卫星导航系统脆弱性评估与对策

　　随着卫星导航系统及其应用的发展，卫星导航系统已经成为重要的、不可或缺的空间基础设施，其应用已经渗透到几乎所有领域，成为国防能力的倍增器，经济发展的助推器，在保障国家安全与促进经济发展中发挥着不可替代的作用。

　　然而，卫星导航系统固有的脆弱性、局限性使卫星导航服务存在着明确的能力不足与缺口，使卫星导航用户不能在任何时间、任何地点、任何环境下使用卫星导航服务，使依赖卫星导航服务的国家基础设施的安全、高效、稳定运行面临严重威胁。美国国土安全部、运输部、英国皇家工程院等众多政府部门、研究机构均对卫星导航系统的脆弱性进行了系统的评估，并提出了相关的对策措施。本文综合国外卫星导航系统脆弱性评估结果，阐述卫星导航系统的脆弱性与对策，供参考。

　　一、概述

　　一般而言，导致用户无法使用卫星导航服务特性包括包括脆弱性与局限性两个方面。

　　局限性是指受物理遮蔽的影响，卫星导航用户无法使用卫星导航服务。其原因是：微弱的卫星导航导航信号不足以穿透各种物理遮蔽物，如在室内、地下、隧道、水下、高山或城市峡谷，甚至浓密的森林中，不能获得卫星导航系统服务。

　　脆弱性是指因卫星导航信号功率过低，以及无线电信号传播与接收特性共同作用的结果，使用用户不能或不能较好地获得卫星导航服务。

　　与脆弱性相比，卫星导航系统的局限性是明确的，卫星导航用户可以准确地判断是否处于物理遮蔽环境中，并采取措施将卫星导航系统局限性的影响降到最低。也就是说，局限性并不能对卫星导航服务的应用构成威胁。因此，国外的卫星导航评估均以脆弱性为主要内容，且对脆弱性的影响及卫星导航安全应用环境建设的重视程度不断提升。

　　美国是全球最早开展卫星导航系统脆弱性评估的国家，随着美国社会、经济发展对卫星导航服务依赖性的提高，目前美国卫星导航脆弱性的研究、评估重点已经转为对国家关键基础设施运行的影响、对策与缓解措施方面。

　　二、国外卫星导航脆弱性研究

　　国外的评估均将卫星导航脆弱性、局限性的主要原因归结为卫星导航系统过低的导航信号功率。与移动通信的信号接收功率相比，卫星导航信号的接收机功率低100～1000万倍，就很容易理解卫星导航脆弱性、局限性的这一根本原因，见表1。

表1　卫星导航系统与移动通信系统信号功率对比　　

	GPS系统信号功率	移动通信信号功率
一般信号	-155～-160dBW	-90dBW
点波束信号	-138 dBW	-90dBW

　　一般，国外将卫星导航系统的脆弱性分为三个方面：

　　1）系统相关的脆弱性（包括信号与接收机）；

　　2）传播途径相关的脆弱性（空间气象、大气与多路径效应等）；

　　3）干扰相关的脆弱性（有意与无意干扰）。

　　卫星导航系统导航信号所包含的数据与信息一般由运行控制段上传至卫星，包括时钟预测数据、星历与轨道预测数据等。如果运行控制段上传至卫星的导航数据与信息出现问题，将对系统服务性能构成全面影响。

　　GPS与GLONASS系统已多次发生类似问题。1993年3月、2000年3月和2002年6月，GPS系统发生导航数据与信息上传问题，导致服务性能严重下降。

　　2014年4月1日，因运行控制段系统软件问题导致GLONASS卫星星历更新失败，造成GLONASS系统不能提供服务。另有消息称：此次故障的原因是，GLONASS系统地面控制段软件出现了约1.5min的时间跳跃，不能生成正确的星历，从而引发了此次故障。2014年4月14日，同样因运行控制问题，8颗GLONASS卫星被设置为不健康状态，GLONASS系统用户不能使用这8颗卫星播发的导航信号。

