辛 潔，張?zhí)鞓颍?睿，郭靖蕾，常志巧

(北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094)

0 引言

近年來，太空成為國際戰(zhàn)略競爭的新邊疆和制高點，太空威懾成為大國博弈的重要砝碼，特別是美國將中國作為其在太空的戰(zhàn)略對手開展“施里弗”系列太空安全演習，通過演習驗證并加速太空攻防力量的建設和發(fā)展。衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為一種重要的太空戰(zhàn)略資源，已經(jīng)融入政治、外交、軍事、電力、通信、金融和大眾服務等國防軍事和國民經(jīng)濟的方方面面，是決定國家“命脈”的重要空間基礎設施。當大國之間發(fā)生激烈沖突或戰(zhàn)爭時，可能攻擊敵國衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以癱瘓敵國作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)、社會經(jīng)濟生活秩序。

隨著太空技術、信息技術的發(fā)展，作戰(zhàn)形式已由軍種作戰(zhàn)向體系作戰(zhàn)發(fā)展，作戰(zhàn)范圍已從傳統(tǒng)戰(zhàn)場向深空、深海延伸，并正在向陸、海、空、天、電、網(wǎng)六維拓展，呈現(xiàn)出復雜的網(wǎng)絡化、層次化和關聯(lián)化特點[1]。信息化武器裝備、無縫鏈接的網(wǎng)絡化軍事信息系統(tǒng)和高度融合的諸軍兵種作戰(zhàn)力量，是我軍實施體系化作戰(zhàn)的三大要素，通過信息流、邏輯流將從事作戰(zhàn)相關的武器裝備、人員編制、指揮決策等相互關聯(lián)，形成一個多層的異構(gòu)復雜網(wǎng)絡[2-3]。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為國家重要的時空信息基礎設施，可為精確打擊、戰(zhàn)場偵察、目標定位和武器制導等提供信息服務，導航系統(tǒng)之間的對抗已成為體系化作戰(zhàn)不可或缺的組成部分[4-5]，其面對主要的打擊手段有干擾與欺騙、網(wǎng)絡攻擊和物理摧毀等[6-8]。隨著北斗新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務的逐步開通，其必將成為我軍作戰(zhàn)對手主要的欺騙目標，急需針對北斗三號空間段、地面段和用戶段特點，開展干擾與欺騙能力、網(wǎng)絡攻防能力、對星干擾等導航戰(zhàn)體系能力分析，提升我軍戰(zhàn)場環(huán)境保障能力。

本文闡述了GPS的導航對抗能力發(fā)展概況，分析了導航對抗體系構(gòu)建的要素及需求，提出了一種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的對抗體系設計構(gòu)想，并給出了衛(wèi)星導航系統(tǒng)物理毀傷的評估模型。

1 GPS導航對抗能力發(fā)展概況

為了確保GPS系統(tǒng)在敵方干擾環(huán)境下仍能夠保持優(yōu)良的性能，1994年美軍提出了導航戰(zhàn)的概念，其實質(zhì)是系統(tǒng)對抗以及反對抗戰(zhàn)術的較量，其目標是使GPS系統(tǒng)只在地球上規(guī)定的區(qū)域內(nèi)失效，而對其他區(qū)域的用戶仍然有效，這將通過調(diào)整導航衛(wèi)星的發(fā)射頻率和采用干擾技術來實現(xiàn)，同時設法阻止敵方利用GPS系統(tǒng)為其軍事行動和軍事裝備進行導航和定位服務[9-11]。GPS系統(tǒng)的全天候?qū)Ш侥芰κ乾F(xiàn)代戰(zhàn)爭取得勝利不可缺少的重要因素，目前已成為美軍實現(xiàn)其未來作戰(zhàn)思想和全球戰(zhàn)略的關鍵手段，并在美軍的指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視和偵察(C4ISR)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

