李錦軍 湯永濤 陶 金

(海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012)

艦艇對抗反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的方法研究*

李錦軍 湯永濤 陶 金

(海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012)

現代戰(zhàn)爭中,反輻射導彈已經對艦艇構成巨大的潛在威脅。從反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的原理入手,分析了干擾反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié),提出了艦艇通過加載GPS干擾機,采用壓制干擾、欺騙干擾和復合干擾等技術對抗反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的方法。

反輻射導彈; GPS制導系統(tǒng); 壓制干擾; 欺騙干擾; 復合干擾

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1 引言

在電子戰(zhàn)領域中,反輻射導彈(ARM)作為“硬殺傷”武器占有突出的地位,多場戰(zhàn)爭表明,反輻射導彈已成為現代戰(zhàn)爭中最重要的電子進攻武器之一。反輻射導彈是利用敵方雷達波束進行被動式制導的精確制導武器,主要用于攻擊敵防空警戒雷達、防空導彈火控雷達和防空高炮火控雷達,為己方兵力的空襲創(chuàng)造不受抗擊或受到較小抗擊的作戰(zhàn)環(huán)境。水面艦艇是一個雷達密集的海上作戰(zhàn)平臺,其作戰(zhàn)性能嚴重依賴于雷達體系的工作狀況,能否有效防御反輻射導彈的攻擊是艦艇海上防空作戰(zhàn)的關鍵所在[1]。

然而隨著反輻射導彈干擾技術的發(fā)展和戰(zhàn)術運用的不斷成熟,一些國家已經有較好的對抗反輻射導彈措施,如雷達誘餌技術、告警加火力攔截以及釋放煙幕彈等。也正因為這種矛與盾的發(fā)展,為進一步提高抗干擾能力,部分國家開始在反輻射導彈上加裝GPS制導系統(tǒng),研制復合制導模式的反輻射導彈[2],據悉,此類反輻射導彈已研制成功。本文重點研究艦艇對抗反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的方法和技術。

2 反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)原理

反輻射導彈基于GPS導航定位系統(tǒng)的導彈控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。反輻射導彈前端的GPS接收機只需要接收到四顆衛(wèi)星的導航信號便可完成定位,實時測量出導彈的實際位置,與存儲在程序裝置中的預定軌道參數進行比較和計算綜合,然后通過姿態(tài)控制系統(tǒng)控制導彈飛行;而導彈的姿態(tài)信息也可通過GPS導航定位系統(tǒng)實時監(jiān)測,并實時控制導彈進行調整,整個控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng),最終將導彈引向目標[3]。

圖1 基于GPS導航定位系統(tǒng)的 導彈控制系統(tǒng)組成框圖

反輻射導彈采用GPS制導體制必須依托整個GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由三部分組成,即空間衛(wèi)星部分、地面控制部分(地面測控站)和用戶設備部分(GPS接收機)。地面測控站向衛(wèi)星注入導航電文和控制指今(上行通道),衛(wèi)星向用戶提供導航電文碼(下行通道)。這三部分無論哪個部分出現故障,都無法進行引導定位,導致反輻射導彈無法命中目標。

3 反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)干擾環(huán)節(jié)分析

3.1 對空間衛(wèi)星實施干擾

GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的對抗環(huán)節(jié)包括星地鏈路和星間鏈路。通過對星地鏈路的有效干擾,使導航星不能正常工作或發(fā)射錯誤的導航信息,從而使反輻射導彈的GPS接收機得不到精確、甚至得到錯誤的導航信息;通過對星間鏈路實施干擾,破壞其星間數據傳輸和測距功能,從而使反輻射導彈無法完成自主導航功能。

