衛(wèi)星導航對抗能力現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉 富，舒 展，謝維華

（北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094）

0 引言

自全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）正式建成，特別是GPS 制導武器在美伊戰(zhàn)爭大放異彩以來，世界大國爭相建設自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。目前，世界上已建成了GPS、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）、格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）及伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）4 大全球系統(tǒng)和印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Indian regional navigation satellite system, IRNSS）及日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system, QZSS）2 個區(qū)域性定位系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）在導航定位、精確打擊、指揮控制、精準后勤等軍事領域發(fā)揮著越來越重要的作用。美國聲稱，應用BDS 可使中國軍隊的作戰(zhàn)能力提升100～1 000 倍。然而，GNSS也存在信號傳播距離遠、地面信號微弱、易受干擾欺騙等先天不足。為了應對GPS 面臨的挑戰(zhàn)，確保制導航權，美國 GPS 聯(lián)合項目辦公室（Joint Program Office, JPO）于1997 年提出了導航戰(zhàn)的概念，指出導航戰(zhàn)的任務有3 項：①在戰(zhàn)場環(huán)境中，阻止敵方使用衛(wèi)星導航信息；②保證己方有效地利用衛(wèi)星導航信息；③同時不影響戰(zhàn)區(qū)以外的地方和平利用衛(wèi)星導航信息[1-2]。

1 衛(wèi)星導航對抗能力框架

參照電子對抗的分類方法，衛(wèi)星導航對抗能力可分為導航進攻能力、導航防御能力和導航偵察能力3 種。

1.1 導航進攻能力

衛(wèi)星導航系統(tǒng)由衛(wèi)星段、地面控制段和用戶設備段3 部分組成。相應的導航進攻是針對這3 部分進行的，具體包括對衛(wèi)星段、地面控制段的硬摧毀能力、網(wǎng)絡攻擊能力以及導航干擾能力。

1）硬摧毀能力。GPS、Galileo 和GLONASS的導航衛(wèi)星均為中圓地球軌道（medium Earth orbit,MEO）衛(wèi)星；BDS 為混合星座，由位于中軌的MEO衛(wèi)星、位于高軌的傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）衛(wèi)星及地球靜止軌道（geostationary Earth orbit, GEO）衛(wèi)星組成；目前，美俄等國均具備了對中軌衛(wèi)星的打擊能力，同時也具備了一定的對高軌衛(wèi)星的攻擊能力。

所有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的地面控制段都存在站點有限、位置固定、特征明顯、抗毀性差、容易受到攻擊等弱點。

2）網(wǎng)絡攻擊能力。網(wǎng)絡攻擊主要針對地面控制段內(nèi)部網(wǎng)絡、地面控制段和衛(wèi)星段之間的傳輸鏈路。衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面控制段一般由主控站、衛(wèi)星監(jiān)測站和上行注入站組成。GPS 的地面控制段由1 個主控站（施里弗空軍基地）、1 個備用主控站（范登堡空軍基地）、16 個監(jiān)測站以及12 個上行注入站組成。各監(jiān)測站、上行注入站和主控站之間通過網(wǎng)絡相連接，有頻繁的業(yè)務信息傳遞。同時，由于站點之間距離遙遠，內(nèi)部網(wǎng)絡具有一定的脆弱性，使其成為網(wǎng)絡攻擊的重點。

地面控制段和衛(wèi)星段之間通過無線鏈路有密切的信息交互，這也可以成為網(wǎng)絡攻擊的切入點。

3）導航干擾能力。導航干擾針對的對象，可以是衛(wèi)星段、傳輸鏈路（衛(wèi)星段和地面控制段之間）和用戶設備段。針對衛(wèi)星段和傳輸鏈路的干擾，可以由地基、空基大功率干擾器實施，也可由天基平臺抵近實施。

針對用戶設備的干擾，其技術難度低、容易實施，是導航干擾的重點，可由地基、空基的固定式或移動式平臺實施。導航干擾主要技術手段，包括壓制式干擾和欺騙式干擾。壓制式干擾是指，采用大功率壓制式信號來阻止接收機捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號的干擾方式。由于衛(wèi)星導航信號落地電平很低，導致小功率的干擾源即可對大面積的GNSS 接收機實施壓制式干擾。壓制式干擾又分為窄帶干擾（瞄準式干擾）和寬帶干擾（阻塞式干擾）2 種，常用的壓制式干擾信號如圖1 所示。

