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    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性評估與對策

    2015-07-18 00:26:20北京空間科技信息研究所劉春保
    衛(wèi)星應(yīng)用 2015年4期
    關(guān)鍵詞:脆弱性評估對策

    ● 文|北京空間科技信息研究所 劉春保

    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性評估與對策

    ●文|北京空間科技信息研究所劉春保

    摘要:隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其應(yīng)用的發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為重要的、不可或缺的空間基礎(chǔ)設(shè)施,其應(yīng)用已經(jīng)滲透到幾乎所有領(lǐng)域,成為軍事能力的倍增器,經(jīng)濟發(fā)展的助推器,在保障國家安全與促進經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。

    然而,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有的脆弱性、局限性使衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)存在著明顯的能力不足與缺口,使衛(wèi)星導(dǎo)航用戶不能在任何時間、任何地點、任何環(huán)境下使用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù),使依賴衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的國家基礎(chǔ)設(shè)施的安全、高效、穩(wěn)定運行面臨嚴(yán)重威脅。美國國土安全部、運輸部、英國皇家工程院等眾多政府部門、研究機構(gòu)均對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性進行了系統(tǒng)的評估,并提出了相關(guān)的對策措施。本文綜合國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性評估結(jié)果,闡述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性與對策供參考。

    關(guān)鍵詞:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 脆弱性 評估 對策

    一、概述

    一般而言,導(dǎo)致用戶無法使用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)特性包括脆弱性與局限性兩個方面。

    局限性是指受物理遮蔽的影響,衛(wèi)星導(dǎo)航用戶無法使用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。其原因為:微弱的衛(wèi)星導(dǎo)航信號不足以穿透各種物理遮蔽物,如在室內(nèi)、地下、隧道、水下、高山或城市峽谷,甚至濃密的森林中,不能獲得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)。

    脆弱性是指因衛(wèi)星導(dǎo)航信號功率過低,以及無線電信號傳播與接收特性共同作用的結(jié)果,使用戶不能或不能較好地獲得衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。

    與脆弱性相比,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的局限性是明確的,衛(wèi)星導(dǎo)航用戶可以準(zhǔn)確地判斷是否處于物理遮蔽環(huán)境中,并采取措施將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)局限性的影響降到最低。也就是說,局限性并不能對衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的應(yīng)用構(gòu)成威脅。因此,國外的衛(wèi)星導(dǎo)航評估均以脆弱性為主要內(nèi)容,且對脆弱性的影響及衛(wèi)星導(dǎo)航安全應(yīng)用環(huán)境建設(shè)的重視程度不斷提升。

    美國是全球最早開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性評估的國家,隨著美國社會、經(jīng)濟發(fā)展對衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)依賴性的提高,目前美國衛(wèi)星導(dǎo)航脆弱性的研究、評估重點已經(jīng)轉(zhuǎn)為對國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施運行的影響、對策與緩解措施方面。

    二、國外衛(wèi)星導(dǎo)航脆弱性研究

    國外的評估均將衛(wèi)星導(dǎo)航脆弱性、局限性的主要原因歸結(jié)為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)過低的導(dǎo)航信號功率。與移動通信的信號接收功率相比,衛(wèi)星導(dǎo)航信號的接收機功率低100~1000萬倍,就很容易理解衛(wèi)星導(dǎo)航脆弱性、局限性的這一根本原因,見表1。

    表1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)信號功率對比

    一般,國外將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性分為三個方面:

    1)系統(tǒng)相關(guān)的脆弱性(包括信號與接收機);

    2)傳播途徑相關(guān)的脆弱性(空間氣象、大氣與多路徑效應(yīng)等);

    3)干擾相關(guān)的脆弱性(有意與無意干擾)。

    1.系統(tǒng)相關(guān)的脆弱性

    系統(tǒng)相關(guān)的脆弱性主要指因衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段、運行控制段和用戶段故障或問題產(chǎn)生的脆弱性。其中,空間段和用戶段問題產(chǎn)生的影響較大。

