卫星导航系统对抗体系构建方法研究

辛 洁，张天桥，郭 睿，郭靖蕾，常志巧

(北京卫星导航中心，北京 100094)

0 引言

近年来，太空成为国际战略竞争的新边疆和制高点，太空威慑成为大国博弈的重要砝码，特别是美国将中国作为其在太空的战略对手开展“施里弗”系列太空安全演习，通过演习验证并加速太空攻防力量的建设和发展。卫星导航系统作为一种重要的太空战略资源，已经融入政治、外交、军事、电力、通信、金融和大众服务等国防军事和国民经济的方方面面，是决定国家“命脉”的重要空间基础设施。当大国之间发生激烈冲突或战争时，可能攻击敌国卫星导航系统，以瘫痪敌国作战指挥信息系统、社会经济生活秩序。

随着太空技术、信息技术的发展，作战形式已由军种作战向体系作战发展，作战范围已从传统战场向深空、深海延伸，并正在向陆、海、空、天、电、网六维拓展，呈现出复杂的网络化、层次化和关联化特点[1]。信息化武器装备、无缝链接的网络化军事信息系统和高度融合的诸军兵种作战力量，是我军实施体系化作战的三大要素，通过信息流、逻辑流将从事作战相关的武器装备、人员编制、指挥决策等相互关联，形成一个多层的异构复杂网络[2-3]。

卫星导航系统作为国家重要的时空信息基础设施，可为精确打击、战场侦察、目标定位和武器制导等提供信息服务，导航系统之间的对抗已成为体系化作战不可或缺的组成部分[4-5]，其面对主要的打击手段有干扰与欺骗、网络攻击和物理摧毁等[6-8]。随着北斗新一代卫星导航系统服务的逐步开通，其必将成为我军作战对手主要的欺骗目标，急需针对北斗三号空间段、地面段和用户段特点，开展干扰与欺骗能力、网络攻防能力、对星干扰等导航战体系能力分析，提升我军战场环境保障能力。

本文阐述了GPS的导航对抗能力发展概况，分析了导航对抗体系构建的要素及需求，提出了一种卫星导航系统的对抗体系设计构想，并给出了卫星导航系统物理毁伤的评估模型。

1 GPS导航对抗能力发展概况

为了确保GPS系统在敌方干扰环境下仍能够保持优良的性能，1994年美军提出了导航战的概念，其实质是系统对抗以及反对抗战术的较量，其目标是使GPS系统只在地球上规定的区域内失效，而对其他区域的用户仍然有效，这将通过调整导航卫星的发射频率和采用干扰技术来实现，同时设法阻止敌方利用GPS系统为其军事行动和军事装备进行导航和定位服务[9-11]。GPS系统的全天候导航能力是现代战争取得胜利不可缺少的重要因素，目前已成为美军实现其未来作战思想和全球战略的关键手段，并在美军的指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察(C4ISR)系统中发挥着重要作用。

美国GPS从空间段、地面段、应用段都进行了一定的防护能力设计，可以用“降低成本、提高信息安全性、增强抗干扰能力、扩展应用”来概括。从空间段来看，新一代搭载高功率导航战点波束天线的GPS III卫星已于2018年底发射，并搭载了传统的S频段硬件以确保与空军卫星控制网络兼容，同时利用高速TT&C链路和高宽带指向性星间链路[12-13]，GPS III可在空间形成通信网络，使所有卫星在所有时间保持联系；从地面段来看，GPS主要注重于信息层的安全防护，包括选择可用性防欺骗模块(SAASM)、分布式架构的计算机网络和新一代GPS运控段(Next Generation GPS Operation Control System，OCX)深度防御网络；从应用段来看，授权管理层进行的防护主要包括两大部分：一是密码管理，包括密钥生成、分发和使用；二是对安全模块和配置安全模块的用户终端的管理和监控。

同时，美国近期几场高技术局部战争表明，美军也在加强卫星导航系统攻击手段研究和建设。美国从越南战争开始的空中作战，就始终贯彻实施导航电子干扰的战术，更是在近来的叙利亚战争中，通过大功率GPS全频带强力干扰，诱骗叙利亚军队发射了十数枚防空导弹。目前，对于导航战装备建设，美国发展的主要方向包括系统级和设备级。在系统级，美国提出了GPS现代化防护计划，保证其在电子战环境下的精度(干扰与抗干扰)，拒绝敌方使用；在设备级，导航战装备主要包括抗干扰装备(如GPS空间时间抗干扰接收机G-STAR)、干扰装备(EA-18G“咆哮者”电子战飞机，其连续波干扰功率最大可以达到100 kW，脉冲干扰峰值功率超过1 MW；ALQ-99干扰吊舱，其发射机频段覆盖零到几十兆赫兹、有效干扰辐射功率100 kW)、干扰监测与定位装备(如美国海军航天和海战系统中心开发的“LOCO GPSI”机载干扰源定位样机系统)。

