GPS区域性关闭信号的可能性分析与抗干扰对策

任思衡，姜晶莉，尚国强，杨 娜，李春燕，李 倩，孟 瑶

（航天工程大学 士官学校，北京 102249）

0 引言

导航技术对于人类的生存与发展具有十分重要的意义。从中国古代的“指南车”“司南”，到西方近代的“十字测角器”“航海六分仪”，导航技术的进步拓展了人类的生存空间，为人们的生产和生活带来了便利。随着时代的发展，传统的导航技术在一定程度上显现出可靠性差、使用场合受限、定位精度低、操作复杂等缺陷，已经不能满足现代社会对导航定位的需求[1]。

20世纪50年代末，人类开始研究以人造卫星作为无线电导航信号台的全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）[2]。历经半个多世纪的探索和研究，卫星导航相关技术取得了长足的进步。目前，GNSS因具有定位精度高、定位时间短、无累积误差、导航要素齐全、终端成本低廉、全天时全天候工作等优势，已经成为现代社会最重要的导航手段之一，在各国的国防建设和经济社会发展中具有非常重要的意义[3]。迄今为止，美国的全球定位系统（global positioning system, GPS）、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）及欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）是世界上应用最为广泛的“四大卫星导航系统”[4]。

自卫星导航技术广泛应用以来，GNSS的应用与对抗一直是卫星导航领域研究的热点问题。现有的研究在提高导航系统稳定性、提升导航定位精度、增强信号抗干扰性等方面进行了深入探讨，但有关区域性导航战（navigation warfare,NAVWAR）相关策略的研究还比较少。而在军事导航领域，有关导航战背景下“卫星导航系统可能被区域性关闭”的问题受到关注，其中以“银河号”事件为背景的所谓“GPS被区域性关闭事件”影响最为广泛。

本文从基本原理及效益比的角度，论证通过关闭部分导航卫星的方式，阻断特定区域GPS服务是不可行的，判断有关“银河号”GPS信号被区域性关闭的说法是不真实的，分析以电磁干扰作为导航战攻击手段的优势，并探讨提升GNSS抗干扰性能的对策。

1 “银河号”事件简介

1993年7月23日，在公海发生了震惊中外的“银河号”事件。“银河号”是隶属于中国远洋运输总公司的集装箱货轮，事发时已从天津新港出发，预计前往迪拜、达曼和科威特等国家和地区进行小商品和染料贸易。在“银河号”行驶到阿曼湾海域时，突然遭到美军直升机和军舰袭扰，称其“装载了用于制造化学武器的原料”，并公然违反国际法和相关国际准则，强行要求“银河号”接受检查。

8月2日晚，“银河号”被迫在霍尔木兹海峡以东抛锚停船，并在极度缺少食品、淡水、药品和燃料的情况下坚持到8月24日。最终，“银河号”在国际检查团的联合检查下证明了自己的清白[5-6]。

时至今日，在各类报道和热门书籍中，有关“美军通过关闭部分GPS卫星信号的方式，阻断了‘银河号’所在区域的GPS民用服务，导致‘银河号’被迫停船”的言论广为流传[7]。不仅如此，在一些学术研究中，认为美军可以通过关闭特定区域的GPS民用信号阻止敌方使用GPS服务的观点依然存在，并有学者据此提出了相应的抗干扰对策[8]。

2 区域性关闭信号的原理与影响

从技术的角度，通过关闭部分GPS卫星信号的方式阻断特定区域的GPS服务并不难实现，但其带来的影响值得分析讨论。

2.1 区域性关闭信号的基本原理

要评估GPS区域性关闭带来的影响，可以从GNSS导航定位的基本原理进行分析。GNSS定位的基本原理是用户接收机根据接收到的卫星导航信号，确定卫星与用户接收机之间的距离，从而进一步解算出用户接收机的空间位置，即“三球交汇定位原理”。具体公式为

式中：ρi为导航卫星到用户接收机的距离；(xi,y i,zi)为导航卫星的坐标；(xu,yu,zu)为用户接收机的坐标。由于卫星导航信号包含了信号播发时刻的信息，并以电磁波的形式在空间中传播，iρ亦可表示为

