GPS區域性關閉信號的可能性分析與抗干擾對策_風聞

概述：通過這篇論文可以瞭解GPS系統的制導原理，以及如果GPS信號出現了干擾影響能力到底如何。從基本原理上，也否定了與“銀河號危機”以及“台海危機”中對於GPS相關傳聞的錯誤描述。

導航定位學報 公眾號：測繪學術資訊

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引文格式：任思衡，姜晶莉，尚國強，等.GPS區域性關閉信號的可能性分析與抗干擾對策[J]. 導航定位學報,2021, 9（1）: 5-9.（REN Siheng, JIANG Jingli, SHANG Guoqiang, et al. Possibility analysis and anti-jamming countermeasures on regional shutdown of GPS signals[J]. Journal of Navigation and Positioning,2021,9（1）: 5-9.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20210102.

GPS區域性關閉信號的可能性分析與抗干擾對策

任思衡，姜晶莉，尚國強，楊娜，李春燕，李倩，孟瑤

（航天工程大學 士官學校，北京 102249）摘要：為了探究“銀河號”事件導航失靈的真實原因，更好地提升全球衞星導航系統的導航對抗性能，分析探討全球定位系統（GPS）信號區域性關閉的可能性：以區域性導航戰為背景，從基本原理及效益比的角度證偽GPS區域性關閉信號的可能性；分析以電磁干擾作為導航戰攻擊手段的優勢；論證建立北斗衞星導航系統的重要意義；最後給出提升衞星導航系統抗干擾性的對策。關鍵詞：衞星導航；全球定位系統；導航戰；抗干擾；“銀河號”事件

0 引言導航技術對於人類的生存與發展具有十分重要的意義。從中國古代的“指南車”“司南”，到西方近代的“十字測角器”“航海六分儀”，導航技術的進步拓展了人類的生存空間，為人們的生產和生活帶來了便利。隨着時代的發展，傳統的導航技術在一定程度上顯現出可靠性差、使用場合受限、定位精度低、操作複雜等缺陷，已經不能滿足現代社會對導航定位的需求[1]。

20世紀50年代末，人類開始研究以人造衞星作為無線電導航信號台的全球衞星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）[2]。歷經半個多世紀的探索和研究，衞星導航相關技術取得了長足的進步。目前，GNSS因具有定位精度高、定位時間短、無累積誤差、導航要素齊全、終端成本低廉、全天時全天候工作等優勢，已經成為現代社會最重要的導航手段之一，在各國的國防建設和經濟社會發展中具有非常重要的意義[3]。迄今為止，美國的全球定位系統（global positioning system, GPS）、中國的北斗衞星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）、俄羅斯的格洛納斯衞星導航系統 （global navigation satellite system, GLONASS）及歐盟的伽利略衞星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）是世界上應用最為廣泛的“四大衞星導航系統”[4]。

自衞星導航技術廣泛應用以來，GNSS的應用與對抗一直是衞星導航領域研究的熱點問題。現有的研究在提高導航系統穩定性、提升導航定位精度、增強信號抗干擾性等方面進行了深入探討，但有關區域性導航戰（navigation warfare,NAVWAR）相關策略的研究還比較少。而在軍事導航領域，有關導航戰背景下“衞星導航系統可能被區域性關閉”的問題受到關注，其中以“銀河號”事件為背景的所謂“GPS被區域性關閉事件”影響最為廣泛。

本文從基本原理及效益比的角度，論證通過關閉部分導航衞星的方式，阻斷特定區域GPS服務是不可行的，判斷有關“銀河號”GPS信號被區域性關閉的説法是不真實的，分析以電磁干擾作為導航戰攻擊手段的優勢，並探討提升GNSS抗干擾性能的對策。

1 “銀河號”事件簡介

1993年7月23日，在公海發生了震驚中外的“銀河號”事件。“銀河號”是隸屬於中國遠洋運輸總公司的集裝箱貨輪，事發時已從天津新港出發，預計前往迪拜、達曼和科威特等國家和地區進行小商品和染料貿易。在“銀河號”行駛到阿曼灣海域時，突然遭到美軍直升機和軍艦襲擾，稱其“裝載了用於製造化學武器的原料”，並公然違反國際法和相關國際準則，強行要求“銀河號”接受檢查。

8月2日晚，“銀河號”被迫在霍爾木茲海峽以東拋錨停船，並在極度缺少食品、淡水、藥品和燃料的情況下堅持到8月24日。最終，“銀河號”在國際檢查團的聯合檢查下證明了自己的清白[5-6]。

