李軍正,張倫東,叢佃偉,陳軻

(信息工程大學(xué),地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450002)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航是以空間星座作為觀測(cè)目標(biāo),通過(guò)測(cè)距實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航和授時(shí)等功能的導(dǎo)航手段。世界主要大國(guó)都在致力于發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。覆蓋全球的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS),不是一個(gè)單一系統(tǒng),而是個(gè)多系統(tǒng)、多層面、多模式的復(fù)雜綜合系統(tǒng),主要有美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALILEO)、我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)(QZSS)和印度的區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)(IRNSS)等,建成后空中可用衛(wèi)星數(shù)達(dá)到150顆以上。衛(wèi)星導(dǎo)航具有全球覆蓋、全天候服務(wù)、功能多、精度高、操作簡(jiǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

軍事應(yīng)用歷來(lái)是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的重要領(lǐng)域,在信息化時(shí)代,已成為高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支持系統(tǒng),它極大地提高了部隊(duì)的指揮控制、多軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)和快速反應(yīng)能力,大幅度地提高了武器裝備的打擊精度和效能。由于導(dǎo)航系統(tǒng)存在過(guò)度地面控制部分,容易被破壞;導(dǎo)航頻率公開(kāi)、部分導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)公開(kāi),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸用戶接收到信號(hào)非常弱,容易受到干擾等缺陷。針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的信息對(duì)抗一直是導(dǎo)航戰(zhàn)研究的重點(diǎn)。

1 導(dǎo)航戰(zhàn)

1.1 導(dǎo)航戰(zhàn)的提出

導(dǎo)航戰(zhàn)是隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的廣泛應(yīng)用而引起的一種新的作戰(zhàn)方式,是信息化條件下的一種重要的軍事作戰(zhàn)模式。美國(guó)GPS聯(lián)合計(jì)劃辦公室(JPO)于1996年確定了導(dǎo)航戰(zhàn)計(jì)劃,用于解決電子戰(zhàn)對(duì)GPS的威脅,并于1997年4月在“GPS在軍事及民事方面的應(yīng)用”研討會(huì)上,正式提出了“導(dǎo)航戰(zhàn)”的概念:“在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,保證己方有效地利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,同時(shí)不影響戰(zhàn)區(qū)以外的地方和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。[1-2]”

從導(dǎo)航戰(zhàn)的概念可以看出,其包含兩個(gè)重要的內(nèi)容:阻止和保護(hù)。阻止就是“阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,同時(shí)不影響戰(zhàn)區(qū)以外的地方和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息”,這歸為進(jìn)攻導(dǎo)航戰(zhàn)研究的內(nèi)容;保護(hù)就是“保證己方有效地利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息”,歸為防御導(dǎo)航戰(zhàn)研究的內(nèi)容[3]。

1.2 導(dǎo)航戰(zhàn)的實(shí)例

2011年11月,伊防空部隊(duì)在東部邊境“擊落”一架美國(guó)無(wú)人偵察機(jī)RQ-170。2013年12月,伊朗聲稱在海灣水域“捕獲”一架侵入伊朗領(lǐng)空的美國(guó)無(wú)人機(jī)[4]。

一位參與破解RQ-170無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的伊朗工程師稱:伊電子戰(zhàn)專家切斷了RQ-170的通信鏈接,然后通過(guò)使用從以前墜毀的美無(wú)人機(jī)上獲取的知識(shí),再加上2011年9月伊朗宣布所擁有的技術(shù),重新設(shè)置了無(wú)人機(jī)的GPS參數(shù),使其誤認(rèn)為它確實(shí)是在阿富汗的基地而著陸。從捕獲的美軍無(wú)人進(jìn)行反向研究,2016年10月,伊朗伊斯蘭革命衛(wèi)隊(duì)航空部隊(duì)首次揭幕其最新型的“襖椎紜北無(wú)人機(jī)。指揮官哈吉扎德在揭幕式上說(shuō),“襖椎紜北無(wú)人機(jī)在隱形及遠(yuǎn)程打擊能力上,與美軍的RQ-170“處于同一水平”[3]。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航信息對(duì)抗