式中：c为信号传播速度即光速3×108m/s；T2和T1分别为导航信号被接收的时刻和导航信号播发的时刻。根据式（1）和式（2），由于卫星在固定的轨道上运行，参考导航信号中的卫星星历等信息可以很容易确定信号播发时刻卫星的坐标(xi,y i,zi)，而T2和T1均为可观测量，所以要求解用户接收机的坐标 (xu,yu,zu)，需联立3个方程，即需要接收机同时接收3颗卫星的导航信号。

但在实际中，卫星的时钟为高精度的原子钟，而用户接收机受到成本和体积等因素的限制，其时钟一般采用低精度的晶振材料，导致卫星与接收机存在钟差Δt。由于信号传播速度为光速，卫星与接收机间1 ms的钟差将导致300 000 m的距离误差，如不考虑钟差将导致定位结果不可用。因此，在式（2）基础上增加了变量钟差，并考虑了信号通过电离层和对流层所产生的误差，即

式中：Δt为钟差；D为信号通过电离层和对流层所产生的误差。在式（3）中，D可以通过特定的模型计算得到，故共存在 (xu,yu,zu)和Δt4个未知数，通过联立4个方程构成1个非线性方程组，将非线性方程组线性化即可求解，其定位原理如图1所示。

图1 GNSS定位原理

当GNSS用户接收机同时接收4颗卫星的导航信号时，即可完成1次定位[9-10]。在没有基准站的航海导航过程中，“银河号”货轮就是通过这种方式完成定位和导航的。而要想通过关闭部分卫星导航信号阻断特定区域的卫星导航服务，就要让该区域内接收机可接收到的导航卫星数量小于4颗[11]。

2.2 区域性关闭信号的影响

由于GNSS的信号通常为广播式信号，无法具体控制导航信号的传播方向。以GPS为例，其卫星轨道高度为20 180 km，信号范围约28°，对应的地球圆心角约152°，导航信号在地面的覆盖范围十分广泛[12]。

通过国际GNSS服务组织（International GNSS Service, IGS）提供的精密星历，可以对关闭部分卫星导航信号、阻断目标区域的卫星导航服务的情况进行仿真模拟。文献[13]以GPS星座为例，通过IGS精密星历仿真模拟关闭部分卫星导航信号，使在目标区域的可见卫星数目为3颗，实现区域性不可定位[13]。具体做法为，将全球按照1°的经纬度分辨率，划分为360×180个格网点，基于不可定位区域最小准则（即分析每种关闭方式所导致的在全球范围内不可定位区域的面积，选取其中不可定位面积最小的方式）的导航信号关闭策略下实现区域性定位阻断，流程如下：

步骤1：在第k个观测历元，采用IGS精密星历计算目标点的可观测卫星数n。

步骤3：在C种信号关闭策略中，选取不可定位面积最小的信号关闭策略作为实现区域性定位阻断的导航信号关闭策略，并按照此策略对导航信号进行关闭。

步骤4：k=k+1，重复步骤1。其中k为观测历元数，n为可观测卫星数。

通过此种方式，可以模拟在24 h内，关闭阿富汗喀布尔地区民用GPS服务对区域外导航服务带来的影响。其中目标区域为ABCD4点连线，A点坐标（34.07°N，68.72°E），B点坐标（35.07°N，68.72°E），C点坐标（35.07°N，69.72°E），D点坐标（34.07°N，69.72°E）。图2显示了24 h内基于不可定位区域最小准则，对阿富汗喀布尔地区民用GPS导航信号关闭得到的全球格网定位可用性分布情况。

图2 GPS区域性关闭引起全球定位可用性变化分布[13]

图2中阴影部分由黑到白分别表示可用性由0（全部时段不可用）到100%（全部时段可用），其他数字则表示部分时段可用（如0.5表示50%的时段可用）。对结果分析可得，关闭部分导航信号可以有效阻断一定区域的卫星导航服务，但与此同时，全球约49%以上地区的用户会因此无法使用民用定位服务，约9.5%的地区的定位可用性也会因此降至90%以下；此外，在目标点1 640 km范围内的地区，定位可用性降到了50%以下[13]。仿真结果显示，利用关闭部分导航信号的办法对区域外GPS定位性能有很大影响，甚至无法满足通常意义上的民用导航服务，其影响区域已远超作战区域的范围，故关闭部分导航信号的方法并不适用于导航战[14]。

