美國GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展分析

2018-03-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1997年,美軍正式提出“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念,并將其定義為:阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,保證己方和盟友部隊可以有效地利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,同時不影響戰(zhàn)區(qū)以外區(qū)域和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。美軍還確立了導(dǎo)航戰(zhàn)的作戰(zhàn)目標(biāo),即:“在戰(zhàn)場上取得導(dǎo)航優(yōu)勢;確保GPS系統(tǒng)正常運行,使美軍和盟軍不受干擾地使用該系統(tǒng);阻止敵軍在戰(zhàn)場上使用GPS系統(tǒng),并使敵方的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能正常工作或不能正常使用其服務(wù)”。

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導(dǎo)航戰(zhàn)概念的提出有效促進了美國導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展。從當(dāng)前全球?qū)Ш綉?zhàn)技術(shù)的發(fā)展角度看,美國處于全球領(lǐng)先地位,主導(dǎo)、引領(lǐng)著全球?qū)Ш綉?zhàn)技術(shù)的發(fā)展。

GPS系統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)

GPS系統(tǒng)發(fā)展之初,美國敏銳地認(rèn)識到:戰(zhàn)時,全球部署的GPS系統(tǒng)運行控制段極易受到敵方的干擾與攻擊,導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能提供滿足軍事作戰(zhàn)要求的服務(wù)。1985年初,美國空軍航天系統(tǒng)部委托國際商業(yè)機器公司(IBM)進行了一項深入開發(fā)自主導(dǎo)航系統(tǒng)算法的研究。1987年5月.空軍航天系統(tǒng)部發(fā)出了有效載荷的招標(biāo)合同,正式提出自主導(dǎo)航功能要求。在目前的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中,GPS-2R和2F衛(wèi)星采用了自主導(dǎo)航技術(shù)。GPS-2R自主導(dǎo)航系統(tǒng)有3大設(shè)計特色:每顆GPS衛(wèi)星均有計算能力,具有特高頻(UHF)星間鏈路測量和通信系統(tǒng)。通過采用自主導(dǎo)航技術(shù),GPS-2R衛(wèi)星的生存能力大大提高,主要表現(xiàn)在:能從比較嚴(yán)重的核打擊中恢復(fù)工作;通過部件設(shè)計和采取冗余手段提高了可靠性;在沒有地面測控支持的條件下播發(fā)180天的GPS衛(wèi)星位置和時鐘數(shù)據(jù),用戶測距誤差可達6m。GPS-2F衛(wèi)星能通過星間鏈路收發(fā)指令及遙測數(shù)據(jù)。GPS-3于2001年開始實質(zhì)性的研制,計劃于2018年首次發(fā)射。GPS-3系統(tǒng)將采用新的高速上行/下行鏈路和星間鏈路通信結(jié)構(gòu),這將使GPS-3衛(wèi)星運行發(fā)生變革。GPS-3衛(wèi)星至少有3點不同于以前的型號:高速遙測、跟蹤和指令上行鏈路和下行鏈路;高速、定向星間鏈路;完好性功能。

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航拒止技術(shù)

導(dǎo)航拒止技術(shù)是導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。美軍認(rèn)為,在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)滲透到幾乎所有領(lǐng)域的前提下,導(dǎo)航拒止技術(shù)也許是比導(dǎo)航增強、抗干擾技術(shù)更重要的導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)。特別是在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施(如通信與網(wǎng)絡(luò)、金融證券、交通運輸、電力網(wǎng)絡(luò)等)越來越多地依賴衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)保證高效、安全、穩(wěn)定運行的今天,對美國而言,阻止、拒絕敵方使用GPS系統(tǒng)已經(jīng)成為美國對敵方實施綜合打擊、破壞或制約敵方戰(zhàn)爭潛力的重要打擊手段。

GPS-2F衛(wèi)星采用的星上信號功率可調(diào)技術(shù),通過降低GPS系統(tǒng)民用信號的播發(fā)功率,提高軍用信號播發(fā)功率,一方面實現(xiàn)GPS軍用信號的增強,提升抗干擾能力;另一方面同使相關(guān)區(qū)域內(nèi)的民用GPS接收設(shè)備無法跟蹤、鎖定GPS民用信號,實現(xiàn)對敵方使用GPS服務(wù)的拒止。未來,GPS-3衛(wèi)星將全部擁有該能力,預(yù)計到2025年左右GPS系統(tǒng)將全面擁有導(dǎo)航拒止能力。

從目前的發(fā)展看,尚無消息證明歐洲與俄羅斯開展了導(dǎo)航拒止技術(shù)的研發(fā)。因此,至2025年左右,將只有美國GPS系統(tǒng)擁有拒絕與阻止敵方使用GPS系統(tǒng)的能力。

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GPS系統(tǒng)功率增強技術(shù)

功率增強是提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)抗干擾能力的重要手段之一。美國已經(jīng)和正在發(fā)展的功率增強技術(shù)包括星上信號功率可調(diào)技術(shù)和點波束增強技術(shù)兩種技術(shù)途徑。