本文以動(dòng)態(tài)用戶作為衛(wèi)星導(dǎo)航信息對(duì)抗攻擊目標(biāo),以GNSS為對(duì)抗手段進(jìn)行研究。

2.1 導(dǎo)航信息對(duì)抗原理

衛(wèi)星導(dǎo)航信息對(duì)抗是利用地基或空基導(dǎo)航對(duì)抗裝備產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)抗信號(hào),向攻擊目標(biāo)發(fā)射并被其接收,使其定位、測(cè)速和授時(shí)結(jié)果為期望的數(shù)值。導(dǎo)航信息對(duì)抗是導(dǎo)航戰(zhàn)的重要內(nèi)容,具有隱蔽性好、效能突出等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 導(dǎo)航信息對(duì)抗常用方式

目前研究較多的兩種導(dǎo)航對(duì)抗信息實(shí)現(xiàn)方式主要有轉(zhuǎn)發(fā)式和生成式兩種,在工程實(shí)踐和對(duì)抗效果上各有優(yōu)劣。轉(zhuǎn)發(fā)式是攻擊者接收真實(shí)的導(dǎo)航信號(hào)并根據(jù)需求在不同衛(wèi)星信號(hào)上加上不同延遲,并放大發(fā)送,以期通過(guò)改變目標(biāo)接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的距離,達(dá)到改變接收機(jī)解算位置的效果。這種對(duì)抗方式無(wú)需知道實(shí)際導(dǎo)航信號(hào)的形式和電文結(jié)構(gòu),攻擊信號(hào)除延時(shí)外與真實(shí)信號(hào)完全相同,具有良好的欺騙效果。生成式是利用導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)布的接口控制文檔生成導(dǎo)航信號(hào),對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行干擾和攻擊。這種對(duì)抗方式需要知道導(dǎo)航信號(hào)的形式和電文結(jié)構(gòu),可以任意設(shè)置位置、速度和時(shí)間,具有靈活的特點(diǎn)。

2.3 技術(shù)上需要研究的問(wèn)題

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航在軍事上的應(yīng)用問(wèn)題,針對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)導(dǎo)航信息對(duì)抗問(wèn)題,有幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1) 衛(wèi)星導(dǎo)航信息對(duì)抗模式

研究生成式、轉(zhuǎn)發(fā)式兩種導(dǎo)航信息對(duì)抗的工作原理和適用環(huán)境,并從現(xiàn)實(shí)可行的角度論證分析應(yīng)用條件和對(duì)抗效果,以期達(dá)到最佳對(duì)抗效果。

2) 多天線導(dǎo)航信息對(duì)抗問(wèn)題

針對(duì)多天線的導(dǎo)航信息對(duì)抗需要研究應(yīng)用條件和對(duì)抗效果。多天線在動(dòng)態(tài)目標(biāo)上的作用大致可分為三種,即互相備份、數(shù)據(jù)相互比較和用于基線及姿態(tài)測(cè)量。動(dòng)態(tài)目標(biāo)上放置多個(gè)天線用以發(fā)現(xiàn)和分辨異常信號(hào),方法有兩類。1) 多個(gè)接收機(jī)解算結(jié)果的距離應(yīng)與其真實(shí)距離在一定的誤差允許范圍內(nèi),一般用測(cè)量的偽距進(jìn)行解算的結(jié)果;2) 利用多個(gè)接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)目標(biāo)的姿態(tài),與慣導(dǎo)測(cè)量得到的姿態(tài)進(jìn)行比較,其差值應(yīng)當(dāng)在一定范圍內(nèi),采用的測(cè)量數(shù)據(jù)是載波相位觀測(cè)量。

3) 組合導(dǎo)航模式下的導(dǎo)航信息對(duì)抗問(wèn)題

衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航組合條件下的衛(wèi)星導(dǎo)航具有新的特點(diǎn),其導(dǎo)航信息對(duì)抗模式,需要結(jié)合慣性器件誤差特性和慣性導(dǎo)航原理,研究組合導(dǎo)航模式下的位置對(duì)抗方法,并利用設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4) 導(dǎo)航信息對(duì)抗方案與流程設(shè)計(jì)

導(dǎo)航戰(zhàn)中信息對(duì)抗需要設(shè)計(jì)一定的方案和流程才能達(dá)到效果。設(shè)計(jì)中需要結(jié)合實(shí)際條件和歷史數(shù)據(jù),提出一種或幾種針對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航信息對(duì)抗的具體方案。設(shè)計(jì)的流程,需根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求,分析對(duì)抗效果,并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

