楊寧虎 劉春保 楊哲 （ 中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室， 北京空間科技信息研究所， 中國空間技術(shù)研究院）

1 概述

1997年，美軍正式提出“導航戰(zhàn)”概念，并將其定義為：阻止敵方使用衛(wèi)星導航信息，保證己方和盟友部隊可以有效地利用衛(wèi)星導航信息，同時不影響戰(zhàn)區(qū)以外區(qū)域和平利用衛(wèi)星導航信息。美軍還確立了導航戰(zhàn)的作戰(zhàn)目標，即：“在戰(zhàn)場上取得導航優(yōu)勢；確保GPS系統(tǒng)正常運行，使美軍和盟軍不受干擾地使用該系統(tǒng)；阻止敵軍在戰(zhàn)場上使用GPS系統(tǒng)，并使敵方的衛(wèi)星導航系統(tǒng)不能正常工作或不能正常使用其服務”。

2 衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航戰(zhàn)技術(shù)分類與主要作用

按功能與作用的不同，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的導航戰(zhàn)技術(shù)可以分為：①在地面運行控制系統(tǒng)受損條件下保證衛(wèi)星導航系統(tǒng)正常運行的自主導航技術(shù)，如星間鏈路技術(shù)、星間測距技術(shù)、星歷與導航電文自主生成技術(shù)等；②拒絕、阻止敵方使用己方衛(wèi)星導航系統(tǒng)的拒止技術(shù)，如星上信號功率可調(diào)、關(guān)閉民用信號等技術(shù)；③干擾條件下增強衛(wèi)星導航服務能力的功率增強技術(shù)，如點波束增強技術(shù)、高功率放大器與天線技術(shù)；④用于實現(xiàn)導航信號重構(gòu)的在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)；⑤保證衛(wèi)星導航系統(tǒng)網(wǎng)絡空間安全與信息安全的技術(shù)，如網(wǎng)絡安全與信息保證技術(shù)等。

目前，全部導航戰(zhàn)技術(shù)均由美國率先提出、研發(fā)和投入使用，俄羅斯與歐洲均處于跟隨發(fā)展狀態(tài)。

自主導航技術(shù)

自主導航是指在失去地面測控和運控支持的前提下，衛(wèi)星星座或構(gòu)成星座的衛(wèi)星通過自身的測量獲得信息，利用自主導航算法實現(xiàn)星座自主運行。

自主導航技術(shù)是最早應用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的導航戰(zhàn)技術(shù)，其主要作用是在地面運行控制系統(tǒng)受損，不能為衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間星座提供正常的測控與數(shù)據(jù)更新服務時，衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間星座具有自主地完成星座維持與星歷更新，且在一定時間范圍內(nèi)提供滿足要求的定位導航與授時服務的能力。

GPS系統(tǒng)空間星座全部由具有自主導航功能的衛(wèi)星（包括GPS－2R、2RM和2F三個型號的衛(wèi)星）組成，已全面具備自主導航能力。目前，俄羅斯與歐洲已經(jīng)啟動了自主導航技術(shù)的研究，預計“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)和“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)將于2030年前全面具備自主導航能力。

導航拒止技術(shù)

導航拒止技術(shù)是用于阻止敵方使用己方衛(wèi)星導航能力的技術(shù)，是擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家限制、阻止他方使用自己的衛(wèi)星導航能力的關(guān)鍵技術(shù)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是典型的軍民兩用系統(tǒng)，且民用信號完全開放，任何國家、組織或個人均可接收并免費使用。美國軍方規(guī)定：美國軍用衛(wèi)星導航設備應能兼容包括天基增強系統(tǒng)在內(nèi)的所有衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以增強美軍衛(wèi)星導航服務的精度、可用性與穩(wěn)健性等。

為阻止敵方使用GPS系統(tǒng)，美國軍方研發(fā)了用于拒絕、阻止敵方使用GPS系統(tǒng)服務的技術(shù)——星上信號功率可調(diào)技術(shù)，通過降低交戰(zhàn)區(qū)域GPS系統(tǒng)民用信號的功率，使得敵方無法使用GPS系統(tǒng)民用服務，實現(xiàn)對敵方的拒止功能。截至2017年12月，GPS星座中已經(jīng)擁有12顆具備拒止功能的GPS－2F衛(wèi)星。

