从美国NTS-3研究计划看拒止环境下的卫星导航技术发展

全球卫星导航系统(GNSS)是20世纪以来人类在导航定位领域的重大技术进步成果,在现代战争和国民经济发展中,导航技术正发挥着日益重要的作用。当前以GPS、北斗等为代表的一大批现代导航定位系统的快速发展,为现代战争提供了更加精确、可靠和全面的时空基准,也为交通运输、工程建设、现代物流、精细农业等国民经济的各个门类提供了更加丰富准确的地理信息支持,催生了蕴含巨大发展潜力和经济价值的地理信息及位置服务产业。可以说当前GNSS几乎渗透到了国防和国民经济的各个方面。

一、卫星导航系统(GNSS)拒止环境分析

随着GNSS技术的不断发展,针对GNSS及其运行环境的争夺和控制正愈发激烈,现有GNSS系统的安全性和可靠性正面临前所未有的挑战。当前,针对GPS信号和系统的干扰、欺骗、攻击等对抗手段层出不穷,卫星导航系统的运行环境正在逐步恶化。当前,针对GNSS系统的潜在威胁主要包括:

(1)针对GNSS卫星的杀伤和干扰:通过反卫星武器直接杀伤导航卫星,目前已经出现的包括定向能武器、反卫星导弹等多种反卫星武器都可以用作空间段攻击手段,一旦GNSS卫星被摧毁或不能正常工作,GNSS系统将陷入全面瘫痪。

(2)针对GNSS地面运控段的破坏:于GNSS的地面运控站、监测站和上行注入站等地面运控设施一般为全球部署,因此可针对这些设施采取无线电干扰、信息安全攻击等手段,从而使得这些地面运控设施难以正常工作,从而使得整个导航系统无法正常运转

(3)针对GNSS用户的干扰和欺骗:在实际应用中,可采用压制干扰和诱骗等多种手段,对于机载、车载、弹载和单兵手持等导航终端进行直接干扰,使其无法输出或错误输出导航信息,进而起到干扰导航系统正常使用的作用

正是基于上述严重的潜在威胁,美国前任空军部长希瑟·威尔逊(Heather Wilson)曾形容美国GPS系统的脆弱性为:它是在石头发明之前建造的,众所周知的玻璃房子。当前美军各项军事行动和装备极大的依赖于GPS所提供的精确定位、导航和授时(PNT)服务,但由于GPS潜在的脆弱性,导致美军方不得不经常演练如何在GPS拒止(被干扰、破坏、欺骗和摧毁)的环境中遂行各项军事任务。因此美国军方迫切的需要相关的技术来提升GPS系统本身的安全性和鲁棒性,并在GPS拒止条件下能够确保其军事行动不受到致命影响。出于这一考虑,美国空军在其导航技术卫星(NTS)研究计划的基础上,逐步开始了NTS-3的研究工作。

二、NTS研究计划沿革

NTS计划起源于1964年,最早由美国海军太空技术中心(NCST)提出,其目的是为了探寻在全球范围内提供三维(经度、纬度和高度)导航的可行性研究。该计划在1967年发射了第一颗TIMATION 1号卫星,1973年TIMATION计划与空军开展的621B计划合并,形成了现在的NTS计划,1974年发射了首颗NTS-1卫星,1977年第二颗NTS-2卫星升空。NTS在其前两个阶段中,先后验证了其卫星轨道控制、相对时间偏移控制等相关技术,对确保早期GPS系统的建设发挥了非常重要的作用。当前的NTS-3计划旨在在现有GPS的基础上进一步强化GPS导航系统的安全性和可靠性。