　　GPS与GLONASS系统已多次发生类似问题。1993年3月、2000年3月和2002年6月，GPS系统发生导航数据与信息上传问题，导致服务性能严重下降。

　　卫星导航系统运行控制段一般具有一定的抗攻击能力，这种攻击包括军事和网络两种形式，但却十分有限。相对而言，卫星导航系统的远程站更易受到攻击，也更具脆弱性。

　　运行控制段全球布站是全球卫星导航系统正常运行与服务性能的重要保证。从美国GPS系统运行控制段全球布站情况（见图1）分析，除个别原隶属于美国地理空间情报局（NGA）的跟踪监测站外，其运行控制段各站点均部署在美国、海外军事基地或重要盟国，而主控站、数据上行站（图1中的GPS地面天线和美国空军卫星控制跟踪站）则基本部署在美国及其海外军事基地，就是为了保证GPS系统运行控制段的安全。

　　电离层电子总数变化对卫星导航服务的影响分为两种情况，其一是电子总数的缓慢变化；其二是电子总数的快速变化。

　　卫星导航信号在电离层中的传播产生电离层延迟。这种延迟与电离层的电子总数成正比。而电离层电子总数的缓慢变化受太阳活动的影响，如地球每天1周的自转、太阳相对地球约27天的自转，以及约11年的太阳活动周期都将导致电离层的电子总数增加或降低，引起电离层延迟误差的变化。

　　（一）系统相关的脆弱性

　　系统相关的脆弱性主要指因卫星导航系统空间段、运行控制段和用户段故障或问题产生的脆弱性。其中，空间段和用户段问题产生的影响较大。

　　1、星座卫星数量过少

　　因星座卫星故障或不能维持正常的星座卫星数量，将导致卫星导航系统不能满足性能要求的服务。因各种原因，俄罗斯GLONASS系统星座卫星数量最低曾降到7颗，无法独立提供卫星导航服务。

　　2、运行控制段上传不健康的导航数据

　　GPS与GLONASS系统已多次发生类似问题。1993年3月、2000年3月和2002年6月，GPS系统发生导航数据与信息上传问题，导致服务性能严重下降。

　　3、卫星星钟跳秒或漂移

　　星上时间的精确同步与星上原子钟时间的精确预报是时间测距卫星导航系统提供精确定位导航授时服务的基础。星上原子钟出现跳秒或漂移将使该卫星的时间不可预测，从而导致服务风险。2004年1月1日，GPS卫星SVN-23（1颗GPS-2A卫星）出现时间漂移，控制中心在3小时后才将其设置为不健康。在这一时间段内，该卫星的定位误差最大可能增至300km。类似的事件也曾发生在2001年7月。

　　4、坏的信号波形

　　如果星上信号调制或信号生成过程出现问题，卫星将播发不健康的信号，并在接收机端引发不可预知的结果，引发严重的风险。1993年GPS卫星SVN 19（1颗GPS-2卫星）产生了被称为“有害波形”的信号，使空间信号用户测距误差达到了8m；2009年3月发射的首颗装备L5信号设备的GPS卫星SVN 49（第7颗GPS-2RM卫星）产生了星上多路径效应，导致接收机会产生很大的误差。

　　5、针对运行控制段的攻击

图1 GPS系统运行控制段全球布站情况

　　6、运行控制段升级

　　运行控制段系统升级或更新是卫星导航系统发展的需要，也是卫星导航系统脆弱性的重要因素。运行控制段系统升级或更新的任何问题都有可能导致卫星导航服务的故障，甚至服务的中断。

　　卫星导航系统运行控制段的升级与更新是涉及大系统，以及众多关键技术与应用的复杂的系统工程问题；而且必须保证系统与服务的正常运行。从美国空军在GPS系统运行控制段现代化改造采取的循序渐进、稳步提升、小增量改进的策略，我们即可看出运行控制段升级与更新所面临的巨大风险。即使如此，GPS系统也曾多次发生因运行控制段升级引发的问题。2007年4月，美国空军将第32颗工作星引入GPS星座，然而由于部分接收机的设计只能处理31颗GPS卫星信号，从而产生了无法定位的问题。2010年1月，GPS系统运行控制段软件升级导致军用与授时接收机不能正常工作。

