拿什么来拯救你，我的信号 拿什么来拯救你 我的爱人

　　2008年7月，波音公司完成了改进型GPS Block IIF卫星的环境实验，发射部署指日可待。根据美军导航站计划要求，新一代GPS在机动性、抗干扰能力和可升级性方面较以往有了大幅提升，同在今年，苏联的“遗腹子”GLONASS在俄罗斯和印度的共同推动下投入商用GALILEO也终于在欧盟长期议而不决的争吵中进入项目部署招投标阶段，中国的“北斗”在抗震救灾中大显神威，今年，也许是卫星导航最不甘寂寞的一年，但是，5年前GPS遭受干扰的情景仍然历历在目，干扰始终是困扰卫星导航系统的心腹大患。
　　
　　在德国有一个古老的传说，莱茵河的长女罗雷莱是一个拥有绝美姿色的少女，她终日坐在一块巨石上，以曼妙的歌声引诱来往的航行者，一步步将他们引向礁石，卫星导航系统一直面临着潜在的干扰威胁，正如莱茵河上的航船系统一直　面临着潜在的干扰威胁，正如莱茵河上的航船上妖冶的罗雷莱，它们将如何摆脱被迷惑的命运呢?
　　主持人：读者朋友们，大家好!今天做客本节目的嘉宾大家一定非常熟悉，�就是大名鼎鼎的全球卫星定位系统――GPS。海湾战争中，尚未部署完毕的CPS竟出人意料的一战成名，伴随着“战斧”的游弋红遍全球。从那以后，无论是军事学者还是普通发烧友，谈及信息化战争，必言GPS。但是，时过境迁，这个庞大的全球系统屡屡承受安全问题所带来的“八卦”新闻。网友诗云：“战斧”导弹敲开门，CPS抖精神。遇上干扰挺闹心，屡被忽悠丢了人……那么，五年过去，美国国防高级研究计划局又为提升GPS安全性做了些什么呢?
　　下面我们就将采访GPS是如何应对电子干扰的。并将为您对话导航业界几巨头――GLONASS、GALILEO和刚刚从中国四川抗震一线归来的“北斗”，请他们就抗干扰这个话题谈一谈自己的看法，我们今天的第一个话题是――
　　
　　GPS为何容易被干扰
　　
　　主持人：我们都知道GPS是迄今为止最为庞大与成熟的卫星导航系统，但为什么面对干扰如此脆弱呢?
　　GPS：地面接收信号功率低是主要元凶。因为卫星平台的空间很有限，导航载荷受到严格限制，而且仅靠太阳能电池，不能提供很强的能源，所以星上发射面所接收到的信号功率相当低。
　　主持人：有多低?
　　GPS：大概是电视机接收信号的十亿分之一，或者说，相当于在16000千米外寻找一个25瓦灯泡所发出的光。
　　主持人：除此之外，还有其它容易被干扰的因素吗?
　　GPS：有。整个星座的发射频率和调制方式都是固定的，而且是公开的。所发射的三种码中，民用C/A码和军用P码编码方程式也已经公开。
　　主持人：俄罗斯从上世纪80年代起开始展开GPS对抗研究，已经有数代干扰设备问世，并在科索沃战争和伊拉克战争中崭露头角，这些产品甚至在网上兜售，其价格从数千到数万美元不等。有专家称这些干扰机仅对民用C/A码有效，但为什么它们还是给美军造成那么多麻烦呢?
　　
　　GPS：现行的导航码主要有三种，民用C/A码、军用P/Y码和军用M码，军用码在精度、保密性和抗干扰能力上都要高于民码。从技术角度来讲，制作干扰C/A码的干扰机并不困难。麻省理工学院林肯实验室的一个博士花费500美元，用现有部件制作了一个功率为1瓦的干扰机，其直径仅有76毫米，用电池供电，取名为“Hoekey Puek”(曲棍球精灵)。这个小东西被拿到Hanseom空军基地进行试验，居然有效干扰了方圆70千米的GPS民码信号。500美元的干扰机能威胁耗资300亿美元的庞大系统，的确令人愕然。从理论上讲，军用P/Y码的抗干扰能力约是民码的50倍(抗干扰裕度高17分贝)。但要命的是，军用码的信号捕货相当困难，传统的军用接收机为实现快速捕获，都是首先捕获民码信号再转而与军用码信号同步的、因此，一旦民用C/A码被干扰电波“淹美”掉，接收机也就自然而然的与军用码“脱扣”了。
　　主持人：如此说来，GPS系统果然很容易被干扰“忽悠”。那么，我想美国国防部高级研究规划局和GPS联合计划办公室绝不会袖手旁观，下一个话题我们来谈一谈――
　　
　　GPS的抗干扰举措
　　
　　主持人：我一直有个问题，既然GPS面对干扰如此脆弱，当初设计时难道没有考虑到这种情况吗?