NTS-2卫星

三、NTS-3当前最新进展

目前,NTS-3计划已经被美国空军列为了其先锋项目之一,由此可见美国军方对该项目的重视。2018年12月,美国空军研究实验室(AFRL)向美国哈里斯公司(HARRIS)授予了一份价值8040万美元的NTS-3研究合同。根据研究计划,哈里斯公司将在诺斯罗普·格鲁曼公司的ESPAStar卫星平台的基础上研制制造一课NTS-3卫星。据悉,该卫星重量约为1250kg。预计将于2022年发射。该卫星是一颗小型的地球同步静止轨道卫星,作为地球静止轨道中的独特测试平台,NTS-3将实现多种集成先进技术实验和新操作概念开发。包括实验天线、灵活和安全的信号、增强自动化和商业资产的使用。被检验成熟的技术和从NTS-3获得的新科技,将转化为未来GPS设计和国家PNT能力的增强潜力,向美国空军太空司令部展示如何使用NTS-3等多颗卫星来增强GPS。2020年8月,该项目通过了初步设计评审。

相比于传统的GPS导航卫星,NTS-3卫星的主要特点包括:

一是具备在强干扰情况下的在轨信号自适应重构能力该卫星可以在轨道上进行自主操作,当卫星受到强电子干扰时会立即切换到其他波段继续提供服务。同时还配备有固态放大器和可控相控阵天线,能够为需要的人员提供增强型的信号覆盖。而当前的GPS卫星主要采用固定频点(L1\L2\L5频点)上的信号生成和发射能力,其信号格式、空间波束、信号功率等均已固定,一旦受到强干扰将很难进行自适应的转换,因此抗干扰能力较差。为了实现在轨的自适应信号重构能力,NTS-3将搭载并测试一种新的数字信号发生器,该发生器可以在轨道上进行重新编程,使得卫星能够对地播发新的信号,从而提高信号的抗干扰和欺骗性能。与GPS III有效载荷不同,NTS-3有效载荷可以在轨道上完全重新编程,并且通过使用直接到L波段的直接数字合成方法可以实现100%数字化。此外,NTS-3卫星将对地广播GPS最新的M码信号,从而填补当前由于GPS III升级计划没有完成而带来的信号空白。因为完整的M码信号要等到最新的GPS IIIF卫星在2025年左右发射完毕才能实现,可以说NTS-3具有极好的技术前瞻性。

二是地面远程操控能力更强。NTS-3卫星可以与GPS的地面运行控制系统(GPS OCX)紧密连接,能够为特定的目标用户提供特定区域内的个性化和精细化导航服务。由于它的轨道并非是目前地球同步静止轨道卫星的传统轨道,轨道参数可由地面调节控制,因此具有很高的灵活性。此外,NTS-3的地面运行控制系统将与传统地面系统向后兼容,合并来自各种来源的信号监视数据,并利用商业天线网络来维持快速反应的按需卫星控制能力。

三是更加优良的导航信号的完整性。导航信号的完整性对于使用者来说是非常重要的,由于目前导航信号所受到的干扰和影响相对较多,信号完整性面临很多挑战。为为此,NTS-3卫星设计了所谓的自动“回弹”功能,可以自动开关机、实时感知信号传输环境并自动纠错,可以最大限度地将良好的导航信号传输给使用者。特别是在卫星与地面失去联系时,卫星仍会持续跟踪使用者的三维信息,在通信恢复后继续将完整的信息及时传递给用户。

四是加强与其它导航系统相互融合NTS-3计划将会与欧洲的伽利略(GALILEO)系统、日本的准天顶系统(QZSS)以及其他美国盟友国家的卫星系统互联,实现信息共享和数据融合,从而进一步提升导航定位服务的可用性和可靠性,并提供更高精度的导航服务。

日本QZSS系统的地面覆盖范围

四、拒止条件下的GNSS系统应对策略分析

从目前情况来看,尽管全球GNSS发展如火如荼,GPS、北斗、GALILEO、GLONASS等多种系统先后能够提供高性能的导航、定位和授时服务。但由于其星座构成、信号体制、运控方式、用户终端等都存在极大的相似性,从近年来多次卫星导航干扰和诱骗事件来看,因此全球卫星导航系统(GNSS)正面临着巨大的挑战。

为了有效的应对这些挑战,确保GNSS能够继续发挥作用,必须研究在卫星导航拒止条件下的应用机制,确保能够使得相关军民用户在恶劣环境下,确保GNSS系统运行的鲁棒性或不依赖GNSS从目前的研究进展来看,NTS-3项目实际上就是这一设想的实践尝试,此外很多国家都在这一领域开展了相关的研究和探索工作。总的来看,目前在GNSS拒止条件下的典型策略主要包括:

一是提升卫星导航系统自身的可靠性和健壮性。逐步升级已经老旧的GNSS卫星星座,通过改进星上载荷的方式提供更加可靠、多样的新体制导航信号,延长导航卫星的寿命;采用星间链路和地面运控系统升级相结合的方式,增强系统的抗摧毁、自主运行能力。此外,积极探索更加先进的卫星导航信号体制,提升导航精度和可靠性。如美国国防部当前对GPS 卫星信号体制的升级,新增加发射包括M码信号、L2C信号和L5信号在内的新信号形式,可以有效的增加导航信号冗余,增强信号安全性和保密能力,提供具有更好接收性能的导航信号供不同类型用户使用。

二是不断提升GNSS用户终端性能。针对不同军种用户对于GPS用户终端的不同使用需求,设计不同类型的用户终端,增强客户端的导航对抗能力,满足不同类型客户对抗干扰、高精度、高动态条件下的GNSS信号接收能力。这一点当前业界正在进行积极尝试:如美国陆军航空与导弹司令部导弹研究发展与工程中心研制了小型廉价的GPS接收机天线, 用于各种导弹和火箭弹,该接收天线可对抗连续波、宽带噪声、脉冲等多种类型的GPS干扰信号;美国洛克希德马丁公司与罗克韦尔柯林斯公司合作, 已研制出专用抗干扰 GPS接收机G- STAR,G- STAR抗干扰接收机采用数字信号处理技术,以滤掉、抑制各种干扰信号;采用自适应技术,在抑制干扰信号的同时, 能自动指向 GPS卫星的波束。另外,军用 M码接收机也正在研制中,由于采用了先进的加密电路,使得M 码接收机不用先捕获 C /A码,就可直接获取M 码;

三是积极发展其它备份导航手段。首先应实现不同GNSS系统之间的兼容互操作,确保用户可以在某一时刻使用多种不同类型的导航服务或其组合,从而提升导航定位的可用性。其次是积极发展包括惯性导航、陆基无线电导航等在内的其它导航手段,虽然这些手段相对于GNSS来说在定位精度、使用成本等方面存在一定的不足,但由于其自主工作能力强,不易受干扰等特点,适合在GNSS拒止条件下提供备份的导航定位和授时手段,同时也为GNSS服务提供必要的补充。2020年2月12日,美国前总统特朗普签订了《通过负责任地使用PNT服务增加国家弹性》行政令,希望通过备份陆基远距离无线电导航系统 (e-Loran) 及加强惯性导航等资金投入,为国家PNT增加弹性。近年来,惯性导航等自主导航技术的不断发展,一方面可以与GNSS技术实现组合导航,实时校正由于GNSS被干扰和欺骗所导致的误差;另一方面具有较高导航精度的惯性测量单元(IMU)取得了较大进展,形成了大量体积小、重量轻、可提供毫弧度的姿态精度和厘米级的定位精度的惯性导航产品,能够满足机载、车载、弹载等领域的导航定位要求,由于惯性导航不接收外界电磁信号,因此可以完整的屏蔽电子干扰的影响,实现完全的自主导航,这一点在GNSS拒止环境下显得尤为重要。以全球鹰无人机为例,该型飞机采用美国Kearfott公司生产的INS/GPS组合导航系统,将传统的惯性导航传感器与GPS传感器进行一体化设计,当GPS信号遇到干扰或欺骗而出现失效时,启用惯性导航传感器为飞机提供精确的位置、速度和姿态信息,从而保障飞行安全

五、小结

由于现代GNSS系统广泛存在于自由空间,并没有明显的区域和边界,因此GNSS系统的脆弱性是天然存在的,GNSS拒止也将是未来全球卫星导航发展过程中所不得不面对的棘手问题。为了有效应对这一挑战,必须尽早的从导航体系对抗的高度认识这一问题,开展针对性的研究工作,提升自身导航系统的鲁棒性,才能确保卫星导航系统的发展始终走在正确、安全的轨道上,美国NTS-3计划对此已经做出有益的尝试。

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