從星上信號功率可調(diào)技術(shù)的角度分析看,該技術(shù)利用星上控制系統(tǒng)與相關(guān)的星上功率管理程序?qū)崿F(xiàn),不需要增加有效載荷硬件,不增加對衛(wèi)星平臺、電源系統(tǒng)等的要求,不會導(dǎo)致星上電源功率、有效載荷和衛(wèi)星質(zhì)量的增加,技術(shù)實現(xiàn)的難度較小。但星座信號功率可調(diào)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的信號功率增加幅度有限,如美國GPS-2F衛(wèi)星利用星上信號功率可調(diào)技術(shù)僅能實現(xiàn)軍用導(dǎo)航信號7dB的增加。

相對于星上功率可調(diào)技術(shù),點波束技術(shù)功率增強幅度大,可有效地提高干擾環(huán)境下導(dǎo)航接收設(shè)備鎖定、跟蹤導(dǎo)航信號的能力。如美國正在發(fā)展、計劃用于GPS-3C衛(wèi)星的點波束增強技術(shù),可在點波束的覆蓋區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)軍用信號功率增強20dB。但是,點波束增強技術(shù)需要專用有效載荷的支持,如點波束天線、展開與指向控制機構(gòu)、功率放大器、控制電路等,對衛(wèi)星平臺和供電要求高,將導(dǎo)致衛(wèi)星質(zhì)量、體積、成本和功耗的明顯增加。整體而言,實現(xiàn)的技術(shù)難度更大。

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美國空軍在2015年啟動的導(dǎo)航技術(shù)試驗衛(wèi)星-3項目中,安排了兩項與功率增強直接相關(guān)的先進技術(shù)試驗驗證項目,分別為氮化鎵高效放大器技術(shù)和用于實現(xiàn)高增益區(qū)域增強的先進天線技術(shù)。由此表明,功率增強仍是美國空軍增強GPS系統(tǒng)抗干擾能力的重要技術(shù)途徑。

在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)

軟件無線電技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)在軌可重新編程與信號重構(gòu)提供了可能。

美國空軍在導(dǎo)航技術(shù)試驗衛(wèi)星-3項目中,將“在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)”的優(yōu)先級列為最高。在軌數(shù)字波形生成器技術(shù)在功能上是一種類似于軟件無線電、利用硬件加以實現(xiàn)的技術(shù),可實現(xiàn)導(dǎo)航信號波形、中心頻率等多種參數(shù)的調(diào)整,可在GPS系統(tǒng)受到干擾時,調(diào)整或改變GPS系統(tǒng)導(dǎo)航信號的參數(shù),從而提升或增強抗干擾能力。

從導(dǎo)航技術(shù)試驗衛(wèi)星-3項目開展的先進導(dǎo)航技術(shù)試驗驗證情況看,美國空軍將在軌可重新編程與信號重構(gòu)技術(shù)視為功率增強技術(shù)之后提升GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的重要途徑與技術(shù)發(fā)展方向,希望通過硬件技術(shù)與軟件無線電技術(shù)的集成,解決軟件無線電技術(shù)誤碼率過高的問題,實現(xiàn)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的提升。

網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證技術(shù)

美國空軍認(rèn)為,網(wǎng)絡(luò)攻擊將成為未來GPS系統(tǒng)面臨的重要威脅之一,因此GPS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證已經(jīng)成為美國必須解決的問題。

網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證是美國新一代“運行控制系統(tǒng)”(OCX)具備的重要核心能力。美國空軍為GPS新一代“運行控制系統(tǒng)”設(shè)計了多層防護的安全結(jié)構(gòu),以應(yīng)對由內(nèi)部威脅、物理威脅、網(wǎng)絡(luò)威脅與供應(yīng)鏈威脅構(gòu)成的安全威脅。

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從“運行控制系統(tǒng)”的發(fā)展情況看,美國空軍與該系統(tǒng)的主承包商雷聲公司均表示,系統(tǒng)研發(fā)拖延的主要原因分為兩個方面,一是主要與網(wǎng)絡(luò)安全和信息保證有關(guān)的“運行控制系統(tǒng)”的設(shè)計更改;二是低估了系統(tǒng)軟件開放的難度與工作量。由此可見,網(wǎng)絡(luò)安全和信息保證研發(fā)的技術(shù)難度很高,應(yīng)從“運行控制系統(tǒng)”設(shè)計初始階段就深度集成網(wǎng)絡(luò)安全和信息保證技術(shù)和系統(tǒng),從而降低復(fù)雜程度和開發(fā)工作量。

按當(dāng)前的計劃,2017年底前OCX Block 0將完成交付,以支持2018年GPS-3衛(wèi)星的首次發(fā)射。2020年將完成OCXBlock 1和Block 2的交付,使運行控制系統(tǒng)具備全面支持GPS-3A衛(wèi)星和M碼軍用信號、星上信號功率可調(diào)等功能的運行。

從未來需求的角度看,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力將成為軍事定位導(dǎo)航授時服務(wù)能力的重要支撐,是對抗條件下衛(wèi)星導(dǎo)航能力安全可靠、穩(wěn)健可用的基本保障。與GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力相比,我國“北斗”系統(tǒng)尚存在較大差距。因此,應(yīng)對“北斗”系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)的研發(fā)與能力的提升給予充分的重視,使“北斗”系統(tǒng)安全、可靠地服務(wù)于國家發(fā)展和安全。

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