圖1 常用壓制式干擾信號

欺騙式干擾分為轉發(fā)式欺騙干擾和生成式欺騙干擾2 種類型。轉發(fā)式欺騙干擾，是指將接收到的衛(wèi)星導航信號進行簡單處理（延遲、功率變換）后，直接向干擾區(qū)域內(nèi)播發(fā)。這種干擾方式技術門檻低，僅能從信號層面進行欺騙，欺騙效果一般，易被識別。但是可以同時作用于軍用信號和民用信號。生成式欺騙干擾，是指依據(jù)衛(wèi)星導航信號的偽碼、電文，通過復雜的運算，生成欺騙信號，向干擾區(qū)域播發(fā)。生成式欺騙干擾技術難度大，欺騙效果好，難以識別。

綜上所述，針對衛(wèi)星段、地面控制段、用戶設備段，分別有3 種導航進攻手段，分別是硬摧毀、網(wǎng)絡攻擊和導航干擾，由此可以建立導航進攻能力框架，如圖2 所示。

圖2 導航進攻能力框架

針對不同對象，3 種導航進攻手段的能力成熟度、實施難度和實施可能性各不相同，可能性最大的是針對用戶設備段的干擾，其次是針對地面控制段的網(wǎng)絡攻擊和針對衛(wèi)星段的干擾，各種硬摧毀可能性最小，具體如表1 所示。

表1 導航進攻能力成熟度

1.2 導航防御能力

導航防御能力包括系統(tǒng)端防御能力和用戶端防御能力，如圖3 所示。

1）系統(tǒng)端防御。系統(tǒng)端防御主要包括太空態(tài)勢監(jiān)測、導航衛(wèi)星應急發(fā)射、衛(wèi)星在軌熱備份、功率增強、導航星座自主運行、建設替代性導航源以及建設異地備份主控站。

功率增強是指通過衛(wèi)星或者空基、地基偽衛(wèi)星播發(fā)衛(wèi)星導航信號，使地面衛(wèi)星導航信號增強，以提高GNSS 接收機抗干擾能力的技術。功率增強將迫使導航進攻方采用功率更強的干擾源，這也使得干擾源更加易于探測和摧毀。

替代性導航源是指建設衛(wèi)星導航系統(tǒng)以外的導航源，如長波無線電導航系統(tǒng)、天文導航系統(tǒng)、量子導航系統(tǒng)等，以防止在衛(wèi)星導航系統(tǒng)失效情況下的導航手段缺失。

2）用戶設備端防御。用戶設備端防御指GNSS終端采用的抗干擾技術，主要包括濾波技術、波束形成技術、軍碼直捕技術、組合導航技術等。濾波技術包括基于單天線的濾波和機遇天線陣的濾波2 種，具體包括時域濾波、頻域濾波、空域濾波和空時2 維濾波技術。波束形成技術通過技術手段提高指向衛(wèi)星方向的信號增益，同時削弱指向其他方向的信號增益，從而實現(xiàn)增強衛(wèi)星信號和抑制無關信號的目的。軍碼直捕技術指的是導航終端不經(jīng)過民碼的引導，直接捕獲精密測距碼（precise ranging code，P 碼）的技術，P 碼也稱軍碼。目前軍碼直捕技術主要分為時域相關捕獲與頻域“快速傅里葉變換”（fast Fourier transform, FFT）捕獲2 大類。組合導航技術主要是指將衛(wèi)星導航和慣導技術進行組合，發(fā)揮2 種導航技術各自的優(yōu)勢，彌補各自的缺點。按照組合程度的不同，又分為松組合、緊組合和超緊組合3 種[3]。