    (1)星座衛(wèi)星數(shù)量過少

    因星座衛(wèi)星故障或不能維持正常的星座衛(wèi)星數(shù)量,將導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足性能要求的服務(wù)。因各種原因,俄羅斯GLONASS系統(tǒng)星座衛(wèi)星數(shù)量最低曾降到7顆,無法獨立提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。

    (2)運行控制段上傳不健康的導(dǎo)航數(shù)據(jù)

    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航信號所包含的數(shù)據(jù)與信息一般由運行控制段上傳至衛(wèi)星,包括時鐘預(yù)測數(shù)據(jù)、星歷與軌道預(yù)測數(shù)據(jù)等。如果運行控制段上傳至衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)與信息出現(xiàn)問題,將對系統(tǒng)服務(wù)性能構(gòu)成全面影響。

    GPS與GLONASS系統(tǒng)已多次發(fā)生類似問題。1993 年3月、2000年3月和2002年6月,GPS系統(tǒng)發(fā)生導(dǎo)航數(shù)據(jù)與信息上傳問題,導(dǎo)致服務(wù)性能嚴(yán)重下降。

    2014年4月1日,因運行控制段系統(tǒng)軟件問題導(dǎo)致GLONASS衛(wèi)星星歷更新失敗,造成GLONASS系統(tǒng)不能提供服務(wù)。另有消息稱:此次故障的原因是:GLONASS系統(tǒng)地面控制段軟件出現(xiàn)了約1.5min的時間跳躍,不能生成正確的星歷,從而引發(fā)了此次故障。2014年4月14日,同樣因運行控制問題,8顆GLONASS衛(wèi)星被設(shè)置為不健康狀態(tài),GLONASS系統(tǒng)用戶不能使用這8顆衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號。

    (3)衛(wèi)星星鐘跳秒或漂移

    星上時間的精確同步與星上原子鐘時間的精確預(yù)報是時間測距衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確定位導(dǎo)航授時服務(wù)的基礎(chǔ)。星上原子鐘出現(xiàn)跳秒或漂移將使該衛(wèi)星的時間不可預(yù)測,從而導(dǎo)致服務(wù)風(fēng)險。2004年1月1日,GPS衛(wèi)星SVN-23(1顆GPS-2A衛(wèi)星)出現(xiàn)時間漂移,控制中心在3小時后才將其設(shè)置為不健康。在這一時間段內(nèi),該衛(wèi)星的定位誤差最大可能增至300km。類似的事件也曾發(fā)生在2001年7月。

    (4)壞的信號波形

    如果星上信號調(diào)制或信號生成過程出現(xiàn)問題,衛(wèi)星將播發(fā)不健康的信號,并在接收機端引發(fā)不可預(yù)知的結(jié)果,引發(fā)嚴(yán)重的風(fēng)險。1993年GPS衛(wèi)星SVN 19(1顆GPS-2衛(wèi)星)產(chǎn)生了被稱為“有害波形”的信號,使空間信號用戶測距誤差達到了8m;2009年3月發(fā)射的首顆裝備L5信號設(shè)備的GPS衛(wèi)星SVN 49(第7顆GPS-2RM衛(wèi)星)產(chǎn)生了星上多路徑效應(yīng),導(dǎo)致接收機會產(chǎn)生很大的誤差。

    圖1 GPS系統(tǒng)運行控制段全球布站情況

    (5)針對運行控制段的攻擊

    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行控制段一般具有一定的抗攻擊能力,這種攻擊包括軍事和網(wǎng)絡(luò)兩種形式,但卻十分有限。相對而言,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的遠(yuǎn)程站更易受到攻擊,也更具脆弱性。

    運行控制段全球布站是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常運行與服務(wù)性能的重要保證。從美國GPS系統(tǒng)運行控制段全球布站情況(見圖1)分析,除個別原隸屬于美國地理空間情報局(NGA)的跟蹤監(jiān)測站外,其運行控制段各站點均部署在美國、海外軍事基地或重要盟國,而主控站、數(shù)據(jù)上行站(圖1中的GPS地面天線和美國空軍衛(wèi)星控制跟蹤站)則基本部署在美國及其海外軍事基地,就是為了保證GPS系統(tǒng)運行控制段的安全。