　　GPS：唉，说起来很无奈。在设计阶段，军方根本没有指望我在干扰环境下发挥作用，仅仅是作为一种导航的辅助手段，而非用于精确制导，因此抗干扰能力不是设计者优先考虑的因素。但当我崭露头角，逐渐成为美国国家基础设施和军方不可或缺的工具后，却猛然暴露出了自身的安全问题。不过也必然有一部分初始设计考虑到了抗干扰能力，比如在信号的调制方式选用了当时十分前卫的CDMA技术，CDMA的意思就是为不同的用户分配不同的编码。打个比方，在一个大房间内有一群人在谈话，有人用中文，有人用英文，这时候突然冒出来一个人用日语讲话，屋内的人是不会理会的，因为在他们听觉里日语会被当作噪声滤除掉。想要干扰他们谈话，必须要会中文或英文。也就是说，只有掌握GPS全部编码方式实行相关干扰才能达到理论上最佳的干扰效果。
　　主持人：那如果屋子里跑进来一个人，什么语言也不懂，就是嗓门大，不也能干扰屋内人的谈话吗?
　　GPS：没错，不管用什么编码，大功率的干扰信号的确会把我的信号“淹没”掉，这取决于我的信号处理增益。采用CDMA技术体制，如果有足够的处理增益，依旧可以把被淹没掉的信号“捞”出来。但这种能力也很有限，因为刚才已经提到，我的卫星的发射功率不可能很大，离接收机又有数万千米之遥，而在地面的干扰机不仅功率大，而且近在咫尺。
　　主持人：那不能使卫星发射的信号功率更强一些吗?
　　GPS：这个办法早就有人提过。但问题依旧源于CDMA体制。CDMA是一个“自干扰”系统，占用的频段很窄，也就是说一个屋子里的人各自说话，谁的嗓门大一点都会影响到其他人。当然天无绝人之路，伊战之后发射的GPS卫星采用的军用M码引入了一种称为“分谱调制”的技术，奥秘就是将功率集中在所分配频段的边缘，而原有的军用和民用码信号功率集中在频段的中心，避免了频率“撞车”，又采用了新的天线面板技术，自然可以把功率往上提一提。而且M码还做到了与民用码信号的完全分离，接收机终于可以直接捕获军用码而不再需要民用信号的引导了。这就是说，不仅你干扰我的民用码没有用，而且我也可以直接关闭某一区域的民用信号，让处于那一区域的非盟友GPS使用者不能获得免费的午餐。
　　主持人：众所周知，GPS是个全球性的系统。但在我们中国的经典军事理论中有一条叫做“集中优势力量”，对“热点”地区能不能多摊一点功率呢? 　　GPS：以前我们真没考虑过这个问题，在伊拉克打仗的和在加州晒太阳的接收机所接受的功率都一样。但后来我们逐渐意识到，这么吃大锅饭肯定不行。2003年发射的后续卫星提供了一种“区域增强”能力，在保证全球覆盖的同时提供热点的功率增强；预计在2013年发射的GPS blockⅢ星座还将提供更强的“点波束”能力，可控精度更高
　　主持人：我们说了半天都是绕看卫星打转，卫星功率又不大，离地面又远，信号还得穿过一个飘忽不定的电离层，那不用卫星行不行?
　　GPS：还别说，真不是打岔，不用卫星肯定不行，但不完全用卫星肯定行,美国国防高级研究规划局有一个增强GPS的“GPX”概念，其思路是用4架“全球鹰”高空长航时无人机发射与GPS星座相同的导航信号，但功率要强很多，覆盖300平方千米的战区来对抗敌方干扰，发射导航信号的无人机被称为“伪卫星”。距离近了，功率大了，抗干扰能力自然是“杠杠的”。但话又说回来。“伪卫星”无人机的飞行没有卫星稳定，会增大20％的定位误差，所以没有干扰的时候这种办法最好别用。
　　
　　主持人：刚才我们所谈及的都是信号发送端的抗干扰手段。那接收机有没有什么对抗干扰的高招呢?
　　GPS：当然有了。比较常见的是“自适应调零天线”技术。
　　主持人：自适应……调零?这听起来好像很复杂啊!
　　GPS：没错，都是高科技嘛。�开这个让人头晕的名词不谈，我先把原理跟大家说一下。每个天线，都有个有效接收区域，不管是GPS星座还是干扰机，只要位子这个有效区域内，天线就照单全收。在立体空间上，这个区域有点像一个倒过来的“大窝头”，被窝头包住的干扰机都会给你捣乱，我要抗干扰，首先要给干扰源定位，再让天线自主改变这个区域，给“窝头”挖个洞，让干扰源不在我天线的有效接收区域内就行了。说起来简单，但实现起来代价相当大。像F-16使用的导航天线阵，包含7个阵元，可以对付来自6个不同方向的干扰。雷锡恩公司将有5个阵元的自适应调零天线用于“战斧”Block IV。
　　主持人：如果GPS和其它导航系统联合使用是不是也可以对抗干扰呢?