圖3 導航防御能力框架

1.3 導航偵察能力

導航偵察包括導航信號監(jiān)測和干擾源檢測與定位，是發(fā)起導航進攻和進行導航防御的基礎。導航信號監(jiān)測是指對未公開導航信號的偽碼、電文、調(diào)制方式等指標進行監(jiān)測和破譯，為實施干擾提供技術支持。干擾源檢測與定位是指對戰(zhàn)場導航頻段進行監(jiān)測，判斷干擾源的來向和位置，為摧毀干擾源提供技術支持。

2 美國導航對抗能力現(xiàn)狀

美國作為世界最早的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研制方和導航戰(zhàn)概念的提出方，在導航對抗領域進行了很多研究和實踐，其導航對抗能力處于全球領先水平。

導航進攻領域，在反衛(wèi)星和在軌操作方面，美國具備了使用反衛(wèi)星武器對中軌、高軌衛(wèi)星的硬摧毀能力。同時，美國逐步掌握了低中高軌合作或非合作目標的自主逼近、交會、對接、捕獲以及伴飛、繞飛等關鍵技術。2016 年8 月19 日，美國地球同步軌道空間態(tài)勢感知計劃（geosynchronous space situational awareness program, GSSAP）星座的4 顆衛(wèi)星組網(wǎng)成功，具備了對地球同步軌道衛(wèi)星近距離成像、電子偵察、干擾和攻擊的能力。同時，美國通過鳳凰、蜻蜓、同步軌道衛(wèi)星機器人服務等項目，演示驗證了針對衛(wèi)星的在軌捕獲、燃料加注、切除部件、裝配等能力。在導航干擾方面，美國開發(fā)了不同種類的壓制式GPS 干擾系統(tǒng)。德州大學托德·漢弗萊斯（Todd Humphreys）團隊研制的欺騙式干擾源，2012 年成功地接管了無人直升機，控制其下降和爬升；2013 年，在地中海成功控制游艇，使其偏離航線，整個欺騙干擾過程中，沒有觸發(fā)任何警報，GPS 信號也沒有失鎖[4-6]。

導航防御領域，在太空態(tài)勢感知方面，美國的太空籬笆項目于2018 年底具備初始作戰(zhàn)能力，可探測、跟蹤軌道高度超過1 931 km、直徑約10 cm 大小的空間物體，可跟蹤的空間物體數(shù)量達20 萬個[7]。功率增強方面，美國已具備星基功率增強實戰(zhàn)能力，在敘利亞戰(zhàn)爭、伊朗爭端期間，美國多次進行GPS 信號功率增強操作，使中東地區(qū)的GPS 信號功率強度提升了10 倍以上。另外，美國依據(jù)機載偽衛(wèi)星項目，進行空基功率增強，4 架獵人無人機作為偽衛(wèi)星，可覆蓋300 km×300 km 的戰(zhàn)區(qū)。替代導航源方面，美國開展了歐米伽導航系統(tǒng)（omega navigation system, ONS）、羅蘭C 導航系統(tǒng)（long-range navigation system, LORAN-C）等地基無線電導航系統(tǒng)的現(xiàn)代化工作。同時積極開展重力導航、天文導航、量子導航等導航系統(tǒng)的研發(fā)工作。GPS 能力增強方面，美國研制了新型的GPSⅢ衛(wèi)星，采用了新的軍碼（M 碼）和加密方式，具備比現(xiàn)有GPS 衛(wèi)星高100～500 倍的抗干擾能力，其星座自主運行能力超過了180 d[8]。持續(xù)開展抗干擾型GPS 接收機研究，實施軍用GPS 用戶設備計劃（military GPS user equipment program, MGUE）[9]，開發(fā)軍碼直捕技術，研制新型選擇可用性反欺騙模塊（selective availability anti-spoofing module,SAASM），研制新型廉價微型原子鐘，以期提高GPS 接收機抗干擾和防欺騙能力。目前，在綜合應用各種抗干擾技術的情況下，美國軍用GPS 接收機的抗干擾能力可達120 dB 以上。

