能力发展及近几场局部战争导航对抗态势来看，导航对抗将呈现以下发展趋势：

1）导航对抗将越来越深入频繁地进入实战，争夺制导航权的斗争将越来越激烈。从叙利亚战争、利比亚战争、伊美冲突、俄土冲突等近几场局部战争及冲突来看，导航对抗越来越频繁地进入实战。GPS 卫星功率增强已成为局部冲突开始的先兆和常态化操作；导航干扰成为对抗察打一体无人机等现代化武器装备的首选，并能成功地诱骗油轮，使战舰偏航。导航对抗的技术门槛日益降低，越来越多的中小国家开始具备导航对抗能力，伊朗、利比亚、叙利亚均有实施导航干扰的成功战例。可以预见，在未来高技术局部战争中，争夺制导航权的斗争将越来越激烈。

2）各国争相发展导航对抗能力，导航对抗技术发展日新月异。美俄等国不断地发展反卫星技术和卫星在轨操作技术，对卫星实施打击和干扰的技术日趋成熟，在未来争夺制导航权的斗争中，必将发挥重要的作用。另外，各大国不断优化更新自身的GNSS，增强其可用性、连续性和可靠性，提升其在战时的生存能力。同时开发芯片级原子钟、芯片级惯导等微定位、导航、授时（positioning,navigation and time, PNT）技术，加强多传感器集成和信息融合，提升GNSS 应用终端的抗干扰性和可用性。综合采取低轨卫星导航增强、空地伪卫星增强、研发不依赖GNSS 的导航源等手段，全面提升导航对抗能力。

3）导航对抗将向综合PNT 对抗方向发展，进入体系对抗阶段。当前，GNSS 导航向综合PNT 方向发展。随着低轨卫星导航增强、空地伪卫星、组合导航等GNSS 增强手段的建设，地基无线电导航、天文导航、量子导航等不依赖GNSS 导航手段的发展，以及芯片级原子钟、芯片级惯导等微PNT技术的发展，世界强国的PNT 能力将向抗干扰性更强、获取途径更多，更富弹性的方向发展。导航对抗向对抗更激烈、手段更丰富、技术更先进的体系对抗阶段发展。要获取未来战争的制导航权，一方面需要建好我方的综合PNT 体系，提高综合PNT体系的灵活性和抗毁性，另一方面要加紧研究针对性的导航对抗技术和战术，提高体系破击能力。

6 结束语

当前，美俄等国已具备了较强的导航对抗能力，中小国家如伊朗、朝鲜也具备了一定的导航对抗能力。各国争相发展导航对抗能力，导航对抗越来越频繁深入地进入实战，并向综合化、体系对抗的方向发展，围绕制导航权的斗争必将越来越激烈。我国必须开拓性地研发导航对抗技术，全方位地发展导航对抗能力，前瞻性地构建导航对抗体系，才能掌握未来战争的制导航权，而立于不败之地。