结合美军历次作战方法分析，美军可能采取的导航战方式主要有3种：一是电磁频谱战，主要分为压制干扰和欺骗干扰。美军在多次联合演习中开展了干扰卫星导航系统的演练，具备非常有效的干扰或欺骗作战能力，并逐步将“保障式、反应式”的电磁频谱行动提升为“主动式、决定式”。二是地面设施摧毁战，直接攻击地面系统的主控站、注入站、监测站等固定站点，致使地面运行控制段瘫痪。三是卫星打击战，主要分为共轨式和直升式反卫星，共轨式反卫星主要用于开展抵近侦察、电磁干扰甚至物理破坏乃至摧毁，已处于较为成熟的阶段，具备一定的实战能力，直升式反卫星主要采用各种拦截手段对近地轨道卫星进行直接物理攻击，具备作战实施演示能力。3种方式可根据冲突规模以及对抗程度选择采用，或随事态变化逐步升级，直至3种干扰方式同时实施。

2 导航对抗体系分析

2.1 典型对抗方式比较分析

从攻击方式来看，一般对卫星导航系统的攻击包括电子干扰、网络攻击、电磁攻击和硬摧毁打击等，其中，电子干扰又主要分为压制和欺骗2种方式；网络攻击与传统的干扰和欺骗不同，在于其将导航系统视为计算机系统，从而形成更广泛的攻击视角，产生更多的攻击手段；电磁攻击主要是利用电磁脉冲炸弹攻击导航系统的相关电子设备；硬摧毁主要利用一些定向能或动能武器对卫星或地面站进行摧毁。

从攻击目的来看，干扰主要利用卫星导航信号到达地面比较微弱的特点，在导航信号频段内播发干扰信号，阻止接收机锁定导航信号；欺骗就是伪造用于计算伪距的电文信息，造成导航解算错误；网络攻击针对导航系统电文协议、操作系统和应用软件等相关脆弱性，使导航系统瘫痪；电磁攻击主要是瘫痪导航系统的相关电子设备；硬摧毁主要是摧毁卫星和地面站，从最根本上消除敌方导航系统威胁。

从攻击强度来看，电子干扰、网络攻击主要是软攻击，相关攻击停止后，导航服务可以迅速恢复；电磁攻击、硬摧毁则属于硬攻击，电磁攻击烧毁相关电子设备元器件；卫星和地面站被摧毁，需要采取相应补网策略。

从实施手段来看，电子干扰可将机载干扰机、平流层飞艇载干扰机、气球载干扰机、星载干扰机和地面干扰站等干扰设备灵活组合形成多方位、不同高度的分布式干扰体系，在需要的时间和区域形成强烈的干扰态势，使敌方难以防范和抵抗；网络攻击主要针对打击对象的系统漏洞进行攻击，不受空间限制，无论距离多远，攻击者都能够利用网络攻击系统对任意网络进行攻击，且隐蔽性强也是网络攻击的主要特点，攻击之前能够通过多个网络平台，实现较强的伪装和隐蔽；硬摧毁打击主要采用激光、粒子束、射频/微波定向能武器，高能激光武器、反卫星导弹等对地面关重站或卫星实施打击摧毁。

因此，从攻击方式、攻击目的、攻击强度和实施手段等多层面、多维度的分析可知，电子干扰和网络攻击具有可实施性强、打击范围可控、可快速恢复等优势。

2.2 安全防护与薄弱环节分析

在卫星导航系统发展过程中，战时打击和安全防护既相互对立又相互制约，在发展中呈现出不同步的状态。从大多数导航战事件能够看出，往往是攻击事件发生后，才能够针对攻击采取相应的防御措施。因此，可从国外主要卫星导航系统空间段、地面控制段、用户段3个层面，以信号层和信息层安全防护2个维度，深入分析研究其存在的薄弱环节，为导航战安全防护实施提供切入点及参考。

2.2.1 信号层的安全防护与薄弱环节

从信号层的安全防护来看，卫星导航系统的上行链路可通过多手段冗余备份、先进信号体制设计等途径来提高战时抗干扰能力；星间链路采用无周期扩频码、抗干扰处理措施提高星间抗干扰和抗截获能力；下行链路通过提升信号功率、采用先进信号调制方式、无周期扩频码、先进信道编码、军民频谱分离等手段提高系统抗干扰、防欺骗、反利用等导航对抗能力；在服务精度上通过单频差分或用户机端的弱信号接收策略，达到双频服务的精度提升。