根據GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的特點,可以采用以下三種途徑達到干擾的目的: 1) 選用GPS衛(wèi)星的伴星作為對抗GPS衛(wèi)星鏈路的應用平臺,發(fā)展一種共軌式天基電子對抗衛(wèi)星[4]。這樣,電子對抗衛(wèi)星可以接收來自星地/星間的通信/測距信號,通過截獲、分析,產生有效的偽GPS干擾信號,干擾或破壞GPS衛(wèi)星的星地/星間鏈路的正常工作,從而達到破壞GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)正常工作的目的。 2) 利用電磁脈沖武器擾亂和破壞星座上的電子設備,使其不能正常工作[5]。 3) 利用動能武器或激光武器直接摧毀星座。目前在反衛(wèi)星武器的研究領域,采用攜帶多枚小型動能攔截器的“環(huán)頂器”反衛(wèi)星武器方案就可以利用動能攔截彈來攻擊中高軌道的導航和通信衛(wèi)星,這對于GPS衛(wèi)星來說將是致命的打擊[6]。

3.2 對地面監(jiān)控系統(tǒng)的干擾

利用主控站、監(jiān)測站和注入站分布比較分散的特點,可以對其信號進行截獲和分析,在信號傳播路徑上播發(fā)干擾信號,進行干擾,使其地面站之間無法傳遞信息和數據,導致地面監(jiān)控系統(tǒng)不能正常工作,從而達到干擾的目的。

3.3 對用戶接收機的干擾

GPS衛(wèi)星軌道距離地球表面兩萬多千米,衛(wèi)星的發(fā)射功率不可能很大,傳播到地球表面的信號非常弱。為了同時接收在空中運行的多顆GPS衛(wèi)星信號,反輻射導彈的GPS接收機的接收天線波束較寬,加上C/A碼已經完全公開,P碼也處于半公開狀態(tài),因此,對下行通道進行干擾是比較可行和容易實現的[7]。

根據以上分析可知:對GPS衛(wèi)星的干擾主要是毀壞式干擾和采用天基的伴星干擾,而GPS衛(wèi)星星座的軌道平均高度約為20200km,屬高軌衛(wèi)星,對其實施硬摧毀并非易事,伴星干擾也較難實現;地面監(jiān)控系統(tǒng)位于美國的本土或是美軍的海外基地,有較多的保護措施,不易受到硬武器的直接攻擊,對GPS地面站的上行通道進行干擾也很難實現,因為GPS衛(wèi)星只有在通過位于美國的控制站上時才打開接收饑,并接收地面控制信號,而且該遙控信號采用了許多加密和抗干擾措施,對其進行干擾,目前技術尚未成熟。而有可能實現的,就是對GPS接收機的下行信道進行干擾,因為GPS接收機為了獲取所需的導航信息,總是打開的,而且為了同時接收在空中運轉的多顆GPS導航衛(wèi)星的信號,其接收天線波束較寬,加上接收機相距導航星遙遠,接收信號非常弱。因此,從目前來看,對GPS接收機的下行通道進行干擾是比較可行的。戰(zhàn)時,在關鍵階段對重點戰(zhàn)場、主要方向實施區(qū)域性局部電子對抗,可使敵方反輻射導彈在此地域無法利用GPS進行定位和導航,或使其定位誤差增大,不能獲取精確的導航定位信息,而不能命中目標。

4 艦艇對抗反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的方法

艦艇平臺空間有限,無法承載規(guī)模較大的GPS對抗系統(tǒng),面臨基于GPS導航定位系統(tǒng)制導的反輻射導彈的巨大威脅時,首要選擇是加裝體積較小的GPS干擾機,對反輻射導彈的GPS接收機實施干擾。目前,俄羅斯等國家已經開始該領域的實際應用。

