銀河號會不會被關閉艦載GPS系統?_風聞
太空精酿-航天学博士-2020-11-02 18:08
銀河號與GPS關閉這個故事確實被用的非常多,尤其是各類大型媒體,也是北斗重要科普材料之一(我以前也用過 )。不過後來認真研究了一下,這事兒不太可能是真的:
1.時間問題
GPS的研究歷史非常久遠了,幾乎伴隨着人類航天史的起步,在斯普特尼克一號發射後就開始。但真正意義上的GPS系統開始於1978年,首顆Block I衞星發射,直到如今的Block III系列,前後經歷了十幾個版本的衞星。
依賴GPS導航的成熟版本戰斧式巡航導彈是“外科手術式打擊”的著名武器之一(圖自:Wikipedia)
1990-1991年的海灣戰爭,帶來了各種高精度炸彈和各種帶來的新軍事名詞,如斬首行動、外科手術攻擊等高精度作戰,尤其是類似兩發導彈炸水壩等效費比極高的戰果,讓人震撼無比。這場戰爭也是GPS大放異彩的時候,廣泛用在了美軍從單兵到裝備上,所以GPS用於高精度導航定位的價值,就火起來了。
而早在1983年大韓航空007號班機空難事件,就讓GPS民用化納上日程。當時這架飛機從阿拉斯加飛漢城,由於導航問題誤入俄羅斯領空,蘇聯戰鬥機升空,由於溝通不暢,被陸地高射炮發射炮彈和戰鬥機多次警告無果後,最終被戰機當作偵察機擊落,全機269人死亡。悲劇的是,這的確是一次失誤,因為查詢航班與地面溝通記錄時,機長還一直認為自己飛在正常航線上。這次事件發生後,“星球大戰計劃”發起者里根政府就宣佈GPS建成後將會開放民用,避免此類事件發射。
銀河號事件發生在1993年7月,所以很容易讓人認為應該能用上GPS的。
GPS理論上24顆即可完全工作,但實際上一直保持32顆,提供更好服務且互為備份
然而實際上,GPS系統在1993年才發射了第24顆運營衞星,打到系統滿狀態;1995年,美國空軍(GPS擁有者)才確認進入100%運營狀態;1996年,克林頓政府才正式開放民用使用。
因而,在1993年,作為一個完全民用、且是中國籍的銀河號貨船,不太可能獲得民用GPS接收機。而且,直到今天船隻也不會只依賴GPS或一個系統定位啊,傳統的天文導航、慣性導航之類的,一般還會帶着。利用各種“傳統”航海儀啥的,也是船長的基本功了。
但把銀河號和GPS連接在一起,且在各種大型媒體加持下,這個故事傳播甚遠,也足以體現出GPS對當時的中國人的震撼。
2.如何關閉艦載GPS系統
順帶再做一些科普,如果銀河號帶了民用接收機,美軍該如何關閉它的GPS系統?