時至今日，在各類報道和熱門書籍中，有關“美軍通過關閉部分GPS衞星信號的方式，阻斷了‘銀河號’所在區域的GPS民用服務，導致‘銀河號’被迫停船”的言論廣為流傳[7]。不僅如此，在一些學術研究中，認為美軍可以通過關閉特定區域的GPS民用信號阻止敵方使用GPS服務的觀點依然存在，並有學者據此提出了相應的抗干擾對策[8]。

2區域性關閉信號的原理與影響

從技術的角度，通過關閉部分GPS衞星信號的方式阻斷特定區域的GPS服務並不難實現，但其帶來的影響值得分析討論。

2.1 區域性關閉信號的基本原理

要評估GPS區域性關閉帶來的影響，可以從GNSS導航定位的基本原理進行分析。GNSS定位的基本原理是用户接收機根據接收到的衞星導航信號，確定衞星與用户接收機之間的距離，從而進一步解算出用户接收機的空間位置，即“三球交匯定位原理”。具體公式為

式中：c為信號傳播速度即光速3×108 m/s；T2和T1分別為導航信號被接收的時刻和導航信號播發的時刻。根據式（1）和式（2），由於衞星在固定的軌道上運行，參考導航信號中的衞星星曆等信息可以很容易確定信號播發時刻衞星的座標，而T2和T1均為可觀測量，所以要求解用户接收機的座標，需聯立3個方程，即需要接收機同時接收3顆衞星的導航信號。但在實際中，衞星的時鐘為高精度的原子鐘，而用户接收機受到成本和體積等因素的限制，其時鐘一般採用低精度的晶振材料，導致衞星與接收機存在鐘差Δt。由於信號傳播速度為光速，衞星與接收機間1 ms的鐘差將導致300000 m的距離誤差，如不考慮鐘差將導致定位結果不可用。因此，在式（2）基礎上增加了變量鐘差，並考慮了信號通過電離層和對流層所產生的誤差，即

其定位原理如圖1所示。

圖1 GNSS定位原理

當GNSS用户接收機同時接收4顆衞星的導航信號時，即可完成1次定位[9-10]。在沒有基準站的航海導航過程中，“銀河號”貨輪就是通過這種方式完成定位和導航的。而要想通過關閉部分衞星導航信號阻斷特定區域的衞星導航服務，就要讓該區域內接收機可接收到的導航衞星數量小於4顆[11]。

2.2 區域性關閉信號的影響

**由於GNSS的信號通常為廣播式信號，無法具體控制導航信號的傳播方向。**以GPS為例，其衞星軌道高度為20180 km，信號範圍約28°，對應的地球圓心角約152°，導航信號在地面的覆蓋範圍十分廣泛[12]。

通過國際GNSS服務組織（International GNSS Service, IGS）提供的精密星曆，可以對關閉部分衞星導航信號、阻斷目標區域的衞星導航服務的情況進行仿真模擬。文獻[13]以GPS星座為例，通過IGS精密星曆仿真模擬關閉部分衞星導航信號，使在目標區域的可見衞星數目為3顆，實現區域性不可定位[13]。具體做法為，將全球按照1°的經緯度分辨率，劃分為360×180個格網點，基於不可定位區域最小準則（即分析每種關閉方式所導致的在全球範圍內不可定位區域的面積，選取其中不可定位面積最小的方式）的導航信號關閉策略下實現區域性定位阻斷，流程如下：

通過此種方式，可以模擬在24 h內，關閉阿富汗喀布爾地區民用GPS服務對區域外導航服務帶來的影響。其中目標區域為ABCD 4點連線，A點座標（34.07°N，68.72°E），B點座標（35.07°N，68.72°E），C點座標（35.07°N，69.72°E），D點座標（34.07°N，69.72°E）。圖2顯示了24 h內基於不可定位區域最小準則，對阿富汗喀布爾地區民用GPS導航信號關閉得到的全球格網定位可用性分佈情況。

圖2GPS區域性關閉引起全球定位可用性變化分佈[13]

圖2中陰影部分由黑到白分別表示可用性由0（全部時段不可用）到100%（全部時段可用），其他數字則表示部分時段可用（如0.5表示50%的時段可用）。對結果分析可得，關閉部分導航信號可以有效阻斷一定區域的衞星導航服務，但與此同時，全球約49%以上地區的用户會因此無法使用民用定位服務，約9.5%的地區的定位可用性也會因此降至90%以下；此外，在目標點1640 km範圍內的地區，定位可用性降到了50%以下[13]。仿真結果顯示，利用關閉部分導航信號的辦法對區域外GPS定位性能有很大影響，甚至無法滿足通常意義上的民用導航服務，其影響區域已遠超作戰區域的範圍，故關閉部分導航信號的方法並不適用於導航戰[14]。