　　7、接收机缺陷

　　除军用、航空接收机按规定需进行相关的专业测试、验收外，大部分民用接收机仅需要通过生产厂商的测试即可投入使用，因而很难避免存在软件或其它缺陷。这种缺陷会以某种方式影响接收机的性能，而且这种缺陷只能在某种特定的情况下才能被发现，如使用被标记为不健康的卫星播发的导航信号、跟踪非标准码信号等，从而对定位导航性能构成严重影响。

　　卫星导航接收设备千差万别，既包括具有解密能力的军用接收机、与生命安全相关的航空接收机、用于测绘测量的接收机，也包括大众消费市场与手机融合的嵌入式接收机，其设计、制造质量与性能水平存在很大差异，接收机缺陷的存在难以避免。

　　（二）传播途径相关的脆弱性

　　导航卫星播发的导航信号需要穿过大气层、电离层才能到达位于地面、空中的用户接收设备（空间用户除外）。因此，卫星导航服务必然受到大气层、电离层变化的影响。

　　对流层位于地球大气的底部，是大气层密度最大的区域，包含了整个地球气象系统。地球气象系统的变化可导致导航信号的延迟，但这种延迟可利用对流层模型进行修正。因此，虽然对流层引入了误差项，但对卫星导航服务并不构成威胁。

　　电离层位于地球大气的顶部，是卫星导航服务的最大误差源。电离层的变化，特别是低纬度、高纬度和太阳黑子活动高峰时期对卫星导航系统具有较大影响。

　　1、电离层电子总数变化

　　电离层电子总数变化对卫星导航服务的影响分为两种情况，其一是电子总数的缓慢变化；其二是电子总数的快速变化。

　　太阳耀斑爆发和日冕物质喷发将导致电离层电子数量快速变化，且这种变化产生的电离层延迟误差不能利用天基增强系统或差分系统进行修正，有可能引发严重的安全问题。

　　2、电离层闪烁

　　电离层小规模的扰动可能造成卫星导航信号传播路径的变化，引发卫星导航信号的多路径效应。此时，卫星导航接收机将接收相位和振幅快速变化的卫星导航信号，如果接收机不具有足够的鲁棒性，则可能失去对信号的锁定。在赤道与两极，电离层闪烁事件经常发生，有时影响范围较大。2003年10～11月，因太阳风暴的影响美国广域增强系统（WAAS）的服务曾中断30小时。

图2　电离层引发的误差示意图

　　3、轨道环境造成服务中断或丢失卫星信号

　　当太阳风暴发生时（耀斑、日冕物质喷发等），空间高能粒子密度与电离层的变化可能导致卫星导航服务中断或丢失卫星信号。一般，上述事件仅引发暂时性的服务中断，但在极端情况下，如发生超大规模的太阳风暴或指向地球的太阳风暴时，可能造成多颗卫星不能正常工作，形成大范围的服务中断。2013年7月22日，太阳发生大规模的日冕物质喷发，其速度达到3000km/s，磁场强度达到110nT。专家预测，如此次事件爆发时间提前9天，喷发方向将指向地球，将对卫星导航、通信等将产生巨大的影响。