導航偵察領域，美國納維西斯（NAVSYS）公司開發(fā)了干擾源定位系統(tǒng)（jammer detection and location system, JLOC），通過干擾監(jiān)測網(wǎng)絡實現(xiàn)對各種干擾源的檢測和定位。美國阿吉倫特（Agilent）公司也研制了性能優(yōu)良的干擾源監(jiān)測/測向系統(tǒng)，可以提供快速的寬帶信號監(jiān)測和測向。美國海軍航天和海戰(zhàn)中心主持開發(fā)了1 種機載GPS 干擾源定位系統(tǒng)（location of global positioning system interference, LOCO GPSI），該系統(tǒng)由四陣元天線陣、監(jiān)測測向設備及 GPS/慣性導航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS）組合接收機構成，采用短基線干涉儀測向體制和高靈敏度、快速掃描的接收機，實現(xiàn)了對干擾源的監(jiān)測和精確測向[10]。

3 俄羅斯導航對抗能力現(xiàn)狀

反衛(wèi)星和在軌操作方面，俄羅斯積極發(fā)展反衛(wèi)星和天基操控武器，先后進行了多次衛(wèi)星軌道機動試驗。俄羅斯于2013 年底重啟了樹冠項目，該項目具備地基偵察監(jiān)視和機載打擊的能力；于2015 年3 月發(fā)射了小衛(wèi)星宇宙2504，并于4—7 月開展了在軌交會試驗；同年4—9 月，射線衛(wèi)星進行了軌道漂移試驗，在高軌軌道先后接近多顆其他國家GEO 衛(wèi)星并在衛(wèi)星附近駐留，疑似執(zhí)行偵察和干擾任務，這表明其在地基定向反衛(wèi)能力和共軌式反衛(wèi)能力的基礎上，具備了在軌操作反衛(wèi)能力。在導航干擾方面，根據(jù)公開的報道，俄羅斯是最早研制GPS 干擾機，并投入實戰(zhàn)的國家。早在2003 年的伊拉克戰(zhàn)爭期間，伊拉克使用從俄羅斯購置的干擾機，對多國聯(lián)軍的100 多枚GPS 制導武器實施了有效干擾，顯著降低了其命中率。近年來，在歷次和美國有關的局部沖突中，都有俄羅斯GPS 干擾武器的身影。2019 年6 月，伊朗在霍爾木茲海峽擊落了1 架美軍RQ-4 全球鷹高空無人偵察機；2019 年7 月，伊朗軍方在伊朗領?？垩毫擞洼喫固辜{帝國號“Stena Impero”，據(jù)分析，伊朗的俄制GPS 干擾武器對無人機和油輪實施了欺騙式干擾，導致其駛向了錯誤的方向，進入了伊朗的火力打擊范圍。2020 年3 月，在敘利亞伊德利卜省，俄羅斯的克拉蘇哈電子戰(zhàn)系統(tǒng)對土耳其軍方的TB-2 型無人機實施了干擾，造成了7 架土軍無人機墜毀。

在太空態(tài)勢感知方面，俄新一代沃羅涅日預警雷達完成境內(nèi)12 個站點部署，其最大探測距離為6 000 km，能同時監(jiān)視500 個空間目標。俄新型天窗M 和天窗S 地基光電系統(tǒng)陸續(xù)部署，該系統(tǒng)具有強大的空間監(jiān)測能力，能監(jiān)測10 cm 以下的微小目標[7]。

俄羅斯的艾爾科斯（IRCOS）公司研制了1 套干擾源監(jiān)測/測向系統(tǒng)，其可對頻率在25～3 000 MHz 內(nèi)的干擾源實施有效監(jiān)測，頻率掃描速率1 000 MHz/s。

4 其他國家導航對抗能力現(xiàn)狀

反衛(wèi)星和在軌操作方面，德國的棱鏡任務驗證了編隊飛行和自主交會技術，自主視覺導航與目標識別任務驗證了航天器完全自主交會技術。歐空局（European Space Agency, ESA）的離軌任務項目，追求利用服務航天器捕獲位于極軌/太陽同步軌道的非合作大型衛(wèi)星。日本于1997 年執(zhí)行的工程試驗衛(wèi)星-7 任務，是世界上首次空間機器人在軌操作試驗；其“空間碎片微型清除器”計劃，驗證了使用電動力纜繩捕獲衛(wèi)星的能力[11-12]。導航干擾方面，中小型國家也具備了導航干擾的能力，2011 年12 月4 日，伊朗防空部隊在該國東部邊境利用欺騙干擾技術俘獲了1 架RQ-170 無人偵察機，隨后伊朗工程人員復制了該無人偵察機，這是欺騙干擾技術第1 次在實戰(zhàn)中的成功應用。據(jù)媒體報道，朝鮮也裝備了GPS 干擾設備。