大多卫星导航系统的薄弱环节仍主要体现在抗干扰能力不足方面，尤其在抗大功率压制式干扰和欺骗式干扰方面尤为突出。压制式干扰将导致接收机失锁，不过压制式干扰监测和抑制技术相对较为成熟，可以借鉴雷达领域的相关技术，但欺骗式干扰更具有隐蔽性和危害性，可产生错误定位和授时，甚至达到控制目标接收机的程度。

2.2.2 信息层的安全防护与薄弱环节

在信息安全防护方面，主要有星地传输加解密和地面网络防护等手段。地面网络具备较强的安全防护能力，可有效防止篡改、入侵及破坏等威胁。尤其对于境外站数据和互联网数据，可配置单向安全传输设备、双向安全传输设备等装备，以保证跨网跨域数据安全传输与网络连通。

网络安全与信息保证技术可通过增强机密性、完整性、可用性和时空相关性等实现卫星导航系统空间段与运行控制系统之间的网络安全、信息安全，增强网络对抗攻击、保证信息安全的能力，但从GPS下一代运行控制系统(OCX)的发展延迟情况，可以看出系统网络安全软件开发的难度与工作量。

2.3 对抗场景设计与可行性分析

场景分类技术的意义在于实现对现实应用场景的描述和细分，以及对海量仿真和实测数据的聚类，实现数据库的冗余数据消除，并保障测试数据的完备性和对抗场景的有效性。

仅就卫星导航信号而言，其特征参数包括信号强度、频率多普勒、伪距观测量、干扰信号特征谱和多径信号特征等；就卫星导航系统网络而言，其地面段结构主要为拓扑类型，交换机和路由器等各项硬件设备设置在不同节点，涉及数千台套的系统设备，相应地病毒扩散范围与影响也有着多样变化。

繁多的特征参数给场景分类带来困难，针对每一个参数都应建立一个对应的场景分类，既无必要，也过于占用工作量和项目成本。因此，需要开展导航信号和网络信号特征参数提取方法研究，结合现有装备和技术体制特性以及特征参数对最终定位精度影响，开展有效的导航战对抗场景设计。

3 导航对抗体系构建

导航对抗体系是指按照一定组织架构、运维模式、指挥关系将导航系统、作战要素和作战单元融合，形成具备指定作战功能、动态适应威胁环境的有机整体[14-15]。结合上述分析，可分别从系统层次划分、功能架构和毁伤效能指标等多个维度，开展导航对抗体系设计，为导航对抗能力分析、关键要素识别、打击策略选取和对抗场景设计等方面奠定基础。

3.1 系统层次划分

导航对抗要素主要是指性质单一、地理位置相对独立的目标，例如指挥中心、主控站、注入站、监测站、机动站、测控站和组网卫星等，这些目标是构成目标系统和目标体系的基础，进而可根据目标功能特性，划分为如表1所示的指挥控制系统、监测预警系统、信息攻防系统和综合保障系统[16]等。通过构建体系结构，能够实现个体功能和网络拓扑的耦合，便于分析目标与目标之间的相互作用关系。

表1 导航对抗体系层次划分Tab.1 Hierarchy division of the navigation countermeasure system

3.2 功能架构

为了确保卫星导航系统在敌方打击下仍能够保持优良的性能，其实质是系统对抗以及反对抗技战术的较量，其目标是使卫星导航系统只在规定区域内失效，而对其他区域的用户仍然有效，同时设法阻止敌方利用卫星导航系统为其军事行动和军事装备进行导航和定位服务。因此，基于构建完成的系统划分进行体系能力分析，有利于把握导航对抗重心、威胁程度及薄弱环节梳理，确保联合作战指挥及组织作战协作。功能体系划分主要包括服务类型、对抗方式、安全防护等要求，如表2所示。

表2 导航对抗体系功能要求Tab.2 Function requirements of the navigation countermeasure system

3.3 对抗效能指标体系

导航对抗效能指标主要包含作战区域、服务性能、防护效能、打击效能、首次定位时间、打击成功率、打击时效、增强功率和干扰功率等指标要素，可合理映射分解至系统总体设计中所涉及到的星座构型、空间信号、上行注入体制、星间链路体制、自主导航体制、安全性设计、可靠性设计等关键技术体制中，则相应的指标体系可分解为作战区域、服务性能、物理毁伤度等。导航对抗指标体系设计如图1所示。

