美國(guó)GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展分析

楊寧虎 劉春保 楊哲 （ 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室， 北京空間科技信息研究所， 中國(guó)空間技術(shù)研究院）

1 概述

1997年，美軍正式提出“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念，并將其定義為：阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息，保證己方和盟友部隊(duì)可以有效地利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息，同時(shí)不影響戰(zhàn)區(qū)以外區(qū)域和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。美軍還確立了導(dǎo)航戰(zhàn)的作戰(zhàn)目標(biāo)，即：“在戰(zhàn)場(chǎng)上取得導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)；確保GPS系統(tǒng)正常運(yùn)行，使美軍和盟軍不受干擾地使用該系統(tǒng)；阻止敵軍在戰(zhàn)場(chǎng)上使用GPS系統(tǒng)，并使敵方的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能正常工作或不能正常使用其服務(wù)”。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)分類與主要作用

按功能與作用的不同，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)可以分為：①在地面運(yùn)行控制系統(tǒng)受損條件下保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常運(yùn)行的自主導(dǎo)航技術(shù)，如星間鏈路技術(shù)、星間測(cè)距技術(shù)、星歷與導(dǎo)航電文自主生成技術(shù)等；②拒絕、阻止敵方使用己方衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的拒止技術(shù)，如星上信號(hào)功率可調(diào)、關(guān)閉民用信號(hào)等技術(shù)；③干擾條件下增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)能力的功率增強(qiáng)技術(shù)，如點(diǎn)波束增強(qiáng)技術(shù)、高功率放大器與天線技術(shù)；④用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)重構(gòu)的在軌可重新編程與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)；⑤保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)空間安全與信息安全的技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證技術(shù)等。

目前，全部導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)均由美國(guó)率先提出、研發(fā)和投入使用，俄羅斯與歐洲均處于跟隨發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

自主導(dǎo)航技術(shù)

自主導(dǎo)航是指在失去地面測(cè)控和運(yùn)控支持的前提下，衛(wèi)星星座或構(gòu)成星座的衛(wèi)星通過(guò)自身的測(cè)量獲得信息，利用自主導(dǎo)航算法實(shí)現(xiàn)星座自主運(yùn)行。

自主導(dǎo)航技術(shù)是最早應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)，其主要作用是在地面運(yùn)行控制系統(tǒng)受損，不能為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座提供正常的測(cè)控與數(shù)據(jù)更新服務(wù)時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座具有自主地完成星座維持與星歷更新，且在一定時(shí)間范圍內(nèi)提供滿足要求的定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的能力。

GPS系統(tǒng)空間星座全部由具有自主導(dǎo)航功能的衛(wèi)星（包括GPS－2R、2RM和2F三個(gè)型號(hào)的衛(wèi)星）組成，已全面具備自主導(dǎo)航能力。目前，俄羅斯與歐洲已經(jīng)啟動(dòng)了自主導(dǎo)航技術(shù)的研究，預(yù)計(jì)“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)和“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)將于2030年前全面具備自主導(dǎo)航能力。

導(dǎo)航拒止技術(shù)

導(dǎo)航拒止技術(shù)是用于阻止敵方使用己方衛(wèi)星導(dǎo)航能力的技術(shù)，是擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家限制、阻止他方使用自己的衛(wèi)星導(dǎo)航能力的關(guān)鍵技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是典型的軍民兩用系統(tǒng)，且民用信號(hào)完全開放，任何國(guó)家、組織或個(gè)人均可接收并免費(fèi)使用。美國(guó)軍方規(guī)定：美國(guó)軍用衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備應(yīng)能兼容包括天基增強(qiáng)系統(tǒng)在內(nèi)的所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以增強(qiáng)美軍衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的精度、可用性與穩(wěn)健性等。

為阻止敵方使用GPS系統(tǒng)，美國(guó)軍方研發(fā)了用于拒絕、阻止敵方使用GPS系統(tǒng)服務(wù)的技術(shù)——星上信號(hào)功率可調(diào)技術(shù)，通過(guò)降低交戰(zhàn)區(qū)域GPS系統(tǒng)民用信號(hào)的功率，使得敵方無(wú)法使用GPS系統(tǒng)民用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方的拒止功能。截至2017年12月，GPS星座中已經(jīng)擁有12顆具備拒止功能的GPS－2F衛(wèi)星。

在灌區(qū)建設(shè)過(guò)程中，總承包單位作為責(zé)任主體，應(yīng)該具有很強(qiáng)的責(zé)任意識(shí)，保證灌區(qū)建設(shè)的質(zhì)量和工程進(jìn)度。同時(shí)，要減少一些強(qiáng)勢(shì)部門對(duì)灌區(qū)建設(shè)的干擾，保障灌區(qū)建設(shè)順利進(jìn)行。