1) 組合導(dǎo)航的對(duì)抗方法

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有高精度的優(yōu)點(diǎn),但信號(hào)容易受到遮擋和干擾且定位更新頻率低;慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有短時(shí)間精度高、更新頻率高的優(yōu)點(diǎn),但誤差隨時(shí)間積累,定位結(jié)果容易發(fā)散。這兩種導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)相補(bǔ),慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航通過(guò)一定形式的融合可形成具有高精度、高更新率,同時(shí)誤差又不累積的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航定位原理,以及對(duì)抗信號(hào)需要滿足的條件,可以計(jì)算出干擾信號(hào)的時(shí)延與多普勒頻率,生成對(duì)抗信號(hào)。在實(shí)踐中,需要先獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡,并設(shè)計(jì)干擾陣地,利用對(duì)抗設(shè)備產(chǎn)生信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)抗的目的。

2) 對(duì)抗信號(hào)的精確同步

對(duì)抗信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的同步精度決定了對(duì)抗信號(hào)是否能夠快速進(jìn)入目標(biāo)接收機(jī),并達(dá)到預(yù)期效果。GNSS民用信號(hào)一個(gè)碼片所對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為1 μs,同步精度達(dá)到一個(gè)碼片以內(nèi)時(shí)對(duì)抗信號(hào)可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入。

對(duì)抗時(shí)采用授時(shí)型接收機(jī)、高精度原子鐘為生成式和轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源提供時(shí)間及頻率基準(zhǔn),并對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行標(biāo)校的方法可以滿足時(shí)間同步精度需求。

3) 導(dǎo)航對(duì)抗信號(hào)的生成

導(dǎo)航對(duì)抗信號(hào)的生成,是根據(jù)衛(wèi)星軌道、鐘差、接收機(jī)位置、速度、空間環(huán)境影響等信息仿真得到用戶位置的接收機(jī)應(yīng)當(dāng)接收到的偽距、載波、多普勒和導(dǎo)航電文,并通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源生成與實(shí)際相符的信號(hào)。

導(dǎo)航信號(hào)仿真包括:衛(wèi)星星座仿真、衛(wèi)星鐘差仿真、空間環(huán)境參數(shù)仿真、軌跡仿真、以及相應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航電文仿真和觀測(cè)數(shù)據(jù)仿真生成等。

為確保對(duì)抗的可靠性,生成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括GPS、GLONASS、BDS、GALILEO等目前常用的系統(tǒng),并保證各系統(tǒng)信息的一致性。

3 技術(shù)試驗(yàn)及效果

根據(jù)動(dòng)態(tài)目標(biāo)可能配置的導(dǎo)航裝備以及衛(wèi)星導(dǎo)航當(dāng)前的狀態(tài),開(kāi)展以下技術(shù)試驗(yàn),對(duì)導(dǎo)航信息對(duì)抗效果進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 單天線接收機(jī)組合導(dǎo)航

利用單GNSS天線條件組合導(dǎo)航系統(tǒng)和導(dǎo)航模擬器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航組合條件下的導(dǎo)航信息對(duì)抗。

實(shí)驗(yàn)采用單天線GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源。對(duì)抗場(chǎng)景采用靜態(tài)、直線、圓周等運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并以水平大圓運(yùn)動(dòng)條件為例,進(jìn)行效果分析;對(duì)抗設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡為:仿真的中心點(diǎn)為北緯40°、東經(jīng)116°、高程4 000 m,大圓周半徑600 km,運(yùn)動(dòng)速度為0～100 m/s,加速度為0～1 m/s2振蕩;采用組合導(dǎo)航輸出結(jié)果與模擬源設(shè)置結(jié)果的差異判斷對(duì)抗結(jié)果的有效性。

GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的速度、位置如圖 1和圖 2所示,與設(shè)計(jì)一致,從數(shù)據(jù)分析來(lái)看,單天線GNSS慣導(dǎo)組合可達(dá)到信息對(duì)抗設(shè)計(jì)的效果。

3.2 雙天線導(dǎo)航條件

動(dòng)態(tài)目標(biāo)采用雙天線的目的是通過(guò)計(jì)算獲得姿態(tài)并與其他手段獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),計(jì)算得到的距離與已知距離進(jìn)行比較,用以判斷接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)是否為實(shí)際信號(hào),由于需要計(jì)算基線，需要能采集載波相位的測(cè)量型接收機(jī)。