图1 导航对抗指标体系设计Fig.1 Specification design of the navigation countermeasure system

4 毁伤效能评估

毁伤效能评估是一项覆盖范围广、技术状态复杂、工作量大的工程任务，需结合导航对抗场景设计及运行管理需求，构建通用性强、开放性好、模块化、易扩展、自动化程度高的毁伤效能评估模型，其主要作用是：① 通过构建各系统目标模型，结合各目标的毁伤性分析结果，制定通用评估模型及方法，进而得到多种对抗条件下的目标毁伤评估结论，实现卫星导航系统毁伤效能综合评估；② 通过对不同对抗方式下的毁伤效能综合评估分析，逐步完善相应的数据库，建立全军通用的大型数据库平台，实现资源的共享与管理；③ 在大型数据库支持下，从典型导航对抗效能分析出发，开展系统防护策略分析，并制定应急处置预案，快速实现多目标综合的最优打击(防护)方案选取，为战时指挥决策提供依据。

卫星导航系统的毁伤效能评估需首先进行物理毁伤评估，进而开展导航服务精度及可用性分析，最终实现不同导航对抗模式下的毁伤效能及长期推演分析。

对于物理毁伤效能评估，可根据目标各部件受损程度和影响因子，得到对应本次打击的目标毁伤程度，结合打击概率可得到目标的毁伤指数，其量化评估结果一般可用式(1)表示[17]，地面段和空间段可据此开展毁伤效能评估。

(1)

(1) 地面段毁伤效能评估

卫星导航系统的地面段一般由主控站、注入站和监测站组成，且各类地面站均有备份/冗余站。若主控站又由n个子系统组成，则其毁伤指数模型可表示为：

(2)

式中，IM为主控站毁伤指数；PMj为第j个可用主控站受打击概率；Pmi为主控站第n个子系统的毁伤度；Kmi为地面站各子系统权重。同理，可得到注入站、监测站的毁伤指数IU、IS。

(2) 空间段毁伤效能评估

随着卫星导航系统的不断更新换代及测试服务需求变更，不同导航卫星所搭载的有效载荷及服务模式均有所差异，且不同星座构型下的服务性能也有所差异。因此，假设k颗卫星受打击时星座毁伤指数为Is,k，同时考虑到不同卫星的作用及权重差异，则空间段的毁伤指数模型可表示为：

(3)

式中，M表示星座中的卫星总数；Rn,k表示第n种组合下特定的k颗卫星受打击概率；Psai为第i颗受打击卫星的第a个子系统的毁伤度；Ksai为第i颗受打击卫星的各子系统权重；(1-Rn,j)表示第n种组合下特定的M-k颗正常卫星各自的单星可用性。

5 结束语

随着导航技术及各种对抗技术的发展，导航战对抗手段从单一的电磁频谱对抗向多维多模式组合对抗发展，作战对象也从单一的卫星导航对抗逐步扩展到以卫星导航为核心的PNT体系对抗。开展基于压制干扰、欺骗干扰、网络攻击等手段的导航对抗能力需求分析与对抗场景设计，实现不同对抗模式下的毁伤与防护效能评估及推演，是信息时代作战的必然需求。为应对日益突出的导航战形势，必须构建攻防一体、专业高效的导航战作战体系，涵盖电磁环境监测能力、干扰侦察能力、抗干扰防护能力和对抗效能评估能力。

电磁环境监测主要依托战区电磁频谱管理力量和战区各军种电子对抗部队实施。战区电磁频谱管控部门应当和导航保障部门密切协调，把卫星导航信号监测工作上升到作战高度落实，通过多点组网、全时监控、重点排查等方法，定期发布战区卫星导航信号监测报告，战区部队和重要战备设施周边卫星导航系统使用提高可靠依据。

干扰侦察主要依托航空力量、地面和海上侦察力量组织实施。侦察力量在实施战场侦察时，利用携带的卫星导航信号接收设备，全域侦收和记录战场卫星导航信号，并将信号回传给北斗导航保障部门，进行数据分析，判断和排查干扰源，并建议组织定点清除。

抗干扰防护实施主要有2种途径:一是由战区协调战略支援力量，利用搭建伪卫星平台和点波束信号发送等手段，对作战区域信号实施区域增强，提高抗干扰能力；二是依托自身组织防护，通过配备增强型接收机、多阵元抗干扰天线、组合导航设备等，提高自身抗干扰防护能力。另外，必须依照导航定位设备使用章程严格规范操作使用，避免因人为原因造成导航系统失效。

对抗效能评估一般由导航保障部门根据敌我双方导航对抗能力以及侦察、频谱、电子对抗部门提交的战场导航环境资料进行分析评估，提出导航战建议。