功率增強(qiáng)技術(shù)

功率增強(qiáng)是通過(guò)增加衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)的播發(fā)功率，對(duì)抗敵方干擾，從而提供更加穩(wěn)健的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)能力的技術(shù)。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)功率很低（一般在－160～－155dBW之間），因此極易受到干擾。增加衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的功率可有效提升干擾背景下捕獲與跟蹤衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的能力，從而增強(qiáng)干擾環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)的能力。

從目前的發(fā)展情況看，美國(guó)發(fā)展了兩種旨在提高GPS系統(tǒng)軍用信號(hào)導(dǎo)航功率的技術(shù)，其一為星上信號(hào)功率可調(diào)技術(shù)，即在降低民用信號(hào)功率，實(shí)現(xiàn)拒止的同時(shí)，將軍用信號(hào)的功率增加7dB，該技術(shù)已經(jīng)裝備了12顆GPS－2F衛(wèi)星；其二為點(diǎn)波束增強(qiáng)技術(shù)，即利用點(diǎn)波束天線播發(fā)僅覆蓋局部（點(diǎn)）區(qū)域的功率增強(qiáng)信號(hào)，軍用M碼導(dǎo)航信號(hào)的功率可增加20dB，從而使抗干擾能力大大增強(qiáng)。目前，美國(guó)正在研發(fā)點(diǎn)波束抗干擾技術(shù)，計(jì)劃裝備GPS－3C衛(wèi)星。

在軌可重新編程與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)

在軌可重新編程與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)是正在研發(fā)的導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)，其目標(biāo)是利用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的重構(gòu)，從而在導(dǎo)航信號(hào)受到干擾不能正常使用的條件下，以新信號(hào)、新波形等方式提供新導(dǎo)航能力與服務(wù)。

美國(guó)計(jì)劃在GPS－3B衛(wèi)星上利用軟件無(wú)線電技術(shù)開展在軌可重新編程與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)的演示驗(yàn)證，項(xiàng)目的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審階段。同時(shí)，為進(jìn)一步保證該技術(shù)或功能的可行性，美國(guó)空軍在新一代的導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星－3（NTS－3）項(xiàng)目中將進(jìn)行“在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)”（ORDWG）的空間飛行演示驗(yàn)證，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)中心頻率與信號(hào)波形的調(diào)整，從而增強(qiáng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力。

網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證技術(shù)

就衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域而言，網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證技術(shù)旨在通過(guò)增強(qiáng)機(jī)密性、完整性、可用性和時(shí)空相關(guān)性等，保證美國(guó)GPS系統(tǒng)空間段與運(yùn)行控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全，增強(qiáng)GPS系統(tǒng)對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)攻擊、保證信息安全的能力。

3 GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)是提升、增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)或?qū)弓h(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)能力最重要的手段之一，在一定程度上代表著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的先進(jìn)程度與服務(wù)的可用性與穩(wěn)健性。因此，導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)與能力已經(jīng)成為擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與能力的國(guó)家和地區(qū)爭(zhēng)相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

GPS系統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)

GPS系統(tǒng)發(fā)展之初，美國(guó)敏銳地認(rèn)識(shí)到：戰(zhàn)時(shí)，全球部署的GPS系統(tǒng)運(yùn)行控制段極易受到敵方的干擾與攻擊，導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能提供滿足軍事作戰(zhàn)要求的服務(wù)。1985年初，美國(guó)空軍航天系統(tǒng)部委托國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）進(jìn)行了一項(xiàng)深入開發(fā)自主導(dǎo)航系統(tǒng)算法的研究。1987年5月．空軍航天系統(tǒng)部發(fā)出了有效載荷的招標(biāo)合同，正式提出自主導(dǎo)航功能要求。在目前的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中，GPS－2R和2F衛(wèi)星采用了自主導(dǎo)航技術(shù)。GPS－2R自主導(dǎo)航系統(tǒng)有3大設(shè)計(jì)特色：每顆GPS衛(wèi)星均有計(jì)算能力，具有特高頻（UHF）星間鏈路測(cè)量和通信系統(tǒng)。通過(guò)采用自主導(dǎo)航技術(shù)，GPS－2R衛(wèi)星的生存能力大大提高，主要表現(xiàn)在：能從比較嚴(yán)重的核打擊中恢復(fù)工作；通過(guò)部件設(shè)計(jì)和采取冗余手段提高了可靠性；在沒(méi)有地面測(cè)控支持的條件下播發(fā)180天的GPS衛(wèi)星位置和時(shí)鐘數(shù)據(jù)，用戶測(cè)距誤差可達(dá)6m。GPS－2F衛(wèi)星能通過(guò)星間鏈路收發(fā)指令及遙測(cè)數(shù)據(jù)。GPS－3于2001年開始實(shí)質(zhì)性的研制，計(jì)劃于2018年首次發(fā)射。GPS－3系統(tǒng)將采用新的高速上行/下行鏈路和星間鏈路通信結(jié)構(gòu)，這將使GPS－3衛(wèi)星運(yùn)行發(fā)生變革。GPS－3衛(wèi)星至少有3點(diǎn)不同于以前的型號(hào)：高速遙測(cè)、跟蹤和指令上行鏈路和下行鏈路；高速、定向星間鏈路；完好性功能。