GPS干擾機在干擾體制上可以分為壓制式干擾、欺騙式干擾和復合干擾。采用壓制式干擾的優(yōu)點是比較容易實現,缺點是干擾所需的功率較大。欺騙式干擾則是發(fā)射和GPS信號相同或相似的干擾信號,引導GPS接收機偏離原來正確的導航和定位。復合干擾是通過綜合采用多種干擾方式來獲得更好的干擾效果。當反輻射導彈的GPS接收機在導彈飛行的任意點受到干擾時,該導彈在整個干擾階段只能保持“慣性滑移”,其飛行彈道由不太精確的慣性制導系統(tǒng)引導。產生干擾的時間越早,導彈距目標的距離越遠,其偏離預定攻擊目標的誤差就越大,將嚴重影響其攻擊精度。

4.1 壓制干擾

壓制干擾是指發(fā)射一定帶寬、頻率和功率的干擾信號,造成反輻射導彈的GPS接收機的相關接收通道不能正常接收GPS衛(wèi)星信號,使接收機無法正確導航定位。對GPS信號進行壓制的干擾技術主要有以下四種[8]。

4.1.1 單音瞄準式干擾

已知目標信號的通信頻點較為固定時,可以使用單音瞄準式干擾。由于擴頻增益的影響,該干擾方式所需干擾功率較大。

4.1.2 寬帶噪聲干擾

寬帶噪聲干擾是指在濾波器的通帶內形成均勻功率密度的干擾。由于擴頻增益的存在,反輻射導彈的GPS接收機在放大信號功率的同時,對于干擾功率有擴展的作用。GPS系統(tǒng)的擴頻增益很大,需要很強的干擾功率才能完成。與單音瞄準式干擾相比,它沒有利用信號的載頻信息,要達到同樣的干擾效果所花的代價更大。

4.1.3 寬帶阻塞式干擾

寬帶阻塞式干擾的帶寬大于GPS信號的帶寬,使反輻射導彈的GPS接收機產生阻塞而達到干擾的目的。該干擾是干擾GPS信號有效的方式之一,一般很難被濾除掉。

4.1.4 偽碼相關干擾

偽碼相關干擾是指進入反輻射導彈的GPS接收機的干擾信號和GPS信號具有相同的碼型。由于直接序列擴頻信號對于隨機噪聲有很大的處理增益,而與GPS信號相關的干擾信號能得到全部或部分處理增益,即使有一點相關性的干擾波形也比隨機噪聲要有效。該干擾是通過對GPS信號的截獲、偵察和識別,從偵收到的GPS信號中提取出GPS信號的關鍵參數(載頻、碼速率、擴頻碼周期等),根據所獲參數產生與GPS信號相關或近似相關的干擾信號,可實現高效相關干擾。

4.2 欺騙干擾

欺騙干擾是利用虛假的GPS信號來干擾和欺騙反輻射導彈的GPS接收機,接收機無法分辨接收信號是否正確,從而使其利用錯誤參數進行解算,導致導航定位錯誤。欺騙干擾采用與GPS相似的信號和調制形式,獲得與GPS信號相當的相關處理增益,使反輻射導彈的GPS接收機產生虛假的導航信息。和壓制干擾相比,欺騙干擾功率大大降低[9]。對GPS進行欺騙干擾可以從兩方面人手:增加信號傳播時延或者給出虛假導航信息,分別對應于轉發(fā)式欺騙干擾和產生式欺騙干擾兩種干擾體制。

4.2.1 轉發(fā)式欺騙干擾

利用信號的自然延時,將干擾機接收到的GPS導航信號,經過一定的延時放大后直接發(fā)送出去。對于反輻射導彈的GPS接收機來說,同時存在多個信號,接收機很容易被這種信號欺騙,從而得到錯誤的偽距,影響定位精度。對GPS信號進行轉發(fā)式放大后,增加了接收機對干擾信號的捕獲概率,即來自干擾機的干擾信號和來自衛(wèi)星的導航信號都有被捕獲的概率,但干擾信號被捕獲的概率要大于導航信號,這樣就起到很好的干擾效果。轉發(fā)式欺騙干擾需要解決收發(fā)信號的隔離問題,轉發(fā)式干擾同時要從-20dB～-30dB的信噪比中提取、放大信號,以保證信號不畸變或有較少畸變,提高輸出信噪比。

