衛星導航技術是現代化戰爭信息戰、導航戰的重要組成部分，不僅為精確制導武器制導，還廣泛的應用於智能武器、靶場訓練、戰場救援等場景。但是由於它自身信號的特點，花大價錢建立起來的衛星導航系統，既脆弱又容易被幹擾，因此，我們需要採用相應的抗幹擾手段。導航信號為什麼容易受幹擾？有哪些抗幹擾手段？什麼是陣列天線？抗幹擾手段的作用效果如何？
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為河北師範大學計算機與網絡空間安全學院教授馮冀寧演講實錄：
我要介紹的內容是北鬥的幹擾與抗幹擾，它是屬於應用段的問題，說白了就是接收機的問題。
所謂的幹擾與抗幹擾，主要指的是接收機的幹擾與抗幹擾。
1991年1月17日，在海灣的美軍軍艦上，發射了一枚戰斧巡航飛彈，這顆飛彈在伊拉克的巴格達爆炸，海灣戰爭爆發了。
海灣戰爭的特殊性在什麼地方呢？
我們可以看幾個數字。
這288枚是裝配了GPS的高精度制導飛彈，它的命中率達到了98%。而戰爭僅用了42天，美軍146人陣亡，467人受傷，而伊軍則傷亡超過10萬人。
按照美國人的說法，這場戰爭的勝利是GPS技術使用的勝利，GPS也因此由鮮為人知變得一炮走紅。
之所以有這麼高的命中率，就是GPS技術的應用。
海灣戰爭為世界呈現了一個現代化戰爭的形態，衛星導航技術的應用改變了戰爭形態，徹底改變了人們對戰爭的觀念。
嘗到甜頭的美軍，從1991年海灣戰爭到2003年伊拉克戰爭，以及後期，都大量使用了GPS。
按照它的投彈量計算，海灣戰爭精準制導武器的投彈量是8%，2003年的伊拉克戰爭，精準武器的投彈量已經佔到了90%。
到目前為止，幾乎所有的精確制導武器都裝配了GPS。
GPS除了為精確制導武器制導之外，它還可以應用於各軍兵種的機動平臺的定位、授時，野戰部隊的定位、授時，單兵作戰的定位、授時。
乃至智能武器、靶場訓練、戰場救援的定位和授時等等。
也就是說衛星導航技術在軍事領域的應用，只受我們想像力的限制，凡是需要位置、時間和信息的領域，都可以應用衛星導航技術。
時至今日，衛星導航技術已經成為現代化戰爭信息戰、導航戰的重要組成部分和關鍵的基礎設施。
導航信號容易受到幹擾
但是，這裡有一個轉折。
美軍在基於GPS大幅提升戰鬥力的同時，也給自己帶來了很多麻煩。
比如在歷次戰爭中，都有誤炸盟軍、飛彈跑偏的報導。
在2003年伊拉克戰爭中，美軍對自己的精確制導武器的打擊效果產生了質疑。
之後他們展開了調查，發現他們至少有10枚以上的巡航飛彈遭受到了伊拉克GPS幹擾機的幹擾。
並且伊拉克擁有400多部GPS幹擾機按照一定的地圖分布，來達到最佳的幹擾GPS的效果。
這個時候，大家可能會有一個疑問。花那麼多的錢建立起來的衛星導航系統，難道就這麼脆弱，這麼容易被幹擾嗎？
答案是確定的。它確實容易被幹擾，這取決於它自身信號的特點。
我們知道導航終端，也就是導航接收機，接收到的是兩到三萬公裡以外的導航衛星的電磁波信號。
這個信號傳播的距離非常遠，它到地面上之後，所接收到的信號就非常弱，弱到比噪聲還要弱。
GPS的信號功率比噪聲的功率還要低30dB。
如果我們用專用的儀器觀察，是看不到衛星信號的，只能看到噪聲。
另外一點，它的信道是自由空間，它的傳播空間是完全開放的。所以只要是落在GPS信號頻帶之內的電磁波，都可能對它造成幹擾。