　　GPS：可以，一般是与惯性导航系统(INS)耦合使用。虽然一个高精度的惯性传感器价格极其高昂。但INS完全不受电子干扰的影响，可以在GPS信号遭受强压制时弥补导航精度的下降，目前采取GPS+INS制导武器众多，其中包括JDAM、JSOW、AGM-84“鱼叉”、AGM-86C空射巡航导弹以及英法合作研制的“暴风之影”等等。
　　主持人：当然啦，除了与惯性导航系统联合之外，CPS是不是还可以与其它卫星导航系统组合使用呢?其它系统又有什么特色呢――
　　
　　与GPS分庭抗礼
　　
　　主持人：俄罗斯不也有自己的卫星导航系统CLONASS吗?下面我们将电话联线这位场外嘉宾。(嘟――)GLONASS你好，跟大家打个招呼吧!
　　GLONASS：嗯，大家好，我是CLONASS。我吧从一开始在抗干扰这方面，就做的那啥，比较“哈拉绍”。多了不说，就说我这个FDMA+CDMA的体制吧，是拿不同的频率区分各个用户的，频率分得开，所以想干扰我的全部通道没那么容易的，至少比GPS抗干扰。
　　GPS：吹，接着吹。你现在连覆盖全球的能力都没有，在轨卫星组网都成问题。24颗星的星座只部署了17颗工作星，这里边还包括马上就要寿终正寝的。你们国内5 000架飞机中有1200架装了卫星导航设备，但92％是用我做接收机，装备GLONASS接收器的只有区区8％。
　　GLONASS：我……我们总统说了，到2009年底全部24颗卫星就能部署完。而且，新的GLONASS-M卫星比老卫星轻了一半，功率依然比你GPS强，对抗干扰明显更占便宜。
　　主持人：哎，好了好了，两位嘉宾就不能尽弃前嫌。携手合作呢?市场上已经有了类似的组合导航接收机了啊。
　　GLONASS：想联合的确没那么容易，我跟GPS用的坐标系不一样，时钟也不好统一，信号体制及内部算法都不相同，联合难度大，但也不是不可能。
　　
　　主持人：对，“伽利略”便是号称具有GPS和GLONASS兼容能力的导航系统，而且据说设计精度在其它导航系统中是最高的。下面我们联线来自欧罗巴的“伽利略”，听一听他的看法。(嘟――)
　　GALILEO：Hello，evrybody! 大家好!我是……(嘟-嘟-)
　　主持人：喂?喂?……呃，经过我们的技术人员证实，由于“伽利略”系统目前仅发射了2颗试验卫星。现在他们都已经飞离对话室上空，很遗憾我们失去了他的信号。接下来我们将联线目前世界唯一成功应用的双静止卫星导航系统――“北斗”(嘟――)
　　北斗：主持人好!大家好!
　　主持人：前段时间四川发生了大地震，在抗震救灾中“北斗”发挥了其它导航系统无可替代的作用，这是为什么呢?
　　北斗：这主要得益于我的点对点通信功能。相对于美国、俄罗斯和欧洲的无源导航系统，我采用了有源应答的定位方式，我的用户终端包含了一个发射机，可以利用“北斗一号”导航星座向其它终端发送中英文短消息。在通信完全中断的重灾区，这些短消息成为外界了解灾区情况、及时组织救援的重要通信工具。震后20小时，一支携带“北斗”的救援分队开始强行军挺进震中。在震后数天时间内，中央紧急向灾区拨调了千余部“北斗”用户机，用于救援力量的定位与通信、
　　主持人：这么说，“北斗”是目前唯一具有通信能力的卫星导航系统，但是你的卫星轨道比其它卫星导航系统高出1万多千米，到达地面的信号功率肯定更低，是不是意味着抗干扰能力差?
　　北斗：也不尽然。我采用和GPS相似的CDMA信号体制。有一定的抗干扰容限。而且，我的编码纠错能力要强于其它系统。对于授权用户，我还可以进行功率增强。对于敌方冒充的用户信号，我可以永久停止响应，对其实行“遥毙”。
　　主持人：听说“北斗”二期工程将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星的庞大星座组成，并发展为一个全球性系统，这是真的吗?
　　北斗：呵呵，这个前景是很令人期待的，到时候大家自然会看到。
　　主持人：我们的确很期待。好的，最后让我们回到对话现场，我做了一个简要的总结表。不知此时GPS又是怎么想的。
　　GPS：“卫星导航”这个名词出现已有30年，“导航战”这个概念也提出了10年之久。想过去。看今朝，我此起彼伏。从历史来讲我是继Internet之后世界上最为成功的军民两用系统。虽说我现在应对干扰的措施不少，但面临的挑战仍然是相当大的。比如说，军用码可能因为军用接收机的遗失而泄露，无人机充当的伪卫星也只能用于掌握绝对制空权的地区，自适应调零天线性价比不高、难以推广等等。说句良心话，干扰与抗干扰本是结伴而生的，没有谁能永远占据上风。我也是在哪跌倒在哪爬起来，在挫折中不断前进的。所以，我用一句话来作结束吧――我抗，故我在。
　　
　　编辑　何　懿