    (6)運行控制段升級

    運行控制段系統(tǒng)升級或更新是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的需要,也是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性的重要因素。運行控制段系統(tǒng)升級或更新的任何問題都有可能導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的故障,甚至服務(wù)的中斷。

    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行控制段的升級與更新是涉及大系統(tǒng),以及眾多關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用的復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題;而且必須保證系統(tǒng)與服務(wù)的正常運行。從美國空軍在GPS系統(tǒng)運行控制段現(xiàn)代化改造采取的循序漸進、穩(wěn)步提升、小增量改進的策略,我們即可看出運行控制段升級與更新所面臨的巨大風(fēng)險。即使如此,GPS系統(tǒng)也曾多次發(fā)生因運行控制段升級引發(fā)的問題。2007年4月,美國空軍將第32顆工作星引入GPS星座,然而由于部分接收機的設(shè)計只能處理31顆GPS衛(wèi)星信號,從而產(chǎn)生了無法定位的問題。2010年1月,GPS系統(tǒng)運行控制段軟件升級導(dǎo)致軍用與授時接收機不能正常工作。

    (7)接收機缺陷

    除軍用、航空接收機按規(guī)定需進行相關(guān)的專業(yè)測試、驗收外,大部分民用接收機僅需要通過生產(chǎn)廠商的測試即可投入使用,因而很難避免存在軟件或其他缺陷。這種缺陷會以某種方式影響接收機的性能,而且這種缺陷只能在某種特定的情況下才能被發(fā)現(xiàn),如使用被標(biāo)記為不健康的衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號、跟蹤非標(biāo)準(zhǔn)碼信號等,從而對定位導(dǎo)航性能構(gòu)成嚴(yán)重影響。

    2.傳播途徑相關(guān)的脆弱性

    導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號需要穿過大氣層、電離層才能到達位于地面、空中的用戶接收設(shè)備(空間用戶除外)。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)必然受到大氣層、電離層變化的影響。

    對流層位于地球大氣的底部,是大氣層密度最大的區(qū)域,包含了整個地球氣象系統(tǒng)。地球氣象系統(tǒng)的變化可導(dǎo)致導(dǎo)航信號的延遲,但這種延遲可利用對流層模型進行修正。因此,雖然對流層引入了誤差項,但對衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)并不構(gòu)成威脅。

    電離層位于地球大氣的頂部,是衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的最大誤差源。電離層的變化,特別是低緯度、高緯度和太陽黑子活動高峰時期對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有較大影響。

    (1)電離層電子總數(shù)變化

    電離層電子總數(shù)變化對衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的影響分為兩種情況,其一是電子總數(shù)的緩慢變化;其二是電子總數(shù)的快速變化。電離層電子總數(shù)的緩慢變化受太陽活動的影響,如地球每天1周的自轉(zhuǎn)、太陽相對地球約27天的自轉(zhuǎn),以及約11年的太陽活動周期都將導(dǎo)致電離層的電子總數(shù)增加或降低,引起電離層延遲誤差的變化。

    太陽耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)噴發(fā)將導(dǎo)致電離層電子數(shù)量快速變化,且這種變化產(chǎn)生的電離層延遲誤差不能利用天基增強系統(tǒng)或差分系統(tǒng)進行修正,有可能引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。

    (2)電離層閃爍

    電離層小規(guī)模的擾動可能造成衛(wèi)星導(dǎo)航信號傳播路徑的變化,引發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航信號的多路徑效應(yīng)。此時,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機將接收相位和振幅快速變化的衛(wèi)星導(dǎo)航信號,如果接收機不具有足夠的魯棒性,則可能失去對信號的鎖定。在赤道與兩極,電離層閃爍事件經(jīng)常發(fā)生,有時影響范圍較大。2003年10—11月,因太陽風(fēng)暴的影響美國廣域增強系統(tǒng)(WAAS)的服務(wù)曾中斷30小時。