美國GPS從空間段、地面段、應用段都進行了一定的防護能力設計，可以用“降低成本、提高信息安全性、增強抗干擾能力、擴展應用”來概括。從空間段來看，新一代搭載高功率導航戰(zhàn)點波束天線的GPS III衛(wèi)星已于2018年底發(fā)射，并搭載了傳統(tǒng)的S頻段硬件以確保與空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)絡兼容，同時利用高速TT&C鏈路和高寬帶指向性星間鏈路[12-13]，GPS III可在空間形成通信網(wǎng)絡，使所有衛(wèi)星在所有時間保持聯(lián)系；從地面段來看，GPS主要注重于信息層的安全防護，包括選擇可用性防欺騙模塊(SAASM)、分布式架構(gòu)的計算機網(wǎng)絡和新一代GPS運控段(Next Generation GPS Operation Control System，OCX)深度防御網(wǎng)絡；從應用段來看，授權管理層進行的防護主要包括兩大部分：一是密碼管理，包括密鑰生成、分發(fā)和使用；二是對安全模塊和配置安全模塊的用戶終端的管理和監(jiān)控。

同時，美國近期幾場高技術局部戰(zhàn)爭表明，美軍也在加強衛(wèi)星導航系統(tǒng)攻擊手段研究和建設。美國從越南戰(zhàn)爭開始的空中作戰(zhàn)，就始終貫徹實施導航電子干擾的戰(zhàn)術，更是在近來的敘利亞戰(zhàn)爭中，通過大功率GPS全頻帶強力干擾，誘騙敘利亞軍隊發(fā)射了十數(shù)枚防空導彈。目前，對于導航戰(zhàn)裝備建設，美國發(fā)展的主要方向包括系統(tǒng)級和設備級。在系統(tǒng)級，美國提出了GPS現(xiàn)代化防護計劃，保證其在電子戰(zhàn)環(huán)境下的精度(干擾與抗干擾)，拒絕敵方使用；在設備級，導航戰(zhàn)裝備主要包括抗干擾裝備(如GPS空間時間抗干擾接收機G-STAR)、干擾裝備(EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機，其連續(xù)波干擾功率最大可以達到100 kW，脈沖干擾峰值功率超過1 MW；ALQ-99干擾吊艙，其發(fā)射機頻段覆蓋零到幾十兆赫茲、有效干擾輻射功率100 kW)、干擾監(jiān)測與定位裝備(如美國海軍航天和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心開發(fā)的“LOCO GPSI”機載干擾源定位樣機系統(tǒng))。

結(jié)合美軍歷次作戰(zhàn)方法分析，美軍可能采取的導航戰(zhàn)方式主要有3種：一是電磁頻譜戰(zhàn)，主要分為壓制干擾和欺騙干擾。美軍在多次聯(lián)合演習中開展了干擾衛(wèi)星導航系統(tǒng)的演練，具備非常有效的干擾或欺騙作戰(zhàn)能力，并逐步將“保障式、反應式”的電磁頻譜行動提升為“主動式、決定式”。二是地面設施摧毀戰(zhàn)，直接攻擊地面系統(tǒng)的主控站、注入站、監(jiān)測站等固定站點，致使地面運行控制段癱瘓。三是衛(wèi)星打擊戰(zhàn)，主要分為共軌式和直升式反衛(wèi)星，共軌式反衛(wèi)星主要用于開展抵近偵察、電磁干擾甚至物理破壞乃至摧毀，已處于較為成熟的階段，具備一定的實戰(zhàn)能力，直升式反衛(wèi)星主要采用各種攔截手段對近地軌道衛(wèi)星進行直接物理攻擊，具備作戰(zhàn)實施演示能力。3種方式可根據(jù)沖突規(guī)模以及對抗程度選擇采用，或隨事態(tài)變化逐步升級，直至3種干擾方式同時實施。