方案一:關掉GPS接收機
GPS接收機定位原理是無源定位,不需要跟任何第二方、甚至第三方雙向交流,它唯一要做的就是接收GPS衞星的發射數據,然後自我解算定位即可。原理類似收音機接收電台,電台只管發,不在乎到底哪些、有多少收音機在聽。這也是為什麼,GPS/導航衞星系統的用户數量,是無限的。
用户只需接收到四顆衞星信號,即可精確確定自身位置和時間(圖自:doi:10.9790/0661-1733344)
因此,美軍不可能直接關閉對方的GPS接收機,除非帶後門、能通信控制的那種。。。
方案二:關掉指定地區的GPS服務
這個方案是可行的,畢竟GPS衞星在美軍手中,在信號上加干擾和選擇可用性,都是曾經民用初期階段的做法,後來出於擠壓俄羅斯GLONASS系統民用空間的目的,給去掉了,當然可以隨便加回去。關掉衞星也當然沒問題。
這也是媒體演繹最廣的版本:銀河號的海域被關了,衞星飛到上空後就不發信號,船沒法定位。
去除主動干擾後,GPS系統定位精度大大提高(圖自:schlaggo.de)
此外,GPS衞星的軌道週期是恰好半天時間(地球自轉的一天23時56分,不是平太陽時的24小時),所以你如果在每天固定的時間在固定的地方開啓定位,看到的GPS衞星也基本是一樣的。因而,隨便設置下程序,讓某些GPS衞星在固定時間降低服務質量甚至完全關閉,就可以實現對區域服務的限制。舉個例子,最近幾個月GPS一批新衞星在做信號發射功率調試,很正常的行為,我們都可以從信號中看出來不少星載接收機(我們是做低軌衞星精密定軌的)受到了較大影響。
但這個方案沒有太大價值,尤其是針對銀河號這種“小角色”,因為關閉區域服務後,最大的負面影響是美國本身。首先這會影響區域內其他非敵對用户的服務,太影響GPS民用市場和信譽了,會把用户送給格洛納斯、北斗、伽利略啥的;其次,大量的美軍、美方民用單位,也在使用GPS,即便軍用的不會受太大影響,但也會極大影響民用的美方單位;再次,GPS軌道非常高,20000餘千米,如果關掉或加干擾,影響的範圍實在太大了,很難做到小的局部干擾。
方案三:加干擾
這個方案性價比非常高,因為干擾GPS太簡單了,主要有兩種方法:
1.壓制式干擾
GPS衞星的信號發射功率其實並不高,經典的Block II各類衞星發射裝置功率大概才幾十瓦,要知道這些衞星可是飛在2萬千米高啊,相當於你從北京看阿根廷城市裏亮起來的一盞燈泡而已,眼睛得多尖才行?
GPS信號發射到地面時強度僅為-160dbw,或者-130dbm附近,這個信號太弱了,比無線廣播電視天線的信號(-60dbm左右,相差千萬倍)都要弱很多。因此,GPS接收機往往特別靈敏,就好比你在黑夜中睜大眼睛看弱光,開點強光就亮瞎了。。。
因此,來點較強信號使勁壓制即可,窄帶瞄準式、寬帶掃描阻塞式,總有一種方式壓制住你的接收機不能工作。
2.欺騙式干擾
壓制式畢竟還需要一個功率大的發射機,且信號壓制能力隨着距離減弱。那麼,既然GPS是我家的,我很清楚它的信號是怎麼編出來的,也知道它是怎麼被接收到的,到地面時應該是個什麼情況,芯片也是我家造的,那我為什麼不用假信號?或者是我把接收到的真實衞星信號,加上干擾,再重新轉發給要干擾的目標(轉發欺騙)。
由於我離被幹擾目標非常近(總比20000千米近多了吧),一個極小的干擾器就可以覆蓋非常大的範圍,且效果極好,可以完全欺騙掉目標定位能力。
腦補下,如果是已經出發的武器,只依賴GPS用來定位,用的都是欺騙的虛假衞星信號,這得飛出什麼軌跡來?
美軍進行過的一次大型GPS系統干擾測試,看這影響範圍有多大(圖源:miamiherald)
之前聽過一場講座,是一個70多歲、GPS初創大佬之一講的,在介紹GPS干擾時,從口袋裏拿出一個打火機一樣大小的盒子,説把它用氣球隨便放出去,就足以保證對一箇中型城市的GPS接收機干擾壓制。
所以,如果對銀河號進行定位壓制,根本不需要黑掉它接收機、關閉區域GPS服務,只需要隨便干擾下即可。例如,一支筆一樣的干擾器,或許就能覆蓋整個海域。這種GPS干擾能力,顯然也是美軍大型裝備基本功了。
也正因如此,新一代GPS衞星,尤其是Block III系列,經過近20年研發,雖然各種性能看起來跟之前差不太多,但最重要的提高就是抗干擾能力,讓GPS系統再上一步。
最終,還一個問題,假如你的船都已經被軍艦逼停無法動彈了,對方還有必要讓你無法導航麼?所以打鐵還需自身硬,讓別人不敢輕易侵犯你家的船,才是重點