在灌區(qū)建設過程中，總承包單位作為責任主體，應該具有很強的責任意識，保證灌區(qū)建設的質(zhì)量和工程進度。同時，要減少一些強勢部門對灌區(qū)建設的干擾，保障灌區(qū)建設順利進行。

功率增強技術(shù)

功率增強是通過增加衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航信號的播發(fā)功率，對抗敵方干擾，從而提供更加穩(wěn)健的衛(wèi)星導航服務能力的技術(shù)。由于衛(wèi)星導航信號功率很低（一般在－160～－155dBW之間），因此極易受到干擾。增加衛(wèi)星導航信號的功率可有效提升干擾背景下捕獲與跟蹤衛(wèi)星導航信號的能力，從而增強干擾環(huán)境下衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供服務的能力。

從目前的發(fā)展情況看，美國發(fā)展了兩種旨在提高GPS系統(tǒng)軍用信號導航功率的技術(shù)，其一為星上信號功率可調(diào)技術(shù)，即在降低民用信號功率，實現(xiàn)拒止的同時，將軍用信號的功率增加7dB，該技術(shù)已經(jīng)裝備了12顆GPS－2F衛(wèi)星；其二為點波束增強技術(shù)，即利用點波束天線播發(fā)僅覆蓋局部（點）區(qū)域的功率增強信號，軍用M碼導航信號的功率可增加20dB，從而使抗干擾能力大大增強。目前，美國正在研發(fā)點波束抗干擾技術(shù)，計劃裝備GPS－3C衛(wèi)星。

在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)

在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)是正在研發(fā)的導航戰(zhàn)技術(shù)，其目標是利用上述技術(shù)實現(xiàn)導航信號的重構(gòu)，從而在導航信號受到干擾不能正常使用的條件下，以新信號、新波形等方式提供新導航能力與服務。

美國計劃在GPS－3B衛(wèi)星上利用軟件無線電技術(shù)開展在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)的演示驗證，項目的研發(fā)已經(jīng)進入關(guān)鍵設計評審階段。同時，為進一步保證該技術(shù)或功能的可行性，美國空軍在新一代的導航技術(shù)試驗衛(wèi)星－3（NTS－3）項目中將進行“在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)”（ORDWG）的空間飛行演示驗證，該技術(shù)可實現(xiàn)導航信號中心頻率與信號波形的調(diào)整，從而增強導航戰(zhàn)能力。

網(wǎng)絡安全與信息保證技術(shù)

就衛(wèi)星導航領(lǐng)域而言，網(wǎng)絡安全與信息保證技術(shù)旨在通過增強機密性、完整性、可用性和時空相關(guān)性等，保證美國GPS系統(tǒng)空間段與運行控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡安全、信息安全，增強GPS系統(tǒng)對抗網(wǎng)絡攻擊、保證信息安全的能力。

3 GPS系統(tǒng)導航戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

導航戰(zhàn)技術(shù)是提升、增強戰(zhàn)場或?qū)弓h(huán)境下衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務能力最重要的手段之一，在一定程度上代表著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的先進程度與服務的可用性與穩(wěn)健性。因此，導航戰(zhàn)技術(shù)與能力已經(jīng)成為擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)與能力的國家和地區(qū)爭相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

GPS系統(tǒng)自主導航技術(shù)

GPS系統(tǒng)發(fā)展之初，美國敏銳地認識到：戰(zhàn)時，全球部署的GPS系統(tǒng)運行控制段極易受到敵方的干擾與攻擊，導致衛(wèi)星導航系統(tǒng)不能提供滿足軍事作戰(zhàn)要求的服務。1985年初，美國空軍航天系統(tǒng)部委托國際商業(yè)機器公司（IBM）進行了一項深入開發(fā)自主導航系統(tǒng)算法的研究。1987年5月．空軍航天系統(tǒng)部發(fā)出了有效載荷的招標合同，正式提出自主導航功能要求。在目前的導航衛(wèi)星系統(tǒng)中，GPS－2R和2F衛(wèi)星采用了自主導航技術(shù)。GPS－2R自主導航系統(tǒng)有3大設計特色：每顆GPS衛(wèi)星均有計算能力，具有特高頻（UHF）星間鏈路測量和通信系統(tǒng)。通過采用自主導航技術(shù)，GPS－2R衛(wèi)星的生存能力大大提高，主要表現(xiàn)在：能從比較嚴重的核打擊中恢復工作；通過部件設計和采取冗余手段提高了可靠性；在沒有地面測控支持的條件下播發(fā)180天的GPS衛(wèi)星位置和時鐘數(shù)據(jù)，用戶測距誤差可達6m。GPS－2F衛(wèi)星能通過星間鏈路收發(fā)指令及遙測數(shù)據(jù)。GPS－3于2001年開始實質(zhì)性的研制，計劃于2018年首次發(fā)射。GPS－3系統(tǒng)將采用新的高速上行/下行鏈路和星間鏈路通信結(jié)構(gòu)，這將使GPS－3衛(wèi)星運行發(fā)生變革。GPS－3衛(wèi)星至少有3點不同于以前的型號：高速遙測、跟蹤和指令上行鏈路和下行鏈路；高速、定向星間鏈路；完好性功能。