2 導航對抗體系分析

2.1 典型對抗方式比較分析

從攻擊方式來看，一般對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的攻擊包括電子干擾、網(wǎng)絡攻擊、電磁攻擊和硬摧毀打擊等，其中，電子干擾又主要分為壓制和欺騙2種方式；網(wǎng)絡攻擊與傳統(tǒng)的干擾和欺騙不同，在于其將導航系統(tǒng)視為計算機系統(tǒng)，從而形成更廣泛的攻擊視角，產(chǎn)生更多的攻擊手段；電磁攻擊主要是利用電磁脈沖炸彈攻擊導航系統(tǒng)的相關電子設備；硬摧毀主要利用一些定向能或動能武器對衛(wèi)星或地面站進行摧毀。

從攻擊目的來看，干擾主要利用衛(wèi)星導航信號到達地面比較微弱的特點，在導航信號頻段內(nèi)播發(fā)干擾信號，阻止接收機鎖定導航信號；欺騙就是偽造用于計算偽距的電文信息，造成導航解算錯誤；網(wǎng)絡攻擊針對導航系統(tǒng)電文協(xié)議、操作系統(tǒng)和應用軟件等相關脆弱性，使導航系統(tǒng)癱瘓；電磁攻擊主要是癱瘓導航系統(tǒng)的相關電子設備；硬摧毀主要是摧毀衛(wèi)星和地面站，從最根本上消除敵方導航系統(tǒng)威脅。

從攻擊強度來看，電子干擾、網(wǎng)絡攻擊主要是軟攻擊，相關攻擊停止后，導航服務可以迅速恢復；電磁攻擊、硬摧毀則屬于硬攻擊，電磁攻擊燒毀相關電子設備元器件；衛(wèi)星和地面站被摧毀，需要采取相應補網(wǎng)策略。

從實施手段來看，電子干擾可將機載干擾機、平流層飛艇載干擾機、氣球載干擾機、星載干擾機和地面干擾站等干擾設備靈活組合形成多方位、不同高度的分布式干擾體系，在需要的時間和區(qū)域形成強烈的干擾態(tài)勢，使敵方難以防范和抵抗；網(wǎng)絡攻擊主要針對打擊對象的系統(tǒng)漏洞進行攻擊，不受空間限制，無論距離多遠，攻擊者都能夠利用網(wǎng)絡攻擊系統(tǒng)對任意網(wǎng)絡進行攻擊，且隱蔽性強也是網(wǎng)絡攻擊的主要特點，攻擊之前能夠通過多個網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)較強的偽裝和隱蔽；硬摧毀打擊主要采用激光、粒子束、射頻/微波定向能武器，高能激光武器、反衛(wèi)星導彈等對地面關重站或衛(wèi)星實施打擊摧毀。

因此，從攻擊方式、攻擊目的、攻擊強度和實施手段等多層面、多維度的分析可知，電子干擾和網(wǎng)絡攻擊具有可實施性強、打擊范圍可控、可快速恢復等優(yōu)勢。

2.2 安全防護與薄弱環(huán)節(jié)分析

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展過程中，戰(zhàn)時打擊和安全防護既相互對立又相互制約，在發(fā)展中呈現(xiàn)出不同步的狀態(tài)。從大多數(shù)導航戰(zhàn)事件能夠看出，往往是攻擊事件發(fā)生后，才能夠針對攻擊采取相應的防御措施。因此，可從國外主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段、地面控制段、用戶段3個層面，以信號層和信息層安全防護2個維度，深入分析研究其存在的薄弱環(huán)節(jié)，為導航戰(zhàn)安全防護實施提供切入點及參考。

2.2.1 信號層的安全防護與薄弱環(huán)節(jié)

從信號層的安全防護來看，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的上行鏈路可通過多手段冗余備份、先進信號體制設計等途徑來提高戰(zhàn)時抗干擾能力；星間鏈路采用無周期擴頻碼、抗干擾處理措施提高星間抗干擾和抗截獲能力；下行鏈路通過提升信號功率、采用先進信號調(diào)制方式、無周期擴頻碼、先進信道編碼、軍民頻譜分離等手段提高系統(tǒng)抗干擾、防欺騙、反利用等導航對抗能力；在服務精度上通過單頻差分或用戶機端的弱信號接收策略，達到雙頻服務的精度提升。