　　4、多路径效应引发的脆弱性

　　多路径效应是指接收机接收到经反射的信号，而不是卫星直接播发的信号。造成卫星导航信号反射的包括建筑物、山体等。如果接收机锁定了反射信号，将产生较大的定位误差，

　　有时甚至可达数百米，从而引发定位风险。

　　在卫星导航信号被相对较远的物体（如建筑物）反射时，如果接收机错误地锁定了反射信号，而不是来自卫星的直接信号，将会造成定位精度降低。

　　在卫星导航信号被相距更近的物体发射时，直射信号和反射信号将融合在一起，产生更加难以辨别的误差。

　　多路径效应是普遍存在的，也是接收机研发人员和制造商非常了解的现象，且在接收机中采取各种措施以消除其影响。如采用多路径反射天线、接收机滤波和处理技术等。

　　（三）干扰的脆弱性

　　1、无意干扰

　　产生无意干扰的主要原因是在卫星导航信号相邻频段工作的射频发射设备产生的段外辐射。卫星导航系统信号频率见图3。

　　在国际电信联盟的频率分配中，L频段不仅分配给了卫星导航，还分配给了其它无线电业务，频率分配情况如下：

　　L1频段：移动与固定VHF通信、移动卫星服务、超宽带通信、电视广播、超视距雷达，以及车辆、船舶装备的移动电话等；

　　L2频段：雷达系统，航空无线电导航服务等

　　L5频段：航空无线电导航服务、军事联合战术信息分发系统（JTIDS）、多功能信息分发系统（MIDS）等。

　　同时，不同卫星导航系统之间也存在导航信号的相互干扰问题。

　　自GPS系统投入运行以来，无意干扰一直是影响GPS服务的重要因素。如2001年4月至5月发生的美国加利福尼亚州Moss Landing港干扰事件、2011年发生的光平方事件等均是典型的无意干扰事件；其中Moss Landing港的干扰源为装有前置放大器的电视接收天线；光平方事件则是试图在地面利用分配给移动卫星服务的频段播发4G服务信号。

图3　卫星导航系统信号频率

　　2、有意干扰

　　有意干扰是一种主动干扰行为，其目的是阻止或阻断使用导航导航系统提供的定位导航与授时服务，主要包括阻断、欺骗和虚假信号干扰三种形式。

　　阻断式干扰可分为阻塞式干扰和压制式干扰。阻塞干扰以阻塞卫星导航信号接收的方式，使接收机无法正常接收、锁定卫星导航信号，致使其完全失效或降低其定位精度。压制式干扰是一种具有很高效费比的干扰方法，一般在非常宽的频带上对几乎所有信号进行压制，实现相对简单。其缺点包括：敌我不分，在压制敌方信号时同样压制己方信号，且易于侦测，并被反辐射武器摧毁等。

　　欺骗式干扰是一种以对卫星导航信号的了解、认知为基础，使卫星导航接收机难以辨别真、伪信号或因甄别真伪信号造成计算等工作量增加，导致定位性能降低的干扰方式。目前，欺骗式干扰主要可分为转发式干扰、虚假伪码干扰和相关干扰等。

　　转发式干扰是利用卫星导航信号在空间的传播特性，将收到的卫星导航信号进行人为的延迟，再将信号发射出去。这种干扰不需要详细了解卫星导航信号的参数、伪码结构，所以方法简单，干扰效果明显。

　　虚假伪码干扰依据对卫星导航信号及其结构的了解，拟合出符合卫星导航信号接收规范的伪码，使卫星导航接收机不能识别真实信号与欺骗信号，造成卫星导航接收机解算出错误的定位、导航信息。虚假伪码干扰对卫星导航系统具有摧毁性的干扰效果，但其实现的技术难度非常高。

　　相关干扰可以理解为干扰方没有掌握卫星导航信号确切的伪码结构，但掌握了一种与卫星导航信号相关性较大的伪码序列。这种干扰信号对卫星导航系统形成有效干扰的可能性较大，且技术难度较低，实用性较好。

　　此外，按干扰方的不同，国外将有意干扰划分为违法犯罪型干扰、红队干扰和蓝队干扰三种类型。

　　目前，违法犯罪型干扰处于不断增长的状态，是民用导航信号面临的最大威胁。其实施者大多为偷车贼、道路通行费逃避人员、躲避跟踪系统的人员、逃避商业里程限制或避免公司掌握其行程的车辆驾驶人员等。这种干扰大多是局部的、且影响时间较短，对GNSS的整体应用影响较小。但当某一区域同时出现多个上述干扰源时，有可能在短时间内形成区域干扰网络，对该区域内的卫星导航服务将构成较大影响。