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航拒止技術(shù)

導(dǎo)航拒止技術(shù)是導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。美軍認(rèn)為，在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)滲透到幾乎所有領(lǐng)域的前提下，導(dǎo)航拒止技術(shù)也許是比導(dǎo)航增強(qiáng)、抗干擾技術(shù)更重要的導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)。特別是在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（如通信與網(wǎng)絡(luò)、金融證券、交通運(yùn)輸、電力網(wǎng)絡(luò)等）越來(lái)越多地依賴衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)保證高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的今天，對(duì)美國(guó)而言，阻止、拒絕敵方使用GPS系統(tǒng)已經(jīng)成為美國(guó)對(duì)敵方實(shí)施綜合打擊、破壞或制約敵方戰(zhàn)爭(zhēng)潛力的重要打擊手段。

GPS－2F衛(wèi)星采用的星上信號(hào)功率可調(diào)技術(shù)，通過(guò)降低GPS系統(tǒng)民用信號(hào)的播發(fā)功率，提高軍用信號(hào)播發(fā)功率，一方面實(shí)現(xiàn)GPS軍用信號(hào)的增強(qiáng)，提升抗干擾能力；另一方面同使相關(guān)區(qū)域內(nèi)的民用GPS接收設(shè)備無(wú)法跟蹤、鎖定GPS民用信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方使用GPS服務(wù)的拒止。未來(lái)，GPS－3衛(wèi)星將全部擁有該能力，預(yù)計(jì)到2025年左右GPS系統(tǒng)將全面擁有導(dǎo)航拒止能力。

從目前的發(fā)展看，尚無(wú)消息證明歐洲與俄羅斯開展了導(dǎo)航拒止技術(shù)的研發(fā)。因此，至2025年左右，將只有美國(guó)GPS系統(tǒng)擁有拒絕與阻止敵方使用GPS系統(tǒng)的能力。

GPS系統(tǒng)功率增強(qiáng)技術(shù)

功率增強(qiáng)是提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)抗干擾能力的重要手段之一。美國(guó)已經(jīng)和正在發(fā)展的功率增強(qiáng)技術(shù)包括星上信號(hào)功率可調(diào)技術(shù)和點(diǎn)波束增強(qiáng)技術(shù)兩種技術(shù)途徑。

從星上信號(hào)功率可調(diào)技術(shù)的角度分析看，該技術(shù)利用星上控制系統(tǒng)與相關(guān)的星上功率管理程序?qū)崿F(xiàn)，不需要增加有效載荷硬件，不增加對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)、電源系統(tǒng)等的要求，不會(huì)導(dǎo)致星上電源功率、有效載荷和衛(wèi)星質(zhì)量的增加，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度較小。但星座信號(hào)功率可調(diào)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的信號(hào)功率增加幅度有限，如美國(guó)GPS－2F衛(wèi)星利用星上信號(hào)功率可調(diào)技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)軍用導(dǎo)航信號(hào)7dB的增加。

相對(duì)于星上功率可調(diào)技術(shù)，點(diǎn)波束技術(shù)功率增強(qiáng)幅度大，可有效地提高干擾環(huán)境下導(dǎo)航接收設(shè)備鎖定、跟蹤導(dǎo)航信號(hào)的能力。如美國(guó)正在發(fā)展、計(jì)劃用于GPS－3C衛(wèi)星的點(diǎn)波束增強(qiáng)技術(shù)，可在點(diǎn)波束的覆蓋區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)軍用信號(hào)功率增強(qiáng)20dB。但是，點(diǎn)波束增強(qiáng)技術(shù)需要專用有效載荷的支持，如點(diǎn)波束天線、展開與指向控制機(jī)構(gòu)、功率放大器、控制電路等，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和供電要求高，將導(dǎo)致衛(wèi)星質(zhì)量、體積、成本和功耗的明顯增加。整體而言，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度更大。