大多衛(wèi)星導航系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)仍主要體現(xiàn)在抗干擾能力不足方面，尤其在抗大功率壓制式干擾和欺騙式干擾方面尤為突出。壓制式干擾將導致接收機失鎖，不過壓制式干擾監(jiān)測和抑制技術相對較為成熟，可以借鑒雷達領域的相關技術，但欺騙式干擾更具有隱蔽性和危害性，可產(chǎn)生錯誤定位和授時，甚至達到控制目標接收機的程度。

2.2.2 信息層的安全防護與薄弱環(huán)節(jié)

在信息安全防護方面，主要有星地傳輸加解密和地面網(wǎng)絡防護等手段。地面網(wǎng)絡具備較強的安全防護能力，可有效防止篡改、入侵及破壞等威脅。尤其對于境外站數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，可配置單向安全傳輸設備、雙向安全傳輸設備等裝備，以保證跨網(wǎng)跨域數(shù)據(jù)安全傳輸與網(wǎng)絡連通。

網(wǎng)絡安全與信息保證技術可通過增強機密性、完整性、可用性和時空相關性等實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段與運行控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡安全、信息安全，增強網(wǎng)絡對抗攻擊、保證信息安全的能力，但從GPS下一代運行控制系統(tǒng)(OCX)的發(fā)展延遲情況，可以看出系統(tǒng)網(wǎng)絡安全軟件開發(fā)的難度與工作量。

2.3 對抗場景設計與可行性分析

場景分類技術的意義在于實現(xiàn)對現(xiàn)實應用場景的描述和細分，以及對海量仿真和實測數(shù)據(jù)的聚類，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的冗余數(shù)據(jù)消除，并保障測試數(shù)據(jù)的完備性和對抗場景的有效性。

僅就衛(wèi)星導航信號而言，其特征參數(shù)包括信號強度、頻率多普勒、偽距觀測量、干擾信號特征譜和多徑信號特征等；就衛(wèi)星導航系統(tǒng)網(wǎng)絡而言，其地面段結(jié)構(gòu)主要為拓撲類型，交換機和路由器等各項硬件設備設置在不同節(jié)點，涉及數(shù)千臺套的系統(tǒng)設備，相應地病毒擴散范圍與影響也有著多樣變化。

繁多的特征參數(shù)給場景分類帶來困難，針對每一個參數(shù)都應建立一個對應的場景分類，既無必要，也過于占用工作量和項目成本。因此，需要開展導航信號和網(wǎng)絡信號特征參數(shù)提取方法研究，結(jié)合現(xiàn)有裝備和技術體制特性以及特征參數(shù)對最終定位精度影響，開展有效的導航戰(zhàn)對抗場景設計。

3 導航對抗體系構(gòu)建

導航對抗體系是指按照一定組織架構(gòu)、運維模式、指揮關系將導航系統(tǒng)、作戰(zhàn)要素和作戰(zhàn)單元融合，形成具備指定作戰(zhàn)功能、動態(tài)適應威脅環(huán)境的有機整體[14-15]。結(jié)合上述分析，可分別從系統(tǒng)層次劃分、功能架構(gòu)和毀傷效能指標等多個維度，開展導航對抗體系設計，為導航對抗能力分析、關鍵要素識別、打擊策略選取和對抗場景設計等方面奠定基礎。

3.1 系統(tǒng)層次劃分

導航對抗要素主要是指性質(zhì)單一、地理位置相對獨立的目標，例如指揮中心、主控站、注入站、監(jiān)測站、機動站、測控站和組網(wǎng)衛(wèi)星等，這些目標是構(gòu)成目標系統(tǒng)和目標體系的基礎，進而可根據(jù)目標功能特性，劃分為如表1所示的指揮控制系統(tǒng)、監(jiān)測預警系統(tǒng)、信息攻防系統(tǒng)和綜合保障系統(tǒng)[16]等。通過構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)個體功能和網(wǎng)絡拓撲的耦合，便于分析目標與目標之間的相互作用關系。

