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引文格式：任思衡，娄艺蓝，杨娜，等. 导航战及其应对策略[J]. 导航定位学报, 2020, 8(3): 100-104.（REN Siheng, LOU Yilan, YANG Na, et al. Navigation warfare and its countermeasures[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(3): 100-104.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20200316.
导航战及其应对策略
任思衡，娄艺蓝，杨 娜，郑晓霞，康世伦
（航天工程大学 士官学校，北京 102249）
摘要：为进一步研究基于全球卫星导航系统的军事应用与对抗，提出导航战的应对策略：论述导航战的起源和定义，探讨针对空间段、地面段和用户段的主要攻击手段；然后分析电磁干扰的攻击特性；最后给出应对导航战的对策与建议。
0 引言
全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）凭借其高度和广域的优势，已成为现代导航领域“高精度、全天时、全天候、海陆空天一体”的最佳手段之一，在地球测绘、精准授时、工业制造、交通物流、野外搜救、防灾减灾等领域应用广泛。GNSS作为国家定位、导航、授时体系（positioning, navigation and timing, PNT）的核心部分，对社会生产和生活都产生了非常深远的影响[1-4]。GNSS起源于20世纪60年代，冷战期间美国和苏联基于国防建设和军事斗争的需要，分别研发了子午仪系统（transit navigation satellite system, TNSS）和苏联第一代低轨奇卡达Tsikada（英译为CICADA）系统。此后美国一直在卫星导航领域继续探索和开发。1973年，美国开始在子午仪系统的基础之上，建设全球定位系统（global positioning system, GPS），并于1994年正式完成。GPS给美国带来了巨大的经济效益和军事效益，同时也引起了各国对卫星导航技术的高度重视。随后，各国开始陆续建设本国的GNSS。目前，美国的GPS与中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system, Galileo）使用最为广泛，被并称为“4大卫星导航系统”。此外，印度区域卫星导航系统(Indian regional navigational satellite system, IRNSS）和日本准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system, QZSS）也正在陆续建设和实验的过程中[5-6]。随着GNSS的出现和不断发展，卫星导航技术在军事上得到了广泛的应用，战争的形态、作战样式也随之发生了深刻的变化。目前，基于GNSS的应用与对抗成为了军事导航领域研究的1个热点问题[7]。1 导航战的概念
导航战（navigation warfare, NAVWAR）的概念起源于20世纪90年代的海湾战争。在“沙漠风暴”军事行动中，尚未完全建成的GPS初次在实战中试用，约8 800台接收机在保障部队穿插迂回、武器精确制导、防区准确划分、炮兵定位和火力支援、精确地形测量、防空武器配置、人员物资运输等方面发挥了显著作用[8]。不仅如此，GPS还有效增强了指挥部对战场态势的感知能力，提高了指挥员的战场指挥效率，从整体上提升了部队的综合作战能力，为“沙漠风暴”军事行动的成功起到了重要作用。GPS的巨大军事效益，让美军高度重视有关GNSS的军事理论研究。1997年，美军在一次学术会议中提出“导航战”的概念，即“防止敌人在作战中利用GNSS，保护己方和友军正常使用GNSS，同时避免作战区域以外的非敌方导航服务受到影响”。此概念被各国军事导航领域广泛接受，由此开启了导航战的全面研究与应用[9]。导航战与其他形式的电子对抗相比，最突出的特点是避免作战区域外的非敌方导航服务受到影响。当前，GNSS因其军民共用的特点，已经成为各国的基础设施，与社会经济高度融合。一旦卫星导航服务中断，广泛依赖GNSS的工业、农业、交通、金融、能源、通信、电力等行业都将受到严重影响甚至瘫痪，造成巨大的经济损失。因此，将导航战的作用范围限制在作战区域内，是导航战区别于一般电子对抗的1个显著特点。2 对GNSS的攻击手段
