導(dǎo)航戰(zhàn)及其對(duì)抗技術(shù)

+ 劉天雄

導(dǎo)航戰(zhàn)及其對(duì)抗技術(shù)

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5.3 反電子欺騙技術(shù)

如果知道了授權(quán)用戶(hù)GPS接收機(jī)所接收衛(wèi)星的信號(hào)特征，利用欺騙型干擾發(fā)射機(jī)，在GPS系統(tǒng)的L1 和 L2頻點(diǎn) (1575 & 1227 MHz)發(fā)射調(diào)制有錯(cuò)誤導(dǎo)航電文參數(shù)的虛假導(dǎo)航干擾欺騙信號(hào)，可以誘使授權(quán)用戶(hù)GPS接收機(jī)錯(cuò)誤鎖定到干擾欺騙信號(hào)上,并產(chǎn)生錯(cuò)誤的定位結(jié)果。利用商用GPS信號(hào)模擬器就可以很方便地生成含有虛假導(dǎo)航電文參數(shù)的干擾欺騙信號(hào)，如圖10所示。

為了防止這種電子欺騙干擾，美國(guó)國(guó)防部為采取了反電子欺騙AS（Anti-Spoofing）技術(shù)。反電子欺騙AS技術(shù)對(duì)P測(cè)距碼進(jìn)一步加密，引入高度機(jī)密的W碼，將P碼與W碼進(jìn)行模2相加，將P測(cè)距碼轉(zhuǎn)換成Y測(cè)距碼。由于W碼是高度機(jī)密，所以非授權(quán)用戶(hù)無(wú)法利用P測(cè)距碼進(jìn)行精密定位，也沒(méi)有辦法發(fā)射適當(dāng)頻率的干擾欺騙信號(hào)開(kāi)展電子欺騙。

圖10 利用商用GPS信號(hào)模擬器生成含有虛假導(dǎo)航電文參數(shù)的干擾欺騙信號(hào)

表1 實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位精度（平面，米）

SA和AS技術(shù)是各自獨(dú)立實(shí)施的。只有在美國(guó)國(guó)家處于緊急狀態(tài)時(shí)，才啟用W碼，實(shí)施反電子欺騙AS技術(shù)。在上述措施的影響下，目前不同用戶(hù)利用GPS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位可能達(dá)到的精度大致如表1所示（詳見(jiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用，袁建平,羅建軍，岳曉奎. 北京，中國(guó)宇航出版社，2004.9）。

軍事與民用服務(wù)分開(kāi)，即提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS和精密定位服務(wù)PPS兩種定位服務(wù)，增加選擇可用性技術(shù)和反電子欺騙技術(shù)并不能保證美軍在戰(zhàn)場(chǎng)上的信息絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄到y(tǒng)自身的薄弱環(huán)節(jié)并未解決。

圖11 GPS衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地球表面后非常微弱

5.4干擾技術(shù)

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號(hào)的頻點(diǎn)固定，L1信號(hào)的中心頻率為1575.42MHz，L2信號(hào)的中心頻率為1227.6MHz，相對(duì)比較容易開(kāi)展壓制式干擾，即干擾信號(hào)的中心頻率與L1/ L2信號(hào)的中心頻點(diǎn)一致，只要干擾信號(hào)能量大于GPS信號(hào)能量即可。由于GPS衛(wèi)星播發(fā)信號(hào)到達(dá)地球表面后非常微弱（衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面時(shí)功率為5E-17W），如圖11所示。同100W家用燈泡的功率相比，100W家用燈泡的功率是GPS信號(hào)功率的2E18倍。這樣地面微弱的干擾信號(hào)就能屏蔽空間GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，使GPS用戶(hù)機(jī)接收不到GPS衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，從而達(dá)到干擾的目的。

GPS信號(hào)對(duì)帶內(nèi)干擾是十分脆弱的，對(duì)GPS用戶(hù)接收機(jī)的干擾實(shí)際就是對(duì)GPS系統(tǒng)的下行信道信號(hào)干擾，包括壓制式干擾和欺騙式干擾兩種方式。

壓制式干擾就是發(fā)射一定帶寬、頻率和功率的L頻段干擾信號(hào)，造成GPS接收機(jī)的信號(hào)接收通道不能正常接收GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，從而使接收機(jī)不能解算用戶(hù)的位置坐標(biāo)。壓制式干擾包括單頻瞄準(zhǔn)式（或連續(xù)波）干擾、帶內(nèi)窄帶噪聲干擾和同頻帶寬帶干擾（或阻塞式干擾）三種壓制式干擾方式。壓制式干擾干擾信號(hào)過(guò)大很容易喪失隱蔽性，所以尋找合適的干擾功率是導(dǎo)航電子對(duì)抗的基本要求。壓制式干擾干擾機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)GPS接收機(jī)的影響如圖12所示。

欺騙式干擾就是干擾機(jī)播發(fā)虛假的GPS星歷和歷書(shū)，即衛(wèi)星的軌道參數(shù)是假的，或者增加信號(hào)傳播時(shí)延，使測(cè)量的偽距產(chǎn)生偏差。接收機(jī)接收到虛假導(dǎo)航信號(hào)后，虛假的導(dǎo)航電文參數(shù)將導(dǎo)致GPS接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置信息。相比壓制式干擾，欺騙式攻擊的潛在危害性更大，因?yàn)槟繕?biāo)接收機(jī)并沒(méi)有意識(shí)到威脅的存在。欺騙式干擾干擾機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)GPS接收機(jī)的影響如圖13所示。