表1 導航對抗體系層次劃分Tab.1 Hierarchy division of the navigation countermeasure system

3.2 功能架構(gòu)

為了確保衛(wèi)星導航系統(tǒng)在敵方打擊下仍能夠保持優(yōu)良的性能，其實質(zhì)是系統(tǒng)對抗以及反對抗技戰(zhàn)術的較量，其目標是使衛(wèi)星導航系統(tǒng)只在規(guī)定區(qū)域內(nèi)失效，而對其他區(qū)域的用戶仍然有效，同時設法阻止敵方利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)為其軍事行動和軍事裝備進行導航和定位服務。因此，基于構(gòu)建完成的系統(tǒng)劃分進行體系能力分析，有利于把握導航對抗重心、威脅程度及薄弱環(huán)節(jié)梳理，確保聯(lián)合作戰(zhàn)指揮及組織作戰(zhàn)協(xié)作。功能體系劃分主要包括服務類型、對抗方式、安全防護等要求，如表2所示。

表2 導航對抗體系功能要求Tab.2 Function requirements of the navigation countermeasure system

3.3 對抗效能指標體系

導航對抗效能指標主要包含作戰(zhàn)區(qū)域、服務性能、防護效能、打擊效能、首次定位時間、打擊成功率、打擊時效、增強功率和干擾功率等指標要素，可合理映射分解至系統(tǒng)總體設計中所涉及到的星座構(gòu)型、空間信號、上行注入體制、星間鏈路體制、自主導航體制、安全性設計、可靠性設計等關鍵技術體制中，則相應的指標體系可分解為作戰(zhàn)區(qū)域、服務性能、物理毀傷度等。導航對抗指標體系設計如圖1所示。

圖1 導航對抗指標體系設計Fig.1 Specification design of the navigation countermeasure system

4 毀傷效能評估

毀傷效能評估是一項覆蓋范圍廣、技術狀態(tài)復雜、工作量大的工程任務，需結(jié)合導航對抗場景設計及運行管理需求，構(gòu)建通用性強、開放性好、模塊化、易擴展、自動化程度高的毀傷效能評估模型，其主要作用是：① 通過構(gòu)建各系統(tǒng)目標模型，結(jié)合各目標的毀傷性分析結(jié)果，制定通用評估模型及方法，進而得到多種對抗條件下的目標毀傷評估結(jié)論，實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)毀傷效能綜合評估；② 通過對不同對抗方式下的毀傷效能綜合評估分析，逐步完善相應的數(shù)據(jù)庫，建立全軍通用的大型數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)資源的共享與管理；③ 在大型數(shù)據(jù)庫支持下，從典型導航對抗效能分析出發(fā)，開展系統(tǒng)防護策略分析，并制定應急處置預案，快速實現(xiàn)多目標綜合的最優(yōu)打擊(防護)方案選取，為戰(zhàn)時指揮決策提供依據(jù)。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的毀傷效能評估需首先進行物理毀傷評估，進而開展導航服務精度及可用性分析，最終實現(xiàn)不同導航對抗模式下的毀傷效能及長期推演分析。

對于物理毀傷效能評估，可根據(jù)目標各部件受損程度和影響因子，得到對應本次打擊的目標毀傷程度，結(jié)合打擊概率可得到目標的毀傷指數(shù)，其量化評估結(jié)果一般可用式(1)表示[17]，地面段和空間段可據(jù)此開展毀傷效能評估。

(1)

(1) 地面段毀傷效能評估

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的地面段一般由主控站、注入站和監(jiān)測站組成，且各類地面站均有備份/冗余站。若主控站又由n個子系統(tǒng)組成，則其毀傷指數(shù)模型可表示為：

(2)

式中，IM為主控站毀傷指數(shù)；PMj為第j個可用主控站受打擊概率；Pmi為主控站第n個子系統(tǒng)的毀傷度；Kmi為地面站各子系統(tǒng)權重。同理，可得到注入站、監(jiān)測站的毀傷指數(shù)IU、IS。

