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2022年3月17日,欧盟航空安全局(EASA)在一份关于GNSS影响的安全信息公告(SIB)中认为,全球导航卫星系统(GNSS)遭遇的干扰、欺骗问题在冲突地区周围加剧,从而导致了以下三大问题:一是由于机载GNSS设备受到干扰和欺骗而失去了航路规划、纠偏、进近、地形辅助能力;二是难以有效开展或保持导航系统相关操作;三是在GNSS受到干扰后平台时间基准降级或出现故障。可以看出,包括GPS在内的GNSS干扰和欺骗已经逐渐成为了国家间对抗和冲突时所普遍采用的作战手段之一。

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本文将针对以GPS为核心的PNT体系所面临的干扰和欺骗问题,结合美国PNT咨询委员会制定的PTA “三驾马车”整体解决途径,提出相关解决方案以及可能出现的问题,以全面剖析未来PNT体系韧性的发展动向。

1.背景

GPS是可提供PNT服务的主要系统,同时也是美国PNT体系构建的核心,但其信号固有的弱点,易遭受有意或无意中断、干扰和欺骗使基础设施和相关用户应用面临风险。

干扰是由于有意和无意产生的射频波形强于卫星信号而引起的,从而降低或拒止接收机的工作能力。

欺骗,也称为操纵,是在某些方面模仿真实信号而产生的信号,但接收机进行信号处理时的工作会被拒止、降级、中断或是出错。

GPS大规模中断和被操纵可能会对基础设施造成连锁破坏效应,继而影响人们的生活并威胁经济活动和国家安全。

为解决此类问题,美国政府进行了一些重大研究和竞争性技术验证,包括对GPS进行能力增强、采用GPS替代系统以及提高PNT韧性等多种措施,但目前尚未形成体系化问题解决方案。

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图:防护,强化和增强三驾马车

2.三驾马车

PTA“三驾马车”概念及现状

为解决上述问题,PNT咨询委员会(PNTAB)于2019年6月提出制定PTA “三驾马车”整体解决途径,即防护(Protect),强化(Toughen)和增强(Argument),以确保以GPS为核心的PNT系统继续为美国提供军事、经济和社会效益。该解决方案自提出后不断完善,最近更新日期为2021年5月。

2.1 防护(Protect)

2.1.1 概念和实施措施

防护主要是通过阻止各种针对GNSS的干扰来实现频率保护的目的,并保障包括GPS在内的GNSS信号在传输和应用过程中的正常使用,以及在不需要接入外部PNT服务而保持独立运行。从防护的角度来看,一是需要提高GNSS系统受到干扰或欺骗时的独立运行能力;二是保护GNSS使用的频谱免受有害干扰。

2.1.2 现状及应用

在提高GNSS系统独立运行能力方面,需要对其使用环境和遭受的欺骗干扰进行深入研究,同时降低其大小、重量、功耗和成本,以满足尽可能广泛的用户需求。其中最主要的是在国家层面建立检测和快速定位干扰能力,在军事应用中的导航战理念,已经很好地践行了这一点。导航战主要是阻止敌方使用卫星导航信息,保证己方和盟友部队可以有效地利用卫星导航信息,同时不影响战区以外区域和平利用卫星导航信息。针对GNSS系统的干扰和反干扰目前已经列入了各军兵种的作战指令中。

在保护GNSS系统频谱免受有害干扰方面,最主要的冲突是频率使用问题。日前, FCC已经重新规划了与GNSS L1主频率(1575 MHz)相邻的部分频谱,旨在使GNSS系统在利用现有技术方面具备更强的韧性。

从GPS看,其与Ligado公司5G商用开发频段就存在此类冲突。2020年4月,美国联邦通信委员会授权Ligado公司在其移动卫星服务L波段分配许可证的1526-1536MHz、1627.5-1637.5 MHz和1646.5-1656.5 MHz范围署全国性低功率地面网络。Ligado要求的频段与GPS工作和运行的频段冲突,被认为可能威胁GPS系统铱星系统NOAA卫星业务三个主要卫星系统的运行。而且美国防部认为Ligado的频段越靠近GPS,干扰就会愈发严重。相关情况如图2所示。