美國(guó)空軍在2015年啟動(dòng)的導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星－3項(xiàng)目中，安排了兩項(xiàng)與功率增強(qiáng)直接相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目，分別為氮化鎵高效放大器技術(shù)和用于實(shí)現(xiàn)高增益區(qū)域增強(qiáng)的先進(jìn)天線技術(shù)。由此表明，功率增強(qiáng)仍是美國(guó)空軍增強(qiáng)GPS系統(tǒng)抗干擾能力的重要技術(shù)途徑。

在軌可重新編程與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)

軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)在軌可重新編程與信號(hào)重構(gòu)提供了可能。

美國(guó)空軍在導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星－3項(xiàng)目中，將“在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)”的優(yōu)先級(jí)列為最高。在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)在功能上是一種類似于軟件無(wú)線電、利用硬件加以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)波形、中心頻率等多種參數(shù)的調(diào)整，可在GPS系統(tǒng)受到干擾時(shí)，調(diào)整或改變GPS系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)的參數(shù)，從而提升或增強(qiáng)抗干擾能力。

從導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星－3項(xiàng)目開展的先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證情況看，美國(guó)空軍將在軌可重新編程與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)視為功率增強(qiáng)技術(shù)之后提升GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的重要途徑與技術(shù)發(fā)展方向，希望通過(guò)硬件技術(shù)與軟件無(wú)線電技術(shù)的集成，解決軟件無(wú)線電技術(shù)誤碼率過(guò)高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的提升。

網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證技術(shù)

美國(guó)空軍認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)攻擊將成為未來(lái)GPS系統(tǒng)面臨的重要威脅之一，因此GPS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證已經(jīng)成為美國(guó)必須解決的問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證是美國(guó)新一代“運(yùn)行控制系統(tǒng)”（OCX）具備的重要核心能力。美國(guó)空軍為GPS新一代“運(yùn)行控制系統(tǒng)”設(shè)計(jì)了多層防護(hù)的安全結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)由內(nèi)部威脅、物理威脅、網(wǎng)絡(luò)威脅與供應(yīng)鏈威脅構(gòu)成的安全威脅。

從“運(yùn)行控制系統(tǒng)”的發(fā)展情況看，美國(guó)空軍與該系統(tǒng)的主承包商雷聲公司均表示，系統(tǒng)研發(fā)拖延的主要原因分為兩個(gè)方面，一是主要與網(wǎng)絡(luò)安全和信息保證有關(guān)的“運(yùn)行控制系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)更改；二是低估了系統(tǒng)軟件開放的難度與工作量。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)安全和信息保證研發(fā)的技術(shù)難度很高，應(yīng)從“運(yùn)行控制系統(tǒng)”設(shè)計(jì)初始階段就深度集成網(wǎng)絡(luò)安全和信息保證技術(shù)和系統(tǒng)，從而降低復(fù)雜程度和開發(fā)工作量。

按當(dāng)前的計(jì)劃，2017年底前OCX Block 0將完成交付，以支持2018年GPS－3衛(wèi)星的首次發(fā)射。2020年將完成COX Block 1和Block 2的交付，使運(yùn)行控制系統(tǒng)具備全面支持GPS－3A衛(wèi)星和M碼軍用信號(hào)、星上信號(hào)功率可調(diào)等功能的運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然GPS系統(tǒng)一直處于全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域主導(dǎo)與領(lǐng)先地位，但美國(guó)仍在不斷提升GPS系統(tǒng)的服務(wù)性能與導(dǎo)航戰(zhàn)能力，且圍繞增強(qiáng)GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力開展了大量的研發(fā)與創(chuàng)新活動(dòng)。計(jì)劃于2020年發(fā)射的導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星－3項(xiàng)目即以導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)為核心，規(guī)劃了多個(gè)先進(jìn)技術(shù)的演示驗(yàn)證項(xiàng)目。如此，既保證了GPS系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，又保持了GPS系統(tǒng)在導(dǎo)航戰(zhàn)能力方面的不對(duì)稱優(yōu)勢(shì)，對(duì)于保持美國(guó)的全球霸主地位起著重要的作用。

從未來(lái)需求的角度看，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力將成為軍事定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)能力的重要支撐，是對(duì)抗條件下衛(wèi)星導(dǎo)航能力安全可靠、穩(wěn)健可用的基本保障。與GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力相比，我國(guó)“北斗”系統(tǒng)尚存在較大差距。因此，應(yīng)對(duì)“北斗”系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)的研發(fā)與能力的提升給予充分的重視，使“北斗”系統(tǒng)安全、可靠地服務(wù)于國(guó)家發(fā)展和安全。