    (3)軌道環(huán)境造成服務(wù)中斷或丟失衛(wèi)星信號

    當(dāng)太陽風(fēng)暴發(fā)生時(耀斑、日冕物質(zhì)噴發(fā)等),空間高能粒子密度與電離層的變化可能導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)中斷或丟失衛(wèi)星信號。一般,上述事件僅引發(fā)暫時性的服務(wù)中斷,但在極端情況下,如發(fā)生超大規(guī)模的太陽風(fēng)暴或指向地球的太陽風(fēng)暴時,可能造成多顆衛(wèi)星不能正常工作,形成大范圍的服務(wù)中斷。

    (4)多路徑效應(yīng)引發(fā)的脆弱性

    多路徑效應(yīng)是指接收機接收到經(jīng)反射的信號,而不是衛(wèi)星直接播發(fā)的信號。造成衛(wèi)星導(dǎo)航信號反射的包括建筑物、山體等。如果接收機鎖定了反射信號,將產(chǎn)生較大的定位誤差,有時甚至可達數(shù)百米,從而引發(fā)定位風(fēng)險。

    在衛(wèi)星導(dǎo)航信號被相對較遠(yuǎn)的物體(如建筑物)反射時,如果接收機錯誤地鎖定了反射信號,而不是來自衛(wèi)星的直接信號,將會造成定位精度降低。

    在衛(wèi)星導(dǎo)航信號被相距更近的物體發(fā)射時,直射信號和反射信號將融合在一起,產(chǎn)生更加難以辨別的誤差。

    多路徑效應(yīng)是普遍存在的,也是接收機研發(fā)人員和制造商非常了解的現(xiàn)象,且在接收機中采取各種措施以消除其影響。如采用多路徑反射天線、接收機濾波和處理技術(shù)等。

    3.干擾的脆弱性

    (1)無意干擾

    產(chǎn)生無意干擾的主要原因是在衛(wèi)星導(dǎo)航信號相鄰頻段工作的射頻發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的段外輻射。

    在國際電信聯(lián)盟的頻率分配中,L頻段不僅分配給了衛(wèi)星導(dǎo)航,還分配給了其他無線電業(yè)務(wù),頻率分配情況如下:

    L1頻段:移動與固定VHF通信、移動衛(wèi)星服務(wù)、超寬帶通信、電視廣播、超視距雷達,以及車輛、船舶裝備的移動電話等;

    L2頻段:雷達系統(tǒng),航空無線電導(dǎo)航服務(wù)等;

    L5頻段:航空無線電導(dǎo)航服務(wù)、軍事聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)、多功能信息分發(fā)系統(tǒng)(MIDS)等。

    同時,不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間也存在導(dǎo)航信號的相互干擾問題。

    自GPS系統(tǒng)投入運行以來,無意干擾一直是影響GPS服務(wù)的重要因素。如2001年4月至5月發(fā)生的美國加利福尼亞州Moss Landing港干擾事件、2011年發(fā)生的光平方事件等均是典型的無意干擾事件;其中Moss Landing港的干擾源為裝有前置放大器的電視接收天線;光平方事件則是試圖在地面利用分配給移動衛(wèi)星服務(wù)的頻段播發(fā)4G服務(wù)信號。

    (2)有意干擾

    有意干擾是一種主動干擾行為,其目的是阻止或阻斷使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位導(dǎo)航與授時服務(wù),主要包括阻斷、欺騙和虛假信號干擾三種形式。

    阻斷式干擾可分為阻塞式干擾和壓制式干擾。阻塞干擾以阻塞衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收的方式,使接收機無法正常接收、鎖定衛(wèi)星導(dǎo)航信號,致使其完全失效或降低其定位精度。壓制式干擾是一種具有很高效費比的干擾方法,一般在非常寬的頻帶上對幾乎所有信號進行壓制,實現(xiàn)相對簡單。其缺點包括:敵我不分,在壓制敵方信號時同樣壓制己方信號,且易于偵測,并被反輻射武器摧毀等。

    欺騙式干擾是一種以對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的了解、認(rèn)知為基礎(chǔ),使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機難以辨別真、偽信號或因甄別真?zhèn)涡盘栐斐捎嬎愕裙ぷ髁吭黾樱瑢?dǎo)致定位性能降低的干擾方式。目前,欺騙式干擾主要可分為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、虛假偽碼干擾和相關(guān)干擾等。

    轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號在空間的傳播特性,將收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行人為的延遲,再將信號發(fā)射出去。這種干擾不需要詳細(xì)了解衛(wèi)星導(dǎo)航信號的參數(shù)、偽碼結(jié)構(gòu),所以方法簡單,干擾效果明顯。

    虛假偽碼干擾依據(jù)對衛(wèi)星導(dǎo)航信號及其結(jié)構(gòu)的了解,擬合出符合衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收規(guī)范的偽碼,使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機不能識別真實信號與欺騙信號,造成衛(wèi)星導(dǎo)航接收機解算出錯誤的定位、導(dǎo)航信息。虛假偽碼干擾對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有摧毀性的干擾效果,但其實現(xiàn)的技術(shù)難度非常高。

    相關(guān)干擾可以理解為干擾方?jīng)]有掌握衛(wèi)星導(dǎo)航信號確切的偽碼結(jié)構(gòu),但掌握了一種與衛(wèi)星導(dǎo)航信號相關(guān)性較大的偽碼序列。這種干擾信號對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成有效干擾的可能性較大,且技術(shù)難度較低,實用性較好。

    此外,按干擾方的不同,國外將有意干擾劃分為違法犯罪型干擾、紅隊干擾和藍隊干擾三種類型。

    目前,違法犯罪型干擾處于不斷增長的狀態(tài),是民用導(dǎo)航信號面臨的最大威脅。其實施者大多為偷車賊、道路通行費逃避人員、躲避跟蹤系統(tǒng)的人員、逃避商業(yè)里程限制或避免公司掌握其行程的車輛駕駛?cè)藛T等。這種干擾大多是局部的、且影響時間較短,對GNSS的整體應(yīng)用影響較小。但當(dāng)某一區(qū)域同時出現(xiàn)多個上述干擾源時,有可能在短時間內(nèi)形成區(qū)域干擾網(wǎng)絡(luò),對該區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)將構(gòu)成較大影響。

    紅隊干擾(如恐怖分子)是針對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等實施的有意干擾,可在多個區(qū)域同時出現(xiàn),且功率較大,可能引發(fā)嚴(yán)重的后果,影響程度取決于接收機濾波與天線設(shè)計。

    藍隊干擾一般是已方人員為了應(yīng)對跟蹤威脅實施的有意干擾,大多功率較低,其影響與違法犯罪型干擾相似。

    不論是何種類型的干擾,當(dāng)其在國家基礎(chǔ)設(shè)施,特別是采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精確授時服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施附近長時間實施時,都將對國家基礎(chǔ)設(shè)施的安全、穩(wěn)定、高效運行產(chǎn)生不利的影響。

    隨著干擾技術(shù)與設(shè)備的擴散,干擾的威脅正在不斷增大。目前,互聯(lián)網(wǎng)上銷售的小功率低端干擾設(shè)備的價格低至不到100美元,且極易獲得。大功率干擾設(shè)備,如以SUV(越野車或城市多功能車)為平臺、發(fā)射功率100~1000W的干擾裝備,以飛機或重型卡車為平臺、發(fā)射功率10~100kW的干擾設(shè)備也呈擴散趨勢。發(fā)射功率的增加擴大了干擾的有效范圍,且由多部干擾設(shè)備組成的干擾網(wǎng)絡(luò)可進一步擴大干擾的有效范圍,提升干擾效果。

    三、國外衛(wèi)星導(dǎo)航脆弱性對策

    為緩解衛(wèi)星導(dǎo)航脆弱性對應(yīng)用的影響,國外主要采取從如下四個方面的措施。

    1.加強法律法規(guī)建設(shè),強化衛(wèi)星導(dǎo)航頻譜保護

    由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有的脆弱性,各種有意或無意干擾已經(jīng)成為國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的高效、安全、穩(wěn)定運行的嚴(yán)重威脅,甚至有可能因此導(dǎo)致社會與經(jīng)濟秩序混亂,引發(fā)嚴(yán)重的社會問題。立法保護,已經(jīng)成為緩解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性影響的重要措施。