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图:GPS应用频段上Ligado的频谱需求

2020年12月,NTIA向FCC提供了一份临带抗干扰报告,该报告明确指出了GPS的干扰问题,但FCC在一个月后否决了这项动议,最终答案悬而未决。

2021年6月23日,美国参议院在国会大厦发布并主持了《承认并确保纳税人使用GPS和卫星通信所需的基础设施法案》发布会。该法案要求美国卫星通信公司Ligado公司以及其他利益相关方,对所有因联邦通信委员会颁布的Ligado命令而受到损害的GPS和卫星通信用户进行相应的损害赔偿。但时至今日,双方的分歧依然存在。因此从防护角度,Ligado的地面服务将降低GPS的可靠性,GPS目前需要解决的主要是与Ligado的频率干扰问题。

2.2 强化(Toughen)

2.2.1 概念和实施措施

强化主要指的是通过现有成熟技术使现有接收机的功能和性能提高,主要通过改进GNSS传输信号以及接收机性能的途径实现自身设备的可用性。具体实施途径一是开发种类更多、价格更低、韧性更强的接收机和天线并付诸于应用;二是通过采用常规的抗干扰方法可以克服GNSS信号接收的固有弱点,以对抗蓄意的干扰和欺骗,与未受保护的接收机相比,这些措施可以将干扰器的有效半径减少100倍以上。

2.2.2 现状及应用

强化首先需要针对干扰和欺骗形成基于GNSS系统的抗干扰能力,避免中断锁定干扰是抵御干扰欺骗攻击的第一道防线。

对于民事应用而言,需要使用能够抵抗干扰、欺骗、相邻频段干扰、关键基础设施和应用的增强型接收机。

对于军事运用来说,美军采取的最重要的措施就是研制一种强大、加密抗干扰、反欺骗的网络安全M码,并通过M码广播能力,研制卫星和地面控制系统、用户设备以及配套天线。

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但目前由于技术实现和应用试验的滞后,其形成能力尚需时日,主要体现在以下三个方面:

一是由于缺乏M码接收机而应用受到限制,目前美陆军和海军陆战队的替代方案是直接采购商业军用GPS用户设备(MGUE)系列化M码接收机,以满足其PNT需求;

二是下一代运行控制系统(OCX)和MGUE交付进度严重滞后,这将影响现代化民用和M码信号、导航战功能的全面应用,以及网络安全能力的提升;

三是美国国会在近期出台了关于军用GPS/GNSS接收机的出口管制规定,可能已经考虑到潜在对手已经了解了相关技术,导致GPS/GNSS抗欺骗和干扰威胁的能力可能受到影响。

相关研制进度推迟的时间表如图3所示。

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图:MGUE任务推迟后的任务时间表

2.3 增强(Argument)

2.3.1 概念和实施措施

增强主要指的是增强服务以应对地面信号的干扰,具体而言有两层涵义,一是通过提供无线、广域、无中断、多样化 PNT 服务,以增强GPS/GNSS能力;二是通过综合雷达、本地定位系统、惯性导航等PNT互补和备份服务,加强韧性。

具体实施措施主要包括:一是使用多导航卫星星座,通过多种信号共同作用提高接收机的性能和韧性;二是确保GNSS相关的PNT的备份功能可用于保护国家的关键基础设施和公共安全。

2.3.2 现状及应用

基于上述的实施措施,目前主要基于对PNT体系和GPS系统进行补充和增强的思路进行相关工作。PNTAB建议根据NSPD-39条令实施GPS备份功能,在美国大陆构建eLORAN作为GPS授时的备份,但需进行成本和性能验证。PNTAB建议初步部署四个eLORAN发射站。目前或可预见的GNSS(主要是GPS)的替代方案无法提供等效的精度(静态低至毫米)和全天时全天候的可用性。但业界普遍认为eLORAN仍是一个有价值的备份方案。其花费低廉,对欺骗和干扰也是一种威慑。但是,目前需要将被拆除的LORAN站点进行重建,这将使部署能力和覆盖范围成为重要的成本因素。下图为相关机构设计的部署71个eLORAN发射站的覆盖范围。