2.1 GNSS的结构
导航战通过对GNSS发动攻击，获取战争中的制导航权。不同国家的GNSS尽管有很大差异，但基本结构一致，都是由空间段（space segment）、地面段（ground segment）和用户段（user segment）
共同组成（如图1所示）。
图1 GNSS组成结构
空间段由分布在不同轨道的多个卫星构成，主要功能包括：接收来自地面段发送的导航信号和指令，不断根据地面的信号修正自己的时间和轨道位置信息，同时持续向用户发送卫星导航信号。此外，空间段的卫星还会在必要的时候接收地面站的应急指令，采取如紧急变轨等行动。地面段主要由监测站、主控站和注入站3个子部分组成。其主要功能是维护整个导航系统的正常稳定运行，具体包括跟踪与监测所有在轨卫星，实现精密定轨和星地时间同步，控制卫星播发导航信号，监控卫星的运行情况，同时检查导航信号的完好性。用户段是GNSS与用户交互的终端部分，将接收到的卫星导航信号经数据处理后，输出速度、加速度、位置、姿态和时间等导航信息，具体还可根据用途不同分为民用终端和军用终端。2.2 攻击手段
针对GNSS的空间段、地面段和用户段不同的功能和特点，可以在导航战中采取物理毁伤、网络入侵、电磁干扰等不同的攻击手段（如图2所示）。
图2 导航战的攻击手段
2.2.1 对空间段的攻击手段
对空间段而言，可能受到2种形式的攻击。第1种是物理毁伤，包括以美国“ASM-135”、俄罗斯“Nudol”为代表的反卫星导弹[10]，以及以激光武器、粒子束武器、微波武器等为代表的定向能武器。目前，反卫星导弹技术已经较为成熟，美、俄等国已进行了多次实验，部分武器已经列装了部队；而定向能武器技术尚不成熟，存在照射时间短、受天气影响大、到达卫星功率低等缺点，目前还未大规模投入实际应用[11]。第2种形式的攻击手段是电磁干扰。空间段的导航卫星在不间断播发导航信号的同时，也在不间断地接收地面站的信号。接收地面信号的上行注入接收机一旦被电磁干扰，GNSS将无法为用户提供导航服务。2.2.2 对地面段的攻击手段
对地面段即地面控制系统而言，主要面临物理毁伤、网络入侵和电磁干扰3种形式的攻击。物理毁伤即采用物理手段直接攻击地面站，使其损毁失去效能。网络入侵则是将电脑病毒植入地面段的终端，破坏地面段的内部网络系统，进而使其无法正常工作。由于GNSS的主控站和注入站等大型地面站通常采用的是大口径天线，波束较窄，电磁干扰很难进入，所以电磁干扰主要针对分布在各地的监测站。通过干扰使其不能接收卫星导航信号，从而使系统无法提供导航服务。2.2.3 对用户段的攻击手段
对GNSS的用户段而言，由于其数量众多，物理毁伤的攻击方式成本高、效率低，通常不采用这种手段。一般认为，对用户段的物理毁伤攻击属于传统作战手段，而非导航战的作战手段。相比之下，电磁干扰攻击成本低、效率高，是导航战目前针对用户段的主要攻击手段。3 电磁干扰攻击
在导航战中，对空间段的物理毁伤直接违反了《外层空间条约》等国际法规和公约，政治风险较高，在常规烈度作战中，实施的可能性较低；对地面段的物理毁伤，则属于直接攻击该国领土，等同于对其直接宣战，实现的可能性也较低；网络入侵因受到谍报条件等因素影响较大，可靠性无法保证。而电磁干扰攻击，技术实现难度较小，政治风险较低，攻击效果也较为显著，应用的可能性最大。目前，GNSS在导航战中受到的最广泛的威胁来自电磁干扰攻击。3.1 电磁干扰攻击的种类
GNSS主要受到2种形式的电磁干扰攻击：压制式干扰和欺骗式干扰。压制式干扰是从信号强度上进行攻击，由干扰机发射与导航信号同频段的强功率信号，使一定范围内的导航信号被干扰信号覆盖，导致接收机不能正常工作。欺骗式干扰是根据信号特征进行攻击。由干扰机发射与卫星导航信号特征相同或相似，而功率稍强的信号使接收机误以为干扰信号是真实的信号，导致接收机产生错误的导航信息或无法输出导航信息。3.2 针对民用导航信号的干扰
由于民用导航信号的频率是在国际电联登记并公开的，干扰机很容易产生出同频段的压制信号。导航卫星的高度一般为20 000~30 000 km，到达地面的信号非常微弱。以GPS为例，其卫星到达地表的信号强度约为-160 dBW[12]，仅相当于在超过20 000 km的距离外，观测1个50 W灯泡得到的强度。不仅如此，由于电磁波的广泛应用，人类所处空间的电磁环境愈加复杂，如此低功率的信号强度很容易被背景噪声所覆盖。即使通过扩频技术等方式，让信号以较宽的频带平均分布，并通过解扩技术让信号以窄带信号的形式提升功率密度，也非常容易受到压制式干扰的攻击[13]。根据英国防务部门的一项研究表明，通过在1.6 GHz频段使用功率为1 W的压制式干扰器进行干扰，足以让半径约2 000 m区域内的GPS终端无法正常定位和导航。而且在实验中，当干扰器的功率增加6 dB时，其干扰的半径就扩大为原来的2倍[14]。而民用导航信号为了便于开发和利用，其具体的信号格式、调制方式均处于公开状态，攻击者很容易按照其格式产生假信号对民用导航信号进行欺骗。目前，民用导航信号的干扰机制作简单、成本低廉，市场上在售的欺骗式干扰机的价格从数百元到数千元不等。总体上看，压制式干扰和欺骗式干扰均能对民用导航信号产生较好的攻击效果。3.3 针对军用导航信号的干扰