    美國認(rèn)為,針對GPS系統(tǒng)的有意與無意干擾事件不斷增多的重要原因是處罰力度不足。例如,當(dāng)一部移動干擾設(shè)備在Newark國際機場被發(fā)現(xiàn)時,處罰僅僅是沒收干擾設(shè)備。為此,2010年美國國家PNT顧問委員會建議:美國國家定位導(dǎo)航授時執(zhí)行委員會應(yīng)當(dāng)在國會發(fā)起一項立法活動,加重對非法擁有和使用GPS干擾設(shè)備處罰,提高違法成本,甚至實施監(jiān)禁;且必須建立應(yīng)對干擾行為的快速反應(yīng)與緩解機制。

    2012年2月美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)發(fā)布強制性文件,將對生產(chǎn)、進口、銷售、使用或運行移動通信、Wifi和GPS等信號干擾設(shè)備的行為處以最高11.2萬美元的罰款。澳大利亞也已經(jīng)制訂了相關(guān)法規(guī),對生產(chǎn)、進口、銷售、使用或運行GPS干擾設(shè)備的行為可處以最高10萬美元的罰款。

    法律法規(guī)是建設(shè)與維持衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)安全應(yīng)用環(huán)境的根本依據(jù)。不論是有意干擾,還是無意干擾,既對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全應(yīng)用構(gòu)成了威脅與損害,也構(gòu)成了對社會公共利益、用戶利益的損害。這種損害將隨著干擾技術(shù)的進步與干擾設(shè)備的擴散不斷加大,甚至可能危及到國防安全、經(jīng)濟發(fā)展與生命安全。

    2.提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能與能力,緩解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性

    提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能與能力是緩解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性的重要方面。一般包含兩個方面,其一,增加衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號功率;其二,增加導(dǎo)航信號數(shù)量。

    信號功率過低是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性最重要的原因。因此,信號功率的增加可有效的緩解導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性,使其在復(fù)雜的環(huán)境背景下更易檢出、跟蹤與鎖定;同時,信號功率的增加抬高了干擾的門坎(必須增加干擾信號功率),降低了受到干擾的可能。

    使用雙頻或多頻導(dǎo)航信號不僅可以消除因電離層干擾產(chǎn)生的脆弱性;同時,也可降低單頻干擾的影響,獲得更高的可用性。

    增加信號功率與增加導(dǎo)航信號數(shù)量是GPS現(xiàn)代化計劃最重要的內(nèi)容。L1頻段軍用信號的功率已經(jīng)從最初的-163dBW增加至-154.9dBW,,未來的點波束軍用信號的功率將達到-138dBW;民用導(dǎo)航信號數(shù)量將從最初的1個(L1頻段C/A碼信號)增加至4個(C/A、L1C、L2C、L5),軍用信號從2個【2個P(Y)】增加至4個【2 個P(Y),2個M碼】。

    偽衛(wèi)星抗干擾技術(shù)也是美國軍方緩解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性的重要選擇。2010年,DARPA曾啟動了一項名為GPX的偽衛(wèi)星導(dǎo)航計劃,計劃采用4顆部署在地面或無人機上的偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)增強的GPS信號,在戰(zhàn)場上空構(gòu)成一個由偽衛(wèi)星組成的“GPS星座”,即“機載偽衛(wèi)星”計劃。

    美國空軍正在進行基于偽衛(wèi)星技術(shù)的LocataNET高精度陸基定位導(dǎo)航系統(tǒng)的測試,目前第一期測試已經(jīng)完成,定位精度達到厘米級,且授時與時間同步精度達到納秒級。該系統(tǒng)既可與GPS系統(tǒng)協(xié)同工作,又可完全獨立運行,提供高精度的定位導(dǎo)航授時服務(wù)。

    3.發(fā)展抗干擾技術(shù),提升用戶設(shè)備抗干擾能力

    自衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)以來,抗干擾技術(shù)一直是衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備發(fā)展的重要領(lǐng)域,發(fā)展了包括極化調(diào)零、頻域濾波、時域濾波、時頻域濾波、軸向調(diào)零、自適應(yīng)天線、組合導(dǎo)航(如衛(wèi)星導(dǎo)航+慣性導(dǎo)航)等抗干擾技術(shù)。目前,基于軟件的無線電抗干擾技術(shù)、聯(lián)合域抗干擾技術(shù)和抗干擾系統(tǒng)小型化已經(jīng)成為未來衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備抗干擾技術(shù)發(fā)展的重要方向。