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图:eLORAN71个发射站的覆盖范围

3.相关解决方案

3.1 基于防护的处理

3.1.1 优化信号处理

使用L1 C/A信号,使包括GPS在内的GNSS接收机可以在损失测距精度的情况下通过使用码跟踪模式来提高抗干扰性。

3.1.2 设定干扰阈值

针对设备间的频谱干扰问题,可以通过协商设定可接受的干扰阈值,既符合国际干扰标准的可接受风险水平,并推进相关技术成为标准,为后续的频谱冲突和共享提供相关解决方案。

3.2 基于强化的处理

3.2.1 考虑受控接收模式天线(CRPA)

CRPA是一种数字、多组件、相控阵天线。其技术成熟,已经应用于大型地面搜索雷达上,具有零位控制或波束控制模式,其天线单元可以扩展,使用该天线,可有效屏蔽99%的干扰,对抗大多数常见的GNSS干扰。但目前美国不允许CRPA用于民用。

3.2.2 应用惯性组件和稳定时钟技术

包括微系统(MEMS)组件,高级惯性测量单元(IMU)和石英芯片级原子钟(CSAC)。这些技术可以有效提高授时的稳定性和精确性,以及GNSS拒止环境下支撑区域导航服务。

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3.2.3 应用替代信号

可以采用GNSS替代信号完成信息传输,包括1575 MHz的替代调制(L1 C信号、伽利略系统或其他GNSS)和替代频率(L5、L2、伽利略系统)。其中,L5信号的频率为1176 MHz,是民用GPS信号中抗干扰能力最强的,将是未来替代信号的主力信号。而LEO通信卫星随着逐渐成熟,也将选择L5信号。

3.2.4 继续推进M码的优化和验证工作

针对军事应用,需要持续开展M码以及MGUE设备的优化和验证工作,其未来仍将是GPS系统强化的重要措施,将对美军联合作战和全域作战的实施提供重要支撑保障。

3.3 基于增强的处理

3.3.1 开展多PNT源集成

为关键基础设施提供多个PNT源,通过设计标准滤波算法集成多个PNT信号源,并使用标准通用接口将多个PNT源集成,以实现源的多样性和系统的韧性。

3.3.2 构建并推广广域、局域增强系统

基于特定应用,在特定的作用范围采用特定的导航设备,可充分利用GNSS的冗余信息和综合雷达、局域定位系统、惯性导航系统等其他传感器信息,增强PNT体系的完好性和鲁棒性。如广域系统中可包含eLORAN和基于铱星的解决方案,即使在偏远地区的分散用户也可以获得精确的授时信号。局域系统中的白兔系统可保持局域精确时间同步。

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4.问题

实施过程可能出现的问题

4.1 认知不统一

认知涉及到政府层面对PNT威胁的低估,以及对解决方案的不理解,这将导致对脆弱的GNSS信号的威胁正在增加,并将导致GPS业界和用户认识到许多解决方案将需要时间去授权、实施和部署,但决策部门的知识缺乏和战略认识则可能延缓使用现成的解决方案为PNT用户提供改造和对抗威胁的机会。

4.2 成本增加

在过去的几十年里,随着MEMS器件的激增,许多惯性元件成本和功耗大幅下降,而性能却稳步提高,通过使用惯性传感器可以实现韧性,但需要深度集成和严格的工程设计。而采用CRPA天线可能是一种昂贵的增强接收机的解决方案。由于成本原因,飞机制造商一直拒绝为现有飞机改装更大直径的CRPA天线,因为集成成本可能超过接收机本身,特别是完全抛弃初始设计的情况下。

4.3 政府限制

CRPA的民用受到出口保护条例的限制,使得相关的先进技术不能用于民用,会伤害业界对于相关技术的投资,且不会对军事态势造成任何明显的改善。

4.4 许可受阻

美国的任何民用解决方案都必须将完好性监控扩展到GPS之外,以包括所有的GNSS,并且在操作上必须处于完好性监控中。这需要经过一定的申请和验证过程并得到许可后才能实施。

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结 语

以GPS系统为核心的美国PNT体系,目前实际上正按照美国PNT咨询委员会打造的PTA“三驾马车”来解决PNT体系的干扰和欺骗问题,并基于相关军民领域的分析给出相关具体解决方案,但相关方案受制于认知、成本、政府限制和许可问题,仍然前路漫漫。因此,随着战场上GNSS干扰和欺骗的愈演愈烈,或将促使美相关政府机构迅速采取措施进行改变,以增强其PNT体系的韧性。

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