圖12 干擾機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)GPS接收機(jī)的影響

欺騙式干擾就是干擾機(jī)播發(fā)虛假的GPS星歷和歷書(shū)，即衛(wèi)星的軌道參數(shù)是假的，或者增加信號(hào)傳播時(shí)延，使測(cè)量的偽距產(chǎn)生偏差。接收機(jī)接收到虛假導(dǎo)航信號(hào)后，虛假的導(dǎo)航電文參數(shù)將導(dǎo)致GPS接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置信息。相比壓制式干擾，欺騙式攻擊的潛在危害性更大，因?yàn)槟繕?biāo)接收機(jī)并沒(méi)有意識(shí)到威脅的存在。欺騙式干擾干擾機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)GPS接收機(jī)的影響如圖13所示。

對(duì)GPS用戶(hù)接收機(jī)的干擾應(yīng)以轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾為主，輔以相關(guān)壓制干擾，即壓制干擾和欺騙干擾相結(jié)干擾方案，首先采取壓制干擾，使干擾區(qū)內(nèi)的接收機(jī)失鎖并轉(zhuǎn)入信號(hào)搜索狀態(tài)，然后再切換到轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，使接收機(jī)鎖定在虛假的GPS衛(wèi)星信號(hào)上，最終導(dǎo)致接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置信息。目前自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)技術(shù)能使接收機(jī)的天線(xiàn)在干擾源方向的增益為零，從而不受干擾，因此，采用單一干擾方式、單個(gè)干擾源的干擾方法很難達(dá)到預(yù)期的干擾效果，可以在地面和空中實(shí)施組合干擾，這樣既可以降低對(duì)干擾功率的要求，還能擴(kuò)大干擾范圍。

1999年巴黎航展上，俄羅斯Aviaconversiya公司展示了便攜式商業(yè)GPS信號(hào)干擾機(jī)，輸出功率為4瓦，發(fā)射機(jī)重453.592克，功耗22瓦，如圖14所示，在2003年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，伊拉克軍方使用的俄羅斯研制的GPS信號(hào)干擾機(jī)如圖15所示，能對(duì)美國(guó)現(xiàn)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的兩個(gè)頻段信號(hào)實(shí)施有效的干擾。

圖14 俄羅斯研制的便攜式GPS信號(hào)干擾機(jī)

圖15 俄羅斯研制的GPS信號(hào)干擾機(jī)

干擾信號(hào)功率越高，干擾范圍越大，干擾機(jī)價(jià)格越貴，但也更容易被識(shí)別和被摧毀，干擾功率與干擾范圍和成本的關(guān)系如圖16所示。試驗(yàn)表明，一臺(tái)1W的跳頻噪聲GPS信號(hào)干擾機(jī)，可以使22Km范圍內(nèi)的民用GPS用戶(hù)機(jī)不能正常工作。典型干擾信號(hào)包括連續(xù)波信號(hào)（CW）、掃頻信號(hào)、窄帶噪聲信號(hào)（Nb）、寬帶噪聲信號(hào)（Wb）、頻譜匹配信號(hào)（測(cè)距碼干擾）以及欺騙信號(hào)，干擾信號(hào)的有效性和其生成復(fù)雜性成正比，如圖17所示。

圖13 欺騙式干擾干擾機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)GPS接收機(jī)的影響

目前美國(guó)大量使用的接收機(jī)中，接收機(jī)抗干擾（anti-jam）能力、干擾機(jī)信號(hào)功率（jammer power）以及有效干擾范圍（effective jammer range）之間的關(guān)系如圖18所示，圖中橫坐標(biāo)為有效干擾范圍（單位Km），縱坐標(biāo)為接收機(jī)抗干擾能力（單位db）。軍用接收機(jī)的抗干擾指標(biāo)是在5～50Km范圍內(nèi)，不受10W干擾機(jī)的干擾。詳見(jiàn)美國(guó)國(guó)防部2005年10月公開(kāi)發(fā)表的文章：Defense Science board Task Force on The Future of the Global Positioning System , Office of the Under Secretary of Defense For Acquisition, Technology, and Logistics Washington, D.C. 20301-3140. October 2005。只有當(dāng)GPS接收機(jī)受到干擾時(shí)，才能計(jì)算干擾機(jī)的干擾效果。描述這一干擾效果的方法是用進(jìn)入接收機(jī)內(nèi)部的干擾信號(hào)功率除以GPS信號(hào)功率，所得到的效果比來(lái)表示，這個(gè)比率稱(chēng)為干信比，單位為db。

圖16 GPS信號(hào)干擾機(jī)能力及成本示意

圖17 干擾信號(hào)的有效性和其生成復(fù)雜性關(guān)系

圖18 目前裝備的接收機(jī)抗干擾（anti-jam）能力

圖19 未來(lái)軍用接收機(jī)具有90dB抗干擾能力

可以預(yù)計(jì)未來(lái)便攜式GPS信號(hào)干擾機(jī)的發(fā)射功率很容易做到100瓦，甚至更高功率，因此未來(lái)軍用接收機(jī)的抗干擾指標(biāo)應(yīng)至少達(dá)到90db，這樣即使當(dāng)干擾機(jī)達(dá)到1000瓦時(shí)，在2.5公里范圍內(nèi)，軍用接收機(jī)仍然能夠正常工作，這樣美軍可以強(qiáng)干擾環(huán)境下保持GPS系統(tǒng)的定位能力，如圖19所示。.