    美國的先進軍事裝備大多采用組合抗干擾技術(shù),即采用抗干擾技術(shù)的GPS+慣性導(dǎo)航或其他自主導(dǎo)航技術(shù),使美國先進軍事導(dǎo)航裝備的抗干擾能力達到了50dB。如戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈、F-14、F-15、F-18、F-22戰(zhàn)斗機、改進型聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)等均采用自適應(yīng)抗干擾技術(shù)的GPS接收機+自主導(dǎo)航(如慣性導(dǎo)航、地形或景像匹配等)抗干擾技術(shù)。

    此外,以DARPA為首的美國先進軍事技術(shù)研發(fā)機構(gòu)正在發(fā)展微PNT技術(shù)、全源導(dǎo)航技術(shù)等旨在彌補衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的能力缺口或不足,確保在無法使用GPS的條件下仍可提供滿足需求的定位導(dǎo)航授時能力。

    4.發(fā)展干擾探測、定位技術(shù),維護衛(wèi)星導(dǎo)航安全應(yīng)用環(huán)境

    干擾源的探測、定位既是實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航安全應(yīng)用環(huán)境建設(shè)有法必依的重要保障,也是維持衛(wèi)星導(dǎo)航安全應(yīng)用環(huán)境的重要技術(shù)基礎(chǔ)。美國莫斯蘭?。∕oss Landing)港與紐約國際機場的GPS干擾事件的干擾源探測、定位花費了數(shù)十天的時間,顯然這樣的探測、定位速度不能滿足緩解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性影響的要求。

    美國國家定位導(dǎo)航與授時委員會認(rèn)為:從技術(shù)角度而言,干擾源的探測、快速定位并不需要非常高深的技術(shù),而且不需要高昂的投入,關(guān)鍵問題是采取行動——部署干擾探測與快速定位系統(tǒng)。例如,擴展現(xiàn)有的蜂窩通信系統(tǒng)發(fā)射塔授時型衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的功能,即可快速地識別與報告衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾,甚至包括干擾信號的特征、特性等參數(shù),且投入不高。此外,利用移動干擾源大多為車載系統(tǒng)的特征,通過在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的各監(jiān)控站點部署干擾監(jiān)測系統(tǒng),輔之以各收費站原有的視頻采集系統(tǒng),即可實現(xiàn)干擾告警,又可實現(xiàn)干擾源的跟蹤,從而提升高速公路系統(tǒng)干擾探測、定位能力。

    2014年8月,美國Exelis公司與Chronos公司成功地完成了一款名為“信號哨兵1000”的干擾識別與定位系統(tǒng)的測試。該系統(tǒng)可在16km的范圍內(nèi)對安裝在移動車輛上的干擾源進行識別與定位。研發(fā)更加快速、準(zhǔn)確地干擾源探測、定位技術(shù)是重要的,有助于更好地緩解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性引發(fā)的相關(guān)問題,對于保證國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施高效、安全、穩(wěn)定的運行,保證衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的安全具有重要意義。

    四、結(jié)束語

    隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的發(fā)展與對衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)依賴性的不斷增強,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱評估的重點已經(jīng)從對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性的了解與認(rèn)知,轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾尉徑庑l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性,減輕、降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性的影響,以保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用安全。

    參考文獻

    [1]The Royal Academy of Engineering. Global Navigation Space Systems: reliance and vulnerabilities. ISBN 1-903496-62-4. www. raeng.org.uk/gnss. March 2011.

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    [3]DOT Office of the Assistant Secretary for Research and Technology. GPS ADJACENT-BAND COMPATIBILITY ASSESSMENT PLAN. www.DOT.gov. December 2012.

    [4]National Protection and Programs Directorate Department of Homeland Security. National Risk Estimate: Risks to U.S. Critical Infrastructure from Global Positioning System Disruptions. www.dhs.gov/ criticalinfrastructure, June 2013.

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