目前，GNSS作為軍民兩用系統，已經成為各國的導航基礎設施，廣泛應用於國防、交通、電力、農業、建築、通訊、能源、金融等諸多領域，且許多領域均對衞星導航服務產生了較高的依賴度。一旦全球範圍內GPS民用服務大面積中斷，世界各國高度依賴GPS的眾多領域將受到嚴重影響甚至癱瘓，給社會生產生活和公共秩序帶來重大破壞，造成無法估量的巨大經濟損失。而美國作為GPS的主要受益方和依賴GPS程度較高的國家，必將首當其衝受到影響。不難判斷，在區域性導航戰中，GPS區域性關閉信號帶來的正向收益遠遠小於全球範圍內GPS中斷對美國造成的損失。通過關閉部分GPS衞星信號的方式阻斷特定區域的GPS服務將得不償失，在實踐上是不可行的。

事實上，“銀河號”事件發生時，GPS導航技術已經得到普遍應用，**即使美國真的通過關閉部分GPS衞星信號的方式，關閉了“銀河號”所在區域的GPS民用導航服務，受影響的將不只是一艘“銀河號”，而是全世界範圍內的眾多車輛、貨輪和客機，以及其他高度依賴GPS的人員和設備。**但是，在現有的文獻中，沒有任何關於 “銀河號”事件發生時，全球範圍內GPS信號異常的記錄。

翻閲國內當時有關“銀河號”事件的報道，不僅沒有任何有關於“銀河號”GPS被關閉的記載，反而清楚地記錄着是由於美國強行向有關國家施壓，禁止“銀河號”駛入港口，“銀河號”才不得不在海上停泊了22天[15-16]。目前，廣泛存在的有關“銀河號”GPS被區域性關閉信號的陳述，均出現在2008年以後，直到今天仍不斷。綜上可以判斷，美軍通過關閉部分導航衞星讓“銀河號”所在區域的民用導航服務失效，迫使其停船的言論是假消息；戰時，美軍可以通過控制GPS衞星，關閉特定區域的GPS民用導航信號的觀點是不成立的。

3 GPS區域性電磁干擾

**雖然直接關閉特定區域GPS信號的做法並不可行，但是在作戰中，讓特定區域的衞星導航信號失效的方法確實存在。**在區域性導航戰背景下，通常採用電磁干擾的手段對特定區域實施攻擊。根據干擾方式的不同，針對GNSS的電磁干擾通常可分為壓制式干擾和欺騙式干擾。

3.1 壓制式干擾

壓制式干擾是從信號強度上發動攻擊，通過干擾機發出與導航信號同頻段的干擾信號對衞星導航信號進行覆蓋，從而使導航終端無法收到導航信號完成定位[17]。由於導航衞星距離用户非常遙遠，其導航信號到達用户接收機的信號強度一般十分微弱[18]。以GPS為例，其衞星到達地表的信號強度僅約為-160dB·W[19]，再加上無線電技術的廣泛應用造成的複雜電磁背景，衞星導航信號非常容易被強信號所覆蓋和干擾。在目前的實際應用中，壓制式干擾對軍用導航信號和民用導航信號均可以起到較好的干擾效果。

3.2 欺騙式干擾

欺騙式干擾是從信號特徵上發動攻擊，通過偽基站發出一系列的虛假導航信號，誘騙導航終端依據虛假導航信號輸出錯誤的導航信息或無法輸出導航信息，從而干擾正常的導航服務[20]。

由於軍用導航信號採取安全性較高的軍碼，難以直接破譯，因而軍用導航終端一般不容易受到欺騙式干擾的有效攻擊[21]。而民用導航信號，因其格式、密碼等信息高度公開，接收機比較容易受到欺騙。目前，欺騙式干擾可以較為有效地干擾民用導航信號[22]。

3.3 電磁干擾的優勢

在導航戰中，電磁干擾效果好，成本低，且不會帶來作戰區域外的經濟損失，是應用最為廣泛的重要攻擊手段。根據資料表明，通過購買市場上公開銷售的電子元件，即可製作讓半徑16 km區域內的GPS接收機無法正常工作的干擾機，而其成本僅需400美元[23]。如果當年“銀河號”的GPS設備確實失效，則可能是美軍採取了區域性電磁干擾的攻擊手段。