比如工業設備、電力設備、通信設備，還有科研雷達等等。
這些設備所產生的電磁波，如果落在了GPS頻帶之內，它勢必造成一定的幹擾，但是這個幹擾是自然界自然存在的，它不是致命的。
它一般不會影響接收機的接收，但是在戰場狀態下，我們要關注的是人為的、故意的幹擾。
有一種幹擾特別容易產生，就是產生大功率的電磁波。
大功率的電磁波覆蓋導航接收機的頻帶，造成信號接收質量的下降，使它不能正常地定位，那麼就可以幹擾到接收機。
這一類幹擾的顯著特點是電磁波的功率大，但是它很容易產生，我們也把它稱作壓制式幹擾。
在實際中還有一類幹擾更加隱蔽，這類幹擾與真實的衛星信號功率相當，可能稍微強一點，但是信號格式完全一致。
這樣一種虛假的衛星信號，通過衛星信號來欺騙導航接收機，使之產生錯誤的定位結果。
這類幹擾叫做欺騙式幹擾，如果在壓制式幹擾的配合下，將達到更加好的效果。
如果把一個接收機比作一個人，那麼壓制式幹擾就像對這個人進行強光照射，使他致盲。
而欺騙式幹擾是給這個人提供虛假的景象，讓他迷失方向。
通常的幹擾方式是先發送壓制式幹擾，使接收終端不能正常接收正確的、真實的衛星信號。
然後等它恢復，這個時候關掉壓制式幹擾，等它恢復正常接收的時候，讓它眼前看到的是虛假的景象，也就是欺騙式幹擾。
這是2011年伊朗劫持美國RQ-170無人機的圖片。
根據當時伊朗的報導，是他們擊落了美軍的無人機，但是從圖片中無人機的完整性上來看，這顯然不是飛彈擊落的效果，它也更不可能是用繩子把它套下來的。
它最有可能的，就是壓制式幹擾和欺騙式幹擾的互相使用，使接收機產生錯誤的定位結果，而進入到伊朗的境內，被伊朗人捕獲。
難道就沒有辦法保證接收機在戰爭狀態下正常地工作嗎？
衛星導航抗幹擾模式
那就要採用相應的抗幹擾手段。你有幹擾，我就抗幹擾。
左邊這個圖是衛星信號幹擾和抗幹擾接收機的關係圖。
抗幹擾接收機相對於普通接收機而言，它的顯著特點是採用了一種特殊的天線，這個天線就是圖上那些黑點構成的一個陣面。
這其中的一個陣源就可以作為一個普通接收機的接收天線。
它是把多個接收天線放在一個正面上，按照一定的規則排列，構成的陣面，我們把它稱作陣列天線。
陣列天線對於欺騙式幹擾，基本上是沒有什麼作用的。
欺騙式幹擾的信號功率和真實的衛星信號的功率是相當的，並且它的信號格式也是一樣的。
所以欺騙式幹擾如果來了，它會經過天線直接進入後端的接收機，進入接收機以後，就要靠接收機自身的分析判斷能力。
通過自身分析判斷它所接收到的哪顆星遭受到了幹擾，定位的時候捨棄掉這顆星就可以了。
陣列天線什麼時候起作用呢？
就是在大功率的壓制式幹擾到來的時候。
現在我們看到的就是一個硬體條件，當然基於它還不夠，還要配合相應的算法。
基於陣列天線完成抗幹擾主要有兩種模式，左邊這張圖像手套一樣，這個輪廓是通過陣列天線所形成的方向圖。
方向圖表徵的是天線在各個方位上接收信號的能力。
在沒有幹擾的情況下，或者這個輪廓是一個相對規則的橢圓，那麼它接收各個方向的信號的能力也是相當的。
但是，當大功率的壓制幹擾到來的時候，向上就要產生一個凹陷，這個凹陷方向的幹擾接收能力不就減弱了嘛？
這種模式需要關注的是幹擾來向的估計精度，以及這種凹陷，我們把它稱作零陷，隨著幹擾與平臺相對位置的變化。