雙天線試驗(yàn)采用兩臺(tái)測(cè)量型接收機(jī)和衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源。對(duì)抗場(chǎng)景采用靜態(tài)、直線、圓周等運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并以勻速直線條件為例,進(jìn)行效果分析;對(duì)抗設(shè)計(jì)的軌跡為:起點(diǎn)為北緯30°、東經(jīng)110°、高程500 m,方向?yàn)?5°,運(yùn)動(dòng)速度是50 m/s;兩天線間距離為1 m.采用軟件解算結(jié)果與模擬源設(shè)置結(jié)果的差異判斷對(duì)抗結(jié)果的有效性。

雙天線采集數(shù)據(jù)解算結(jié)果如圖3和圖4所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:1) 雙天線計(jì)算的姿態(tài)結(jié)果與天線實(shí)際關(guān)系相差較大,與理論分析結(jié)果一致; 2) 雙天線計(jì)算的基線結(jié)果與天線實(shí)際關(guān)系相差不大,但結(jié)果不穩(wěn)定,與理論分析不一致; 3) 計(jì)算結(jié)果與放置方位無(wú)關(guān),與運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)。

由結(jié)果數(shù)據(jù)分析:① 多接收機(jī)作為備份、相互比較時(shí)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息對(duì)抗效果;② 多天線利用載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)和基線解算無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息對(duì)抗目的。

3.3 兼容定位系統(tǒng)試驗(yàn)

兼容定位對(duì)抗試驗(yàn)設(shè)置動(dòng)態(tài)目標(biāo)處于野外真實(shí)環(huán)境下,先接收天空真實(shí)信號(hào),然后用模擬源生成對(duì)抗信號(hào),設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)先保持靜態(tài),然后按照設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行。試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)目標(biāo)采用高精度組合導(dǎo)航設(shè)備,對(duì)抗信號(hào)采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器生成,結(jié)果數(shù)據(jù)采用組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理軟件提供;采用組合導(dǎo)航輸出結(jié)果與模擬源設(shè)置結(jié)果的差異判斷對(duì)抗結(jié)果的有效性。

1) 信號(hào)接入過(guò)程

在室外環(huán)境中,先接收天空真實(shí)信號(hào),然后用模擬源生成對(duì)抗信號(hào),目標(biāo)用戶動(dòng)態(tài)為先保持3 min靜態(tài),然后加速度為0.2 m/s2勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速到200 m/s后保持勻速運(yùn)動(dòng)。接收機(jī)1 min后捕獲到對(duì)抗GNSS信號(hào),3分47秒實(shí)現(xiàn)定位,6分秒設(shè)置目標(biāo)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)后組合定位結(jié)果輸出,圖 5所示為接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài),圖6所示為目標(biāo)用戶解算得到的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2) 對(duì)抗精度試驗(yàn)

組合導(dǎo)航設(shè)備從信號(hào)失鎖重捕后開(kāi)始GNSS輸出結(jié)果與GNSS-INS組合輸出結(jié)果比較如圖7所示,經(jīng)換算三個(gè)方向上差異小于25 m(95%),經(jīng)度、緯度上差異單位為°,高程差異單位為m.

4 結(jié)束語(yǔ)

目前,世界主要大國(guó)都在進(jìn)行針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的“導(dǎo)航戰(zhàn)”攻防技術(shù)研究,但技術(shù)高度保密。本文在分析導(dǎo)航信息對(duì)抗常用方式、關(guān)鍵技術(shù)以及解決途徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的技術(shù)試驗(yàn),為未來(lái)導(dǎo)航信息對(duì)抗研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 李雋,楚恒林,蔚保國(guó),等.導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)及其攻防策略研究[J].測(cè)控遙感與導(dǎo)航定位,2008:36-39.

[2] 馮曉超,金國(guó)平,潘艷.淺析導(dǎo)航戰(zhàn)中的干擾與抗干擾技術(shù)[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2010:14-18.

[3] 叢佃偉,李軍正,劉婧.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)攻防技術(shù)[C].//第二屆全國(guó)測(cè)繪類研究生博士論壇,2014.

[4] 李向陽(yáng),慈元卓，程紹馳，等.國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航軍事應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2015.