4 抗干擾對策探討

4.1 抗干擾的誤區

認識到區域性導航戰中，GPS無法實現區域性關閉信號，可以糾正衞星導航領域過去的一些錯誤認識。**在BDS投入使用前，曾有研究基於GPS區域性關閉信號的假設，提出採取GPS民用信號和GLONASS民用信號相結合的導航方式，意圖增強抗干擾性，提高戰時生存能力。實際上，GPS並不會區域性關閉，在實際作戰中主要採取電磁干擾的方式攻擊敵方衞星導航系統。**而干擾GPS民用信號與同時干擾GPS民用信號和GLONASS民用信號在成本和難度上幾乎沒有區別，這種“弱”加“弱”並不等於“強”。通過多個民用導航信號組合的方式意圖提升抗干擾能力，在實戰背景下將是完全無效的策略。

需要指出的是：認識到GPS區域性關閉的可能性不存在，並不意味着我們可以放心大膽地依賴美國的GPS；恰恰相反，我們必須大力開發建設我國的BDS。GPS區域性關閉雖然並不現實，但GPS軍用導航信號，出於安全考慮決不可能提供給我國使用，且GPS民用導航信號的抗干擾能力遠低於軍用導航信號，所以只有自主研發完全屬於我國的GNSS，才能滿足我國高精度、高抗干擾性的導航定位需求，更好地服務於我國的國防和經濟建設。此外，大力開發建設BDS，對於推動我國關鍵技術進步、培育專業技術人才、促進導航產業發展、提升我國綜合國力都有着極其重要的意義。

4.2 抗干擾的對策

目前，無論是對於BDS還是GPS，良好的抗干擾性都是導航系統正常工作的重要保障，可以有效地提升戰時的生存能力。要提升GNSS的抗干擾性能，可以從以下幾個方面入手：

1）從系統科學的角度優化整體結構。GNSS作為整體，在設計時需統籌考慮其穩定性和抗干擾性。具體而言，可以採用增設備份衞星和備份地面站，改進星座結構，構建星間鏈路[24]等手段，並避免出現短板效應。

2）優化導航信號設計。導航信號設計與信號的干擾性具有密切關係[25]。為提高信號抗干擾性可以採取兩方面的措施優化信號：一是軍用信號獨佔頻譜。在區域性導航戰中，對該區域敵方的所有導航信號和己方的民用導航信號都需要進行干擾。如果己方軍用信號和民用信號重疊，將無法實現有針對性的干擾。二是增發無數據調製的導頻信號。數據調製會影響信號接收的靈敏度，通過播發無數據調製的導頻信號，可以提升接收信號的靈敏度，提高信號抗干擾性。

3）戰時對導航衞星進行功率增強[26]。以GPS的“BlockⅢ-C”衞星為例，其高增益的點波束相控陣天線技術，能夠在戰時將GPS的信號強度提高數十分貝，為用户終端提供抗干擾餘量，極大地提升GPS的戰時可靠性與穩定性[27]。

4）改進接收機的抗干擾配置。接收機是GNSS與用户交互的終端，直接影響着系統輸出導航信息的準確性和有效性[25]。通過改良接收機的抗干擾天線和濾波器等設備，可以更有效地將干擾信號與導航信號進行分離，在剔除干擾信號的同時，確保對導航信號的影響最小化。此外，用户接收機還可以採取將衞星導航技術與慣性導航技術、天文導航技術等自主式導航相結合的方式，構成組合導航系統，實現較好的複合抗干擾能力。

5）在戰區設置偽衞星平台。**衞星導航系統抗干擾能力較弱，重要原因之一是衞星到達接收機的信號微弱。**通過在戰區設置偽衞星平台，播發與導航衞星頻率、格式完全相同的導航信號，可以成百上千倍地提高導航信號強度，從而大大增加特定區域衞星導航系統的抗干擾能力。

6）增強對干擾源的反偵測能力。在戰時，可以通過廣泛設置的干擾源監測設備和反干擾定位系統，找出敵方的干擾源，並對其進行毀傷，從而直接地消除敵方干擾。

5結束語對於GPS而言，區域性關閉導航服務並非切實可行的手段。在導航戰中，電磁干擾是最為經濟、高效和常用的攻擊手段。要提高GNSS的穩定性和戰時生存能力，不能採取多種民用信號組合的方式，而必須堅持改進抗干擾技術，優化抗干擾策略，從多個維度提升系統的抗干擾能力。

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來源：“銀河號”被迫停船是因為區域GPS關閉？ - 知乎 (zhihu.com)