GPS系統(tǒng)導航拒止技術(shù)

導航拒止技術(shù)是導航戰(zhàn)技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。美軍認為，在衛(wèi)星導航技術(shù)應用已經(jīng)滲透到幾乎所有領(lǐng)域的前提下，導航拒止技術(shù)也許是比導航增強、抗干擾技術(shù)更重要的導航戰(zhàn)技術(shù)。特別是在關(guān)鍵基礎設施（如通信與網(wǎng)絡、金融證券、交通運輸、電力網(wǎng)絡等）越來越多地依賴衛(wèi)星導航服務保證高效、安全、穩(wěn)定運行的今天，對美國而言，阻止、拒絕敵方使用GPS系統(tǒng)已經(jīng)成為美國對敵方實施綜合打擊、破壞或制約敵方戰(zhàn)爭潛力的重要打擊手段。

GPS－2F衛(wèi)星采用的星上信號功率可調(diào)技術(shù)，通過降低GPS系統(tǒng)民用信號的播發(fā)功率，提高軍用信號播發(fā)功率，一方面實現(xiàn)GPS軍用信號的增強，提升抗干擾能力；另一方面同使相關(guān)區(qū)域內(nèi)的民用GPS接收設備無法跟蹤、鎖定GPS民用信號，實現(xiàn)對敵方使用GPS服務的拒止。未來，GPS－3衛(wèi)星將全部擁有該能力，預計到2025年左右GPS系統(tǒng)將全面擁有導航拒止能力。

從目前的發(fā)展看，尚無消息證明歐洲與俄羅斯開展了導航拒止技術(shù)的研發(fā)。因此，至2025年左右，將只有美國GPS系統(tǒng)擁有拒絕與阻止敵方使用GPS系統(tǒng)的能力。

GPS系統(tǒng)功率增強技術(shù)

功率增強是提高衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航服務抗干擾能力的重要手段之一。美國已經(jīng)和正在發(fā)展的功率增強技術(shù)包括星上信號功率可調(diào)技術(shù)和點波束增強技術(shù)兩種技術(shù)途徑。

從星上信號功率可調(diào)技術(shù)的角度分析看，該技術(shù)利用星上控制系統(tǒng)與相關(guān)的星上功率管理程序?qū)崿F(xiàn)，不需要增加有效載荷硬件，不增加對衛(wèi)星平臺、電源系統(tǒng)等的要求，不會導致星上電源功率、有效載荷和衛(wèi)星質(zhì)量的增加，技術(shù)實現(xiàn)的難度較小。但星座信號功率可調(diào)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的信號功率增加幅度有限，如美國GPS－2F衛(wèi)星利用星上信號功率可調(diào)技術(shù)僅能實現(xiàn)軍用導航信號7dB的增加。

相對于星上功率可調(diào)技術(shù)，點波束技術(shù)功率增強幅度大，可有效地提高干擾環(huán)境下導航接收設備鎖定、跟蹤導航信號的能力。如美國正在發(fā)展、計劃用于GPS－3C衛(wèi)星的點波束增強技術(shù)，可在點波束的覆蓋區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)軍用信號功率增強20dB。但是，點波束增強技術(shù)需要專用有效載荷的支持，如點波束天線、展開與指向控制機構(gòu)、功率放大器、控制電路等，對衛(wèi)星平臺和供電要求高，將導致衛(wèi)星質(zhì)量、體積、成本和功耗的明顯增加。整體而言，實現(xiàn)的技術(shù)難度更大。

美國空軍在2015年啟動的導航技術(shù)試驗衛(wèi)星－3項目中，安排了兩項與功率增強直接相關(guān)的先進技術(shù)試驗驗證項目，分別為氮化鎵高效放大器技術(shù)和用于實現(xiàn)高增益區(qū)域增強的先進天線技術(shù)。由此表明，功率增強仍是美國空軍增強GPS系統(tǒng)抗干擾能力的重要技術(shù)途徑。