(2) 空間段毀傷效能評估

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷更新?lián)Q代及測試服務需求變更，不同導航衛(wèi)星所搭載的有效載荷及服務模式均有所差異，且不同星座構(gòu)型下的服務性能也有所差異。因此，假設k顆衛(wèi)星受打擊時星座毀傷指數(shù)為Is,k，同時考慮到不同衛(wèi)星的作用及權重差異，則空間段的毀傷指數(shù)模型可表示為：

(3)

式中，M表示星座中的衛(wèi)星總數(shù)；Rn,k表示第n種組合下特定的k顆衛(wèi)星受打擊概率；Psai為第i顆受打擊衛(wèi)星的第a個子系統(tǒng)的毀傷度；Ksai為第i顆受打擊衛(wèi)星的各子系統(tǒng)權重；(1-Rn,j)表示第n種組合下特定的M-k顆正常衛(wèi)星各自的單星可用性。

5 結(jié)束語

隨著導航技術及各種對抗技術的發(fā)展，導航戰(zhàn)對抗手段從單一的電磁頻譜對抗向多維多模式組合對抗發(fā)展，作戰(zhàn)對象也從單一的衛(wèi)星導航對抗逐步擴展到以衛(wèi)星導航為核心的PNT體系對抗。開展基于壓制干擾、欺騙干擾、網(wǎng)絡攻擊等手段的導航對抗能力需求分析與對抗場景設計，實現(xiàn)不同對抗模式下的毀傷與防護效能評估及推演，是信息時代作戰(zhàn)的必然需求。為應對日益突出的導航戰(zhàn)形勢，必須構(gòu)建攻防一體、專業(yè)高效的導航戰(zhàn)作戰(zhàn)體系，涵蓋電磁環(huán)境監(jiān)測能力、干擾偵察能力、抗干擾防護能力和對抗效能評估能力。

電磁環(huán)境監(jiān)測主要依托戰(zhàn)區(qū)電磁頻譜管理力量和戰(zhàn)區(qū)各軍種電子對抗部隊實施。戰(zhàn)區(qū)電磁頻譜管控部門應當和導航保障部門密切協(xié)調(diào)，把衛(wèi)星導航信號監(jiān)測工作上升到作戰(zhàn)高度落實，通過多點組網(wǎng)、全時監(jiān)控、重點排查等方法，定期發(fā)布戰(zhàn)區(qū)衛(wèi)星導航信號監(jiān)測報告，戰(zhàn)區(qū)部隊和重要戰(zhàn)備設施周邊衛(wèi)星導航系統(tǒng)使用提高可靠依據(jù)。

干擾偵察主要依托航空力量、地面和海上偵察力量組織實施。偵察力量在實施戰(zhàn)場偵察時，利用攜帶的衛(wèi)星導航信號接收設備，全域偵收和記錄戰(zhàn)場衛(wèi)星導航信號，并將信號回傳給北斗導航保障部門，進行數(shù)據(jù)分析，判斷和排查干擾源，并建議組織定點清除。

抗干擾防護實施主要有2種途徑:一是由戰(zhàn)區(qū)協(xié)調(diào)戰(zhàn)略支援力量，利用搭建偽衛(wèi)星平臺和點波束信號發(fā)送等手段，對作戰(zhàn)區(qū)域信號實施區(qū)域增強，提高抗干擾能力；二是依托自身組織防護，通過配備增強型接收機、多陣元抗干擾天線、組合導航設備等，提高自身抗干擾防護能力。另外，必須依照導航定位設備使用章程嚴格規(guī)范操作使用，避免因人為原因造成導航系統(tǒng)失效。

對抗效能評估一般由導航保障部門根據(jù)敵我雙方導航對抗能力以及偵察、頻譜、電子對抗部門提交的戰(zhàn)場導航環(huán)境資料進行分析評估，提出導航戰(zhàn)建議。