5 導航對抗能力發(fā)展趨勢

從各國導航對抗能力發(fā)展及近幾場局部戰(zhàn)爭導航對抗態(tài)勢來看，導航對抗將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

1）導航對抗將越來越深入頻繁地進入實戰(zhàn)，爭奪制導航權的斗爭將越來越激烈。從敘利亞戰(zhàn)爭、利比亞戰(zhàn)爭、伊美沖突、俄土沖突等近幾場局部戰(zhàn)爭及沖突來看，導航對抗越來越頻繁地進入實戰(zhàn)。GPS 衛(wèi)星功率增強已成為局部沖突開始的先兆和常態(tài)化操作；導航干擾成為對抗察打一體無人機等現(xiàn)代化武器裝備的首選，并能成功地誘騙油輪，使戰(zhàn)艦偏航。導航對抗的技術門檻日益降低，越來越多的中小國家開始具備導航對抗能力，伊朗、利比亞、敘利亞均有實施導航干擾的成功戰(zhàn)例?？梢灶A見，在未來高技術局部戰(zhàn)爭中，爭奪制導航權的斗爭將越來越激烈。

2）各國爭相發(fā)展導航對抗能力，導航對抗技術發(fā)展日新月異。美俄等國不斷地發(fā)展反衛(wèi)星技術和衛(wèi)星在軌操作技術，對衛(wèi)星實施打擊和干擾的技術日趨成熟，在未來爭奪制導航權的斗爭中，必將發(fā)揮重要的作用。另外，各大國不斷優(yōu)化更新自身的GNSS，增強其可用性、連續(xù)性和可靠性，提升其在戰(zhàn)時的生存能力。同時開發(fā)芯片級原子鐘、芯片級慣導等微定位、導航、授時（positioning,navigation and time, PNT）技術，加強多傳感器集成和信息融合，提升GNSS 應用終端的抗干擾性和可用性。綜合采取低軌衛(wèi)星導航增強、空地偽衛(wèi)星增強、研發(fā)不依賴GNSS 的導航源等手段，全面提升導航對抗能力。

3）導航對抗將向綜合PNT 對抗方向發(fā)展，進入體系對抗階段。當前，GNSS 導航向綜合PNT 方向發(fā)展。隨著低軌衛(wèi)星導航增強、空地偽衛(wèi)星、組合導航等GNSS 增強手段的建設，地基無線電導航、天文導航、量子導航等不依賴GNSS 導航手段的發(fā)展，以及芯片級原子鐘、芯片級慣導等微PNT技術的發(fā)展，世界強國的PNT 能力將向抗干擾性更強、獲取途徑更多，更富彈性的方向發(fā)展。導航對抗向對抗更激烈、手段更豐富、技術更先進的體系對抗階段發(fā)展。要獲取未來戰(zhàn)爭的制導航權，一方面需要建好我方的綜合PNT 體系，提高綜合PNT體系的靈活性和抗毀性，另一方面要加緊研究針對性的導航對抗技術和戰(zhàn)術，提高體系破擊能力。

6 結束語

當前，美俄等國已具備了較強的導航對抗能力，中小國家如伊朗、朝鮮也具備了一定的導航對抗能力。各國爭相發(fā)展導航對抗能力，導航對抗越來越頻繁深入地進入實戰(zhàn)，并向綜合化、體系對抗的方向發(fā)展，圍繞制導航權的斗爭必將越來越激烈。我國必須開拓性地研發(fā)導航對抗技術，全方位地發(fā)展導航對抗能力，前瞻性地構建導航對抗體系，才能掌握未來戰(zhàn)爭的制導航權，而立于不敗之地。