4.2.2 產生式欺騙干擾

產生式欺騙干擾有兩種實現方式:一種是自主欺騙干擾,該干擾需要掌握GPS的信號結構,包括碼結構、導航信息內容等,適用于對民用C/A碼的干擾;另一種是偵察引導欺騙干擾,即根據偵察得到的碼結構,產生與其相關性最大的偽隨機碼,然后調制與導航電文格式完全相同的50bit/s的虛假導航電文,使接收方上當。該干擾方式實現困難,適用于對軍用P(Y)碼的干擾。

自主欺騙干擾不依賴GPS系統(tǒng),自主產生高保真的GPS信號,這些信號通過空間輻射到反輻射導彈的GPS接收機,致使接收機鎖定在干擾信號上從而得到錯誤的偽距和定位信息,達到欺騙的目的[10]。

偵察引導欺騙干擾通過突破GPS信號偵察和碼型識別技術,獲得偽碼生成方法和外部調制參數(載頻、碼速率)后,從而產生出與GPS信號具有相同參數、但是加載錯誤導航電文的假信號,同時進行偽碼相位可控調制,實現假信號比真實信號提前/滯后產生,這樣在反輻射導彈的GPS接收機端便會產生可控的錯誤信息。通過不斷地產生欺騙數據,使得GPS接收機慢慢地偏離預定航跡。

4.3 復合干擾

復合干擾根據GPS系統(tǒng)的特點,通過綜合采用多種干擾方式來獲得更好的干擾效果。比如,通過相關壓制干擾、轉發(fā)式欺騙干擾相互配合實施干擾,即首先用相關壓制干擾在一個很短的時間讓反輻射導彈的GPS接收機轉入搜索狀態(tài),然后切換到轉發(fā)式欺騙干擾上,使要GPS接收機鎖定到欺騙信號上,過一段時間再重復這個過程。由于壓制干擾所需干擾功率相對較大,欺騙干擾所需功率相對較小,所以采用組合式干擾方式將會有效地提高干擾設備的戰(zhàn)場生存能力[11]。

5 結語

反輻射導彈已經成為水面艦艇海上防空作戰(zhàn)的主要威脅,尤其是基于GPS導航定位系統(tǒng)制導的反輻射導彈的誕生,對艦艇自衛(wèi)防御提出了新的挑戰(zhàn),艦艇僅靠常規(guī)的雷達對抗,以及誘餌系統(tǒng)、煙幕彈等措施,已經無法應對威脅。本文從反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的原理出發(fā),深入分析了干擾反輻射導彈GPS制導系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié),進而針對艦艇這一平臺的特殊性,提出通過加載GPS干擾機,采用壓制干擾、欺騙干擾和復合干擾等技術實現對反輻射導彈的GPS接收機實施干擾,以達到對抗的目的。

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Method for Surface Warship Antagonize GPS Guidance System in the Anti-Radiation Missile

LI Jinjun TANG Yongtao TAO Jin

(Naval Bengbu Sergeant’s School, Bengbu 233012)

In modern war, the anti-radiation missile has formed huge latent threat for the surface warship. Starting from the principle of GPS guidance system in the anti-radiation missile, various links of GPS guidance system in the anti-radiation missile are analyzed, the surface warship by loading GPS jammer is put forward which uses the method of blanket jamming, deceptive jamming and complex jamming technology antagonize GPS guidance system in the anti-radiation missile.

anti-radiation missile, GPS guidance system, blanket jamming, deceptive jamming, complex jamming

2013年8月8日,

2013年9月29日

李錦軍,男,講師,研究方向:海軍電子對抗。湯永濤,男,講師,研究方向:海軍電子對抗。陶金,男,助教,研究方向:海軍電子對抗。

DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.014