图4　极易获得的车用卫星导航干扰设备

　　红队干扰（如恐怖分子）是针对关键基础设施等实施的有意干扰，可在多个区域同时出现，且功率较大，可能引发严重的后果，影响程度取决于接收机滤波与天线设计。

　　蓝队干扰一般是已方人员为了应对跟踪威胁实施的有意干扰，大多功率较低，其影响与违法犯罪型干扰相似。

　　不论是何种类型的干扰，当其在国家基础设施，特别是采用卫星导航系统精确授时服务基础设施附近长时间工作时，都将对国家基础设施的安全、稳定、高效运行产生不利的影响。

　　随着干扰技术与设备的扩散，干扰的威胁正在不断增大。目前，互联网上销售的小功率低端干扰设备的价格低至不中100美元，且极易获得。大功率干扰设备，如以SUV（越野车或城市多功能车）为平台、发射功率100～1000W的干扰装备，以飞机或重型卡车为平台、发射功率10kW～100kW的干扰设备也呈扩散趋势。发射功率的增加扩大了干扰的有效范围，且由多部干扰设备组成的干扰网络可进一步扩大干扰的有效范围，提升干扰效果。

　　三、国外卫星导航脆弱性对策研究

　　为缓解卫星导航脆弱性对应用的影响，国外主要采取从如下四个方面的措施：

　　（一）加强法律法规建设，强化卫星导航频谱保护

　　由于卫星导航系统固有的脆弱性，各种有意或无意干扰已经成为国家关键基础设施的高效、安全、稳定运行的严重威胁，甚至有可能因此导致社会与经济秩序混乱，引发严重的社会问题。立法保护，已经成为缓解卫星导航系统脆弱性影响的重要措施。

　　美国认为，针对GPS系统的有意与无意干扰事件不断增多的重要原因是处罚力度不足。例如，当一部移动干扰设备在Newark国际机场被发现时，处罚仅仅是没收干扰设备。为此，2010年美国国家PNT顾问委员会建议：美国国家定位导航授时执行委员会应当在国会发起一项立法活动，加重对非法拥有和使用GPS干扰设备处罚，提高违法成本，甚至实施监禁；且必须建立应对干扰行为的快速反应与缓解机制。

　　2012年2月美国联邦通信委员会（FCC）发布强制性文件，将对生产、进口、销售、使用或运行移动通信、Wifi和GPS等信号干扰设备的行为处以最高11.2万美元的罚款。澳大利亚也已经制订了相关法规，对生产、进口、销售、使用或运行GPS干扰设备的行为可处以最高10万美元的罚款。

　　法律法规是建设与维持卫星导航系统安全应用环境的根本依据。不论是有意干扰，还是无意干扰，既对卫星导航系统的安全应用构成了威胁与损害，也构成了对社会公共利益、用户利益的损害。这种损害将随着干扰技术的进步与干扰设备的扩散不断加大，甚至可能危及到国防安全、经济发展与生命安全。

　　（二）提升卫星导航系统性能与能力，缓解卫星导航系统脆弱性

　　提升卫星导航系统的性能与能力是缓解卫星导航系统脆弱性的重要方面。一般包含两个方面，其一，增加卫星导航系统信号功率；其二，增加导航信号数量。

　　信号功率过低是卫星导航系统脆弱性最重要的原因。因此，信号功率的增加可有效的缓解导航导航系统的脆弱性，使其在复杂的环境背景下更易检出、跟踪与锁定；同时，信号功率的增加抬高了干扰的门坎（必须增加干扰信号功率），降低了受到干扰的可能。

　　使用双频或多频导航信号不仅可以消除因电离层干扰产生的脆弱性；同时，也可降低单频干扰的影响，获得更高的可用性。

　　增加信号功率与增加导航信号数量是GPS现代化计划最重要的内容。L1频段军用信号的功率已经从最初的-163dBW增加至-154.9dBW，，未来的点波束军用信号的功率将达到-138dBW；民用导航信号数量将从最初的1个（L1频段C/A码信号）增加至4个（C/A、L1C、L2C、L5），军用信号从2个（2个P（Y））增加至4个（2个P（Y），2个M码）。

　　伪卫星抗干扰技术也是美国军方缓解卫星导航系统脆弱性的重要选择。2010年，DARPA曾启动了一项名为GPX的伪卫星导航计划，计划采用4颗部署在地面或无人机上的伪卫星转发增强的GPS信号，在战场上空构成一个由伪卫星组成的“GPS星座”，即“机载伪卫星”计划。

