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GPS干扰与抗干扰技术
来源: 作者: 发布时间:2007-05-21  
 

       在当今世界上,美国拥有全球定位卫星的控制权,其大多数精确制导武器都采用了GPS全球定全系统制导方式,并且还利用惯性导航系统(INS)进行弹道较正。导弹发射后,GPS系统会立刻对其飞行方向进行导引,使其向首目标飞去。在导弹飞行期间的某一特定时间里,弹载GPS接收机接收来自GPS卫星群即时传来的位置修正信息,并把它们传递给弹载的INS系统,以调整导弹的飞行路线。因此精确制导武器能够在防区外以较高的精度攻击预定目标。此外,这类导弹还具有全天候作战能力。从1991年的海湾战争到1999年的科索活战争,这种要用GPS/INS制导的“灵巧”导弹无不显示出其在现代战争中的重要地位,故已经成为同代战争的首选武器,是一类克敌制胜的杀手锏武器,也是政治家们达到其政治目的的重要工具。

 

        但GPS系统却易受低成本低技术干扰装置的影响,从而使导弹偏离飞行航线,误炸目标,导致不必要的政治影响。为了保证导弹能精确打击目标,迫使武器设计者重新考虑导弹制导系统防护问题。

 

GPS受到的潜在威胁

 

        美国政府、工业部门和学术界对GPS受干扰的问题进行了大量研究和模拟,提出即使没有掌握先进技术的敌方也能容易、快速、廉价地制造和使用许多GPS干扰机,以摧毁依靠GPS制导的美国武器和其它平台。如1994年9月,在约翰霍普金斯大学应用物理实验室举行的一次航空航天工程师和其它专业人员的研讨会上,首次公开展示了一种得烟盒大小的自制干扰机,它采用12伏电池作动力,产生100毫瓦的输出功率,通过一根细小的全向天线发射信号。据设计者称,该装置足以干扰半径16公里范围内的任何采用CA编码的GPS接收机。俄罗斯设计的廉价GPS干扰机现在到处可以买到,甚至可通过因特网采购到这种装置。这种干扰机重3-10公斤(不含电池)。价格低于5万美元,能对美国现有GPS系统的四个频段实施有儿干扰。

 

        美国武器库中现有的大部分导弹都易受GPS干扰的影响,这些导弹包括:增强型“杰索”、增强型高速反辐射导弹、AGM-130、“斯拉姆”-ER、装有GPS的“鱼叉”、陆军战术导弹系统、“杰达姆”以及增强型GBU-15。

 

       奇怪的是,美国对现有的导弹没有作高抗干扰技术的改进。其主要原因有三点,首先是经费,尽管改进现存导弹的费用仅占导弹制造成本的很少一部分,但研究高抗干扰防护技术的总经费却高的惊人;其次,尽管干扰装置实际上可以买到或易于制造,但对今还没有出现干扰导弹GPS制导信号的潜在对手;第三,美国军事官员中仍保留这样一种自信的观念:现存导弹有效对付所有潜在的敌人。

 

       GPS制导的固有弹点对于一些飞行时间长的GPS制导导弹来说,很易受干扰,在干扰有效的情况下根本无法收到GPS制导信号。在导弹飞行的最初阶段,当制导系统以CA编码信号工作时,一般来说,24分贝以上的干扰就足以封锁GPS信号;当导弹的制导系统转变成Y编码模式时,干扰/信号比为54分贝以上的信号就足以干扰制导系统。在导弹飞行的末段,干扰信号可能会阻止导弹到达目标“框”中,在这种情况下,即使导弹还具有其它弹载导引系统也已不能再将其导向预定的目标点。

 

       美国目前还没有要求对防区外导弹制导系统进行防护GPS干扰方面的改进,这类导弹仍源源不断地进入美国武库,但都没有采用任何防干扰措施。

 

干扰的影响

 

        对于装有GPS/INS复合制导系统的导弹,当GPS接收机在导弹飞行的任意点上受到干扰时,那么该导弹在整个干扰阶段只能保持“惯性滑移”,其飞行弹道由不太精确的INS系统导引。产生干扰的时间越早,导弹距目标的距离越远,其偏离预定攻击目标的误差就越大,将严重影响其攻击精度。如果导弹在处于接收GPS信号的初期就被干扰,那么即使干扰发射机的功率较低,它也能在960公里范围内影响导弹的制导系统工作;如果导弹在其GPS跟踪阶段受到同样功率干扰信号的干扰,那么干扰发射机的有效干扰距离则约45公里。目标美国大多数导弹都装有可承受54分贝干扰/信号比的军用制式GPS接收机,这些导弹非常容易受很低功率干扰机的干扰。

 

        但是,不是所有的防区外导弹都会受到同等程度干扰的影响,根据它们攻击的轨迹,某些较近程武器,如空军/海军“杰达姆”联合直接攻击弹药,受电子干扰的影响较小,但是,远程导弹系统(“斯拉姆”-ER、“杰索”以及“战斧”BLOCKIII)的GPS系统如果遭受敌方的干扰,将可能最终偏离其所攻击的目标。

 

GPS/INS复合制导存在的问题

 