在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)

軟件無線電技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)在軌可重新編程與信號重構(gòu)提供了可能。

美國空軍在導航技術(shù)試驗衛(wèi)星－3項目中，將“在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)”的優(yōu)先級列為最高。在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)在功能上是一種類似于軟件無線電、利用硬件加以實現(xiàn)的技術(shù)，可實現(xiàn)導航信號波形、中心頻率等多種參數(shù)的調(diào)整，可在GPS系統(tǒng)受到干擾時，調(diào)整或改變GPS系統(tǒng)導航信號的參數(shù)，從而提升或增強抗干擾能力。

從導航技術(shù)試驗衛(wèi)星－3項目開展的先進導航技術(shù)試驗驗證情況看，美國空軍將在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)視為功率增強技術(shù)之后提升GPS系統(tǒng)導航戰(zhàn)能力的重要途徑與技術(shù)發(fā)展方向，希望通過硬件技術(shù)與軟件無線電技術(shù)的集成，解決軟件無線電技術(shù)誤碼率過高的問題，實現(xiàn)導航戰(zhàn)能力的提升。

網(wǎng)絡安全與信息保證技術(shù)

美國空軍認為，網(wǎng)絡攻擊將成為未來GPS系統(tǒng)面臨的重要威脅之一，因此GPS系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全與信息保證已經(jīng)成為美國必須解決的問題。

網(wǎng)絡安全與信息保證是美國新一代“運行控制系統(tǒng)”（OCX）具備的重要核心能力。美國空軍為GPS新一代“運行控制系統(tǒng)”設計了多層防護的安全結(jié)構(gòu)，以應對由內(nèi)部威脅、物理威脅、網(wǎng)絡威脅與供應鏈威脅構(gòu)成的安全威脅。

從“運行控制系統(tǒng)”的發(fā)展情況看，美國空軍與該系統(tǒng)的主承包商雷聲公司均表示，系統(tǒng)研發(fā)拖延的主要原因分為兩個方面，一是主要與網(wǎng)絡安全和信息保證有關(guān)的“運行控制系統(tǒng)”的設計更改；二是低估了系統(tǒng)軟件開放的難度與工作量。由此可見，網(wǎng)絡安全和信息保證研發(fā)的技術(shù)難度很高，應從“運行控制系統(tǒng)”設計初始階段就深度集成網(wǎng)絡安全和信息保證技術(shù)和系統(tǒng)，從而降低復雜程度和開發(fā)工作量。

按當前的計劃，2017年底前OCX Block 0將完成交付，以支持2018年GPS－3衛(wèi)星的首次發(fā)射。2020年將完成COX Block 1和Block 2的交付，使運行控制系統(tǒng)具備全面支持GPS－3A衛(wèi)星和M碼軍用信號、星上信號功率可調(diào)等功能的運行。

4 結(jié)束語

雖然GPS系統(tǒng)一直處于全球衛(wèi)星導航領(lǐng)域主導與領(lǐng)先地位，但美國仍在不斷提升GPS系統(tǒng)的服務性能與導航戰(zhàn)能力，且圍繞增強GPS系統(tǒng)導航戰(zhàn)能力開展了大量的研發(fā)與創(chuàng)新活動。計劃于2020年發(fā)射的導航技術(shù)試驗衛(wèi)星－3項目即以導航戰(zhàn)技術(shù)為核心，規(guī)劃了多個先進技術(shù)的演示驗證項目。如此，既保證了GPS系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導航應用領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，又保持了GPS系統(tǒng)在導航戰(zhàn)能力方面的不對稱優(yōu)勢，對于保持美國的全球霸主地位起著重要的作用。

從未來需求的角度看，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的導航戰(zhàn)能力將成為軍事定位導航授時服務能力的重要支撐，是對抗條件下衛(wèi)星導航能力安全可靠、穩(wěn)健可用的基本保障。與GPS系統(tǒng)的導航戰(zhàn)能力相比，我國“北斗”系統(tǒng)尚存在較大差距。因此，應對“北斗”系統(tǒng)導航戰(zhàn)技術(shù)的研發(fā)與能力的提升給予充分的重視，使“北斗”系統(tǒng)安全、可靠地服務于國家發(fā)展和安全。