军用导航信号主要受到压制式干扰的攻击。军用导航信号由于持续播发、用户数量众多等特点，信号频率需要固定不变，导致其很容易被侦测，频率也基本处于公开状态。因此，干扰机很容易通过产生同频段的强信号对其进行压制。但是军用导航信号很难受到欺骗式干扰的攻击。军用导航信号的频率虽然很容易获取，但其导航信息处于高度加密的状态，其抗破译程度远超各国现有的破解计算能力。即使被敌方通过技术手段侦查到了密码，也可以通过2次加密、更换信息格式等方式让原密码失效。因此，直接的欺骗式干扰对军用导航信号效果较差[15]。国外曾有研究提出，采用延迟转发的方式进行欺骗干扰[16]。所谓延迟转发是采用大口径的天线对空中播发的敌方军用导航信号进行截获、存储，然后延迟一段时间再播发出去。由于延迟转发利用的是真实的导航信号，所以不需要对其密码进行破译。但这种方式存在2个缺点：①因为用户会同时接收多颗卫星的信号，只延迟转发1颗卫星信号不能起到效果，必须针对每1颗卫星都进行干扰，使得干扰设备体积庞大，容易被敌方发现和攻击；②欺骗信号一定比真实信号更晚到达，接收机可以利用这个特点将假信号和真信号进行鉴别，规避其干扰。所以，目前压制式干扰是针对军用导航信号较为实用化的干扰手段。3.4 抗电磁干扰技术
目前，抗电磁干扰技术可根据干扰源的类型分为抗压制式干扰技术和抗欺骗式干扰技术。抗压制式干扰技术主要包括：时域/频域滤波技术、空域滤波技术以及空时联合滤波技术。时域/频域的滤波技术与其他技术相比出现最早，也是较为简单、低成本的抗干扰技术。其中时域滤波技术是通过使用自适应时域滤波器来消除压制式干扰，频域滤波技术则是将干扰信号与真实信号的差异进行频域对比解析并抑制干扰信号。空域滤波技术主要是利用阵列天线对信号进行空域滤波处理，通过对信号入射角的差异性分析，分辨并抑制干扰信号。空时联合滤波技术融合空域和时域滤波技术的特点，根据接收机所处的电磁环境为天线阵元赋予权重，采用如最小功率算法、空时解扩重扩算法和降秩空时自适应滤波算法等方式，降低干扰信号的影响，是1种比较复杂和先进的抗压制式干扰技术[17]。抗欺骗式干扰技术主要采取幅度检验、信号传播时长检验、辅助导航数据检验、极化检验，以及根据空间处理的密码检验、坐标偏移检验等方式，在军事导航领域取得了良好的效果[13]。4 导航战应对策略
针对导航战的特点以及主要攻击手段，可以采取以下策略进行应对：1）采用抗干扰星载测距接收机。导航卫星接收地面指令的星载接收机是连接地面与卫星的信息枢纽，也是抗干扰的薄弱环节。采用具备窄带、扫频、多址等干扰抑制能力的星载接收机，可以显著提升GNSS在复杂电磁条件下正常工作的能力。2）采用高安全性的军码。在军用导航信号方面，采用抗破译能力强、保密管理难度小的专用军码模块和军码芯片，可以有效防范欺骗式干扰。3）提高监测站监测接收机抗干扰能力。监测站所使用的接收机一般均为全向天线，具有无方向性，接收信号的频段比较广，具有易受干扰的特点。采用具备较强的窄带干扰抑制和脉冲干扰抑制功能的接收机，可以有效消除对监测站的干扰信号。4）改进终端设备。加快空时联合滤波等抗干扰算法和技术的研究，配合更高效的天线设备，加强对终端干扰的抑制。此外，还可以将GNSS与其他导航方式联用，构成组合导航系统进而提高终端的抗干扰能力。5）建设备用设施和设备。虽然在导航战中，卫星和地面站直接受到毁伤的可能性较小，但是也需要做好相应的准备。具体措施可以包括：发射备用卫星，建设备用地面站，做好重要数据的备份等。6）积极开展导航战理论的研究。目前，导航战作为1种新的作战样式，理论研究还比较少。可以通过对导航战战术战法、信号保护策略的研究，用理论创新指导实践应用，提高导航战的作战水平。5 结束语
导航战和其他对抗形式一样，都是“魔高一尺，道高一丈”的发展过程。综合应用多种抗干扰措施，不断提高抗干扰能力是GNSS未来的技术发展方向。从整体上看，GNSS的建设必须充分考虑抗干扰性这一重要因素，提升系统稳定性，才能更好地提供军用和民用导航服务。参考文献（略）