目前，GNSS作为军民两用系统，已经成为各国的导航基础设施，广泛应用于国防、交通、电力、农业、建筑、通讯、能源、金融等诸多领域，且许多领域均对卫星导航服务产生了较高的依赖度。一旦全球范围内GPS民用服务大面积中断，世界各国高度依赖GPS的众多领域将受到严重影响甚至瘫痪，给社会生产生活和公共秩序带来重大破坏，造成无法估量的巨大经济损失。而美国作为GPS的主要受益方和依赖GPS程度较高的国家，必将首当其冲受到影响。不难判断，在区域性导航战中，GPS区域性关闭信号带来的正向收益远远小于全球范围内GPS中断对美国造成的损失。通过关闭部分GPS卫星信号的方式阻断特定区域的GPS服务将得不偿失，在实践上是不可行的。

事实上，“银河号”事件发生时，GPS导航技术已经得到普遍应用，即使美国真的通过关闭部分GPS卫星信号的方式，关闭了“银河号”所在区域的GPS民用导航服务，受影响的将不只是一艘“银河号”，而是全世界范围内的众多车辆、货轮和客机，以及其他高度依赖GPS的人员和设备。但是，在现有的文献中，没有任何关于 “银河号”事件发生时，全球范围内GPS信号异常的记录。

翻阅国内当时有关“银河号”事件的报道，不仅没有任何有关于“银河号”GPS被关闭的记载，反而清楚地记录着是由于美国强行向有关国家施压，禁止“银河号”驶入港口，“银河号”才不得不在海上停泊了22天[15-16]。目前，广泛存在的有关“银河号”GPS被区域性关闭信号的陈述，均出现在2008年以后，直到今天仍不断。综上可以判断，美军通过关闭部分导航卫星让“银河号”所在区域的民用导航服务失效，迫使其停船的言论是假消息；战时，美军可以通过控制GPS卫星，关闭特定区域的GPS民用导航信号的观点是不成立的。

3 GPS区域性电磁干扰

虽然直接关闭特定区域GPS信号的做法并不可行，但是在作战中，让特定区域的卫星导航信号失效的方法确实存在。在区域性导航战背景下，通常采用电磁干扰的手段对特定区域实施攻击。根据干扰方式的不同，针对GNSS的电磁干扰通常可分为压制式干扰和欺骗式干扰。

3.1 压制式干扰

压制式干扰是从信号强度上发动攻击，通过干扰机发出与导航信号同频段的干扰信号对卫星导航信号进行覆盖，从而使导航终端无法收到导航信号完成定位[17]。

由于导航卫星距离用户非常遥远，其导航信号到达用户接收机的信号强度一般十分微弱[18]。以GPS为例，其卫星到达地表的信号强度仅约为-160 dB·W[19]，再加上无线电技术的广泛应用造成的复杂电磁背景，卫星导航信号非常容易被强信号所覆盖和干扰。在目前的实际应用中，压制式干扰对军用导航信号和民用导航信号均可以起到较好的干扰效果。

3.2 欺骗式干扰

欺骗式干扰是从信号特征上发动攻击，通过伪基站发出一系列的虚假导航信号，诱骗导航终端依据虚假导航信号输出错误的导航信息或无法输出导航信息，从而干扰正常的导航服务[20]。

由于军用导航信号采取安全性较高的军码，难以直接破译，因而军用导航终端一般不容易受到欺骗式干扰的有效攻击[21]。而民用导航信号，因其格式、密码等信息高度公开，接收机比较容易受到欺骗。目前，欺骗式干扰可以较为有效地干扰民用导航信号[22]。

3.3 电磁干扰的优势

在导航战中，电磁干扰效果好，成本低，且不会带来作战区域外的经济损失，是应用最为广泛的重要攻击手段。根据资料表明，通过购买市场上公开销售的电子元件，即可制作让半径16 km区域内的GPS接收机无法正常工作的干扰机，而其成本仅需400美元[23]。如果当年“银河号”的GPS设备确实失效，则可能是美军采取了区域性电磁干扰的攻击手段。