　　美国空军正在进行基于伪卫星技术的LocataNET高精度陆基定位导航系统的测试，目前第一期测试已经完成，定位精度达到厘米级，且授时与时间同步精度纳秒级。该系统既可与GPS系统协同工作，又可完全独立运行，提供高精度的定位导航授时服务。

　　（三）发展抗干扰技术，提升用户设备抗干扰能力

　　自卫星导航系统提供服务以来，抗干扰技术一直是卫星导航用户设备发展的重要领域，发展了包括极化调零、频域滤波、时域滤波、时频域滤波、轴向调零、自适应天线、组合导航（如卫星导航＋惯性导航）等抗干扰技术。目前，基于软件的无线电抗干扰技术、联合域抗干扰技术和抗干扰系统小型化已经成为未来卫星导航用户设备抗干扰技术发展的重要方向。

　　美国的先进军事装备大多采用组合抗干扰技术，即采用抗干扰技术的GPS＋惯性导航或其它自主导航技术，使美国先进军事导航装备的抗干扰能力达到了50dB。如战斧巡航导弹、F-14、F-15、F-18、F-22战斗机、改进型联合直接攻击弹药（JDAM）等均采用自适应抗干扰技术的GPS接收机＋自主导航（如惯性导航、地形或景像匹配等）抗干扰技术。

　　此外，以DARPA为首的美国先进军事技术研发机构正在发展微PNT技术、全源导航技术等旨在弥补卫星导航服务的能力缺口或不足，确保在无法使用GPS的条件下仍可提供满足需求的定位导航授时能力。

　　（四）发展干扰探测、定位技术，维护卫星导航安全应用环境

　　干扰源的探测、定位既是实现卫星导航安全应用环境建设有法必依的重要保障，也是维持卫星导航安全应用环境的重要技术基础。美国莫斯兰丁（Moss Landing）港与纽约国际机场的GPS干扰事件的干扰源探测、定位花费了数十天的时间，显然这样的探测、定位速度不能满足缓解卫星导航系统脆弱性影响的要求。

　　美国国家定位导航与授时委员会认为：从技术角度而言，干扰源的探测、快速定位并不需要非常高深的技术，而且不需要高昂的投入，关键问题是采取行动－－即部署干扰探测与快速定位系统。例如，扩展现有的蜂窝通信系统发射塔授时型卫星导航接收机的功能，即可快速地识别与报告卫星导航系统的干扰，甚至包括干扰信号的特征、特性等参数，且投入不高。此外，利用移动干扰源大多为车载系统的特征，通过在高速公路监控系统的各监控站点部署干扰监测系统，辅之以各收费站原有的视频采集系统，即可实现干扰告警，又可实现干扰源的跟踪，从而提升高速公路系统干扰探测、定位能力。

　　2014年8月，美国Exelis公司与Chronos公司成功地完成了一款名为“信号哨兵1000”的干扰识别与定位系统的测试。该系统可在16km的范围内对安装在移动车辆上的干扰源进行识别与定位。研发更加快速、准确地干扰源探测、定位技术是重要的，有助于更好地缓解卫星导航系统脆弱性引发的相关问题，对于保证国家关键基础设施高效、安全、稳定的运行，保证卫星导航应用的安全具有重要意义。

　　四、结束语

　　随着卫星导航应用的发展与对卫星导航服务依赖性的不断增强，国外卫星导航系统脆弱评估的重点已经从对卫星导航系统脆弱性的了解与认知，转变为如何缓解卫星导航系统的脆弱性，减轻、降低卫星导航系统脆弱性的影响，以保证卫星导航系统的应用安全。

　　随着北斗系统建设的不断推进与应用的不断发展，北斗系统固有脆弱性对我国国家安全、经济发展的影响也将扩大。借鉴国外卫星导航脆弱性评估成果，特别是缓解卫星导航脆弱性及其影响的对策、措施，将有助于北斗系统安全应用环境的建设与发展，更好地发挥北斗系统在保障国家安全，促进经济发展等方面的作用。

　　（来源：《卫星应用》作者：刘春保编辑：陈飚）

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