算法的收斂速度、方向圖的畸變，會影響定位精度。
右邊這個圖是多波束抗幹擾方式，彩色部分也是陣列天線所形成的方向圖，相當於幾個小花瓣一樣的東西，每一個花瓣就是一個波束，一個波束指向一顆衛星。
這種方式是需要知道衛星的坐標，需要知道自身的姿態，同時，它還需要接收機來配合它。
這種方式的一大優點就是它的方向圖不發生畸變，但是它的缺點是需要更多的信息來保證它準確地指向衛星。
這兩種方式總結一句話就是，零陷方式只關注幹擾來向，而多波束方式只關注衛星信號來向。
這是目前國外一些著名的軍事相關的企業，比如五月花、雷神、羅克韋爾柯林斯，這些公司所研製的一些抗幹擾產品，它們的抗幹擾能力基本上都在100dB左右。
右下角的圖片是羅克韋爾公司宣傳的它們的GBAS系統，也就是抗幹擾模式下的精進著陸系統。
它滿足抗幹擾能力和高精度定位，能夠應用於艦載機的著陸。
這是一個表格，看上去非常複雜，大家只要看左邊數第二列四項，第一項軍碼直捕，第四項組合導航技術。
這兩項主要是從接收機端來增強接收機自身的穩健性，使接收機更加強壯，提高它的智商。
中間這兩項濾波技術和波束形成技術，主要是從天線端來完成抗幹擾的能力的提升。
抗幹擾是一個系統的、綜合的效果，單獨某一個方面都不可能解決所有的問題。
抗幹擾手段的作用效果
採用了抗幹擾手段之後，我們來和不採用抗幹擾手段比較一下，它們的效果能差多少呢？
我們以幹擾的有效作用距離為準則，這張表的橫坐標是幹擾功率，縱坐標是幹擾的有效作用距離。
柱狀圖裡褐色的代表的是對普通接收機的幹擾的有效作用距離，藍色的代表的是對抗幹擾接收機的有效作用距離。
實際上有效作用距離差得很多，大家幾乎看不到藍色的，它幾乎成了一個二維的東西。
這是可以計算出來的，採用抗幹擾和不採用抗幹擾能將幹擾的作用距離縮短1000倍。
也就是說，原來幹擾方1000米的距離就能打到我，採用抗幹擾以後，它只有走到我的跟前1米的距離才能打到我。
這個距離，我已經可以跟他肉搏了。
這個問題，我們換一個角度。
最右邊最高的柱代表它的橫坐標是一兆瓦，一兆瓦對於普通接收機，幹擾距離是14000公裡，而對於抗幹擾接收機，它的有效作用距離被壓縮到了14公裡。
14公裡已經很近了，即便是突防至14公裡之內，我的導航終端失效了，我還有其他的導航手段來完成末端的續航，完成末端的打擊。
這是我們平時做實驗過程中的一個例子。
從這張圖上大家會看到，三根柱子上放的是幹擾源，或者叫釋放的幹擾源，中間放的是一個抗幹擾天線，抗幹擾天線距離幹擾源3米左右。
我們做了一個什麼樣的實驗呢？
就是抗幹擾天線連接一臺接收機，同時把另外一臺單天線，也就是不具有抗幹擾能力的天線，接到另外一臺接收機上。
並且把它放在和這個天線相距離30米以外的地方，而且中間隔著兩道鐵門，起到屏蔽的作用。
打開幹擾之後，沒有抗幹擾能力的那臺接收機，馬上就不能工作了，而具備抗幹擾能力的接收機，依然可以正常地工作，這就是抗幹擾與不抗幹擾效果的區別。
幹擾與抗幹擾是一對矛盾，幹擾與抗幹擾的博弈也會影響戰場的態勢。
我相信在不久的將來，我們的北鬥人一定會研製出世界一流的抗幹擾產品，為我們的北鬥應用保駕護航。
「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。