4 抗干扰对策探讨

4.1 抗干扰的误区

认识到区域性导航战中，GPS无法实现区域性关闭信号，可以纠正卫星导航领域过去的一些错误认识。在BDS投入使用前，曾有研究基于GPS区域性关闭信号的假设，提出采取GPS民用信号和GLONASS民用信号相结合的导航方式，意图增强抗干扰性，提高战时生存能力。实际上，GPS并不会区域性关闭，在实际作战中主要采取电磁干扰的方式攻击敌方卫星导航系统。而干扰GPS民用信号与同时干扰GPS民用信号和GLONASS民用信号在成本和难度上几乎没有区别，这种“弱”加“弱”并不等于“强”。通过多个民用导航信号组合的方式意图提升抗干扰能力，在实战背景下将是完全无效的策略。

需要指出的是：认识到GPS区域性关闭的可能性不存在，并不意味着我们可以放心大胆地依赖美国的GPS；恰恰相反，我们必须大力开发建设我国的BDS。GPS区域性关闭虽然并不现实，但GPS军用导航信号，出于安全考虑决不可能提供给我国使用，且GPS民用导航信号的抗干扰能力远低于军用导航信号，所以只有自主研发完全属于我国的GNSS，才能满足我国高精度、高抗干扰性的导航定位需求，更好地服务于我国的国防和经济建设。此外，大力开发建设BDS，对于推动我国关键技术进步、培育专业技术人才、促进导航产业发展、提升我国综合国力都有着极其重要的意义。

4.2 抗干扰的对策

目前，无论是对于BDS还是GPS，良好的抗干扰性都是导航系统正常工作的重要保障，可以有效地提升战时的生存能力。要提升GNSS的抗干扰性能，可以从以下几个方面入手：

1）从系统科学的角度优化整体结构。GNSS作为整体，在设计时需统筹考虑其稳定性和抗干扰性。具体而言，可以采用增设备份卫星和备份地面站，改进星座结构，构建星间链路[24]等手段，并避免出现短板效应。

2）优化导航信号设计。导航信号设计与信号的干扰性具有密切关系[25]。为提高信号抗干扰性可以采取两方面的措施优化信号：

一是军用信号独占频谱。在区域性导航战中，对该区域敌方的所有导航信号和己方的民用导航信号都需要进行干扰。如果己方军用信号和民用信号重叠，将无法实现有针对性的干扰。

二是增发无数据调制的导频信号。数据调制会影响信号接收的灵敏度，通过播发无数据调制的导频信号，可以提升接收信号的灵敏度，提高信号抗干扰性。

3）战时对导航卫星进行功率增强[26]。以GPS的“BlockⅢ-C”卫星为例，其高增益的点波束相控阵天线技术，能够在战时将GPS的信号强度提高数十分贝，为用户终端提供抗干扰余量，极大地提升GPS的战时可靠性与稳定性[27]。

4）改进接收机的抗干扰配置。接收机是GNSS与用户交互的终端，直接影响着系统输出导航信息的准确性和有效性[25]。通过改良接收机的抗干扰天线和滤波器等设备，可以更有效地将干扰信号与导航信号进行分离，在剔除干扰信号的同时，确保对导航信号的影响最小化。此外，用户接收机还可以采取将卫星导航技术与惯性导航技术、天文导航技术等自主式导航相结合的方式，构成组合导航系统，实现较好的复合抗干扰能力。

5）在战区设置伪卫星平台。卫星导航系统抗干扰能力较弱，重要原因之一是卫星到达接收机的信号微弱。通过在战区设置伪卫星平台，播发与导航卫星频率、格式完全相同的导航信号，可以成百上千倍地提高导航信号强度，从而大大增加特定区域卫星导航系统的抗干扰能力。

6）增强对干扰源的反侦测能力。在战时，可以通过广泛设置的干扰源监测设备和反干扰定位系统，找出敌方的干扰源，并对其进行毁伤，从而直接地消除敌方干扰。

5 结束语

对于GPS而言，区域性关闭导航服务并非切实可行的手段。在导航战中，电磁干扰是最为经济、高效和常用的攻击手段。要提高GNSS的稳定性和战时生存能力，不能采取多种民用信号组合的方式，而必须坚持改进抗干扰技术，优化抗干扰策略，从多个维度提升系统的抗干扰能力。