        当GPS/INS复合制导装置中的GPS接收机受干扰时,导弹只能由不太精确的INS系统进行飞行导引,除非GPS系统还能间断地获得位置更新数据外,否则导弹的制导系统不能补偿INS系统的固有“偏移”误差。INS的精度一般以每小时偏移的角度来表示,在完全依靠INS系统导引的情况下,其偏移率越上,导引的精度就越高。当INS的偏移率为每小时1度时,对近程短时间飞行的武器(如“杰达姆”)来说,其影响可忽略不计;但对行飞805公里,时间超过1小时的远程导弹来说,在整个飞行阶段得不到GPS系统的更新的情况下,INS系统这样的偏移率将有可能使导弹产生14.5公里的脱靶距离。

 

数据链路敢会受干扰

 

       为了克服GPS接收机受干扰的影响,有些导弹在其飞行末段由载机上的武器系统官员来控制。这种控制是借助载机和导弹之间的双向数据链来实现的。这种方法在导弹距其攻击目标2775-1665米时经常采用,这段时间大约有10-6秒。但数据链路也容易受到干扰。目前美国空国导弹武器中仅有AGM-130和GBU-15这两种武器在末段是依靠数据链路来制导的,由于美空军今后不再计划采购这两种武器,所以其对数据链易损性的研究已没有进一步的计划。同样,尽管海军的“斯拉姆”-ER导弹也采用了数据链路,对此也不再作研究。

 

提高导弹抗干扰能力的途径

 

        虽 然美国不打算改进现有的导弹,但将采用高达90分贝的超高抗干扰GPS接收机、地形辅助导航技术、高抗干扰数据链路、路段弹道制导修正系统以及射频数据链路/光电传感器导的相结合的末制导等技术来提高未来精确制导武器的抗干扰能力。

 

开发干扰/信号比为90分贝的接收机

 

       对于功率为100瓦的干扰机来说,具有90分贝抗干扰性能的GPS接收机,在导弹捕获GPS信号的初期阶段,干扰机的干扰距离减小到约4800米,在GPS跟踪阶段,干扰机的干扰距离减小到480米。但在美国现存的导弹中,大多数制导系统的干扰信号比仅在50-60分贝以上,还没有任何一种导弹的抗干扰性能达到90分贝。

 

      不采用GPS制导系统总的来讲,欧洲人以往设计的导弹不会因GSP遭干扰而受到影响。因为大多数欧洲国家的导弹在很长的一段时间里一直避免使用GPS制导系统,目的是避免依赖美国控制的GPS卫星系统。

 

采用抗干扰性强的末段控制数据链路。

 

       值得注意的是,目前欧洲各国也开始研制GPS制导的精确制导武。英国的“风暴幽灵”在初始设计时并没有采用GSP制导,但生产的导弹将装有PS制导系统。为了避免干扰,法国的塞克斯坦特公司正在为导弹研制GPSP(Y)编码接收机,英国的“风暴幽灵”则采用地形参照导航系统。其它几种配备GPS的导弹有“黑萨赫恩”、“阿帕奇”和“阿拉米斯”导弹。

 

       战术“战斧”导弹可能是美国库存导弹中抗GPS干扰最强的武器,因为它要用了一种称作精确地形辅助导航技术,当导弹朝目标飞去时,这种导航技术可使导弹严格按照地形轮廓飞行,使导弹在GPS受干扰时中仍具有捕获目标的能力,从而不需要对已有的GPS制导装置作任何改进,其精度与如今正在研制的“战斧”Block III导弹所获得的精度相当。它计划于2003年投入战场使用。美国“贾斯姆”联合空对地防区上导弹将于2005年进入服役,它是美国第二代精确攻击导弹,能够耐受100瓦干扰机的干扰信号。

 

      在美国库存或计划的下一个十年中服役的13种精确攻击武器中,AGM-130、“贾斯姆”以及战术“战斧”导弹采用了高技术干扰数据链路。空军库存中总计约300枚AGM-130将携带雷西昂公司的AXQ-14高抗干扰数拓链中延缓外,根据科索沃作战获得的经验,约1300枚装有双向数据链的GBU-15将采用中段弹道制导修正系统,改进后的导弹型号为EGBU-15。

 

       采用射频数据链/光电传感器导的相结合的方案使导弹具有末制导能力,它们将具有高抗干扰能力。在高抗干扰改进计划中,采用该技术方案的导弹系统,如“斯拉姆”一ER、库存1900枚GBU-15中的大部分、以及AGM-154C联合防区外发射武器等将作为主要的候选武器。

 

       以色列设计的某些远程导弹采用了GPS制导方式,但它们具有高抗干扰性,特别是末段采用了控制导弹飞行的数据链路。目前正在进入以色列武库的精确打击导弹采用了数字跳频数据链路,抗干扰性能高达90-100分贝,足以对付近期潜在威胁。以色列设计的其它导弹包括“瞪眼”和新型“瞪眼石”导弹,如果客户需要特别保护的话,也能够安装GPS装置和高抗干扰数据链。在那些导弹中主要使用光电传感器制导,GPS制导是作为一种备用制导系统。

 

      一些“灵巧”导弹的学者认为,GPS制导武器受干扰的问题已经显明,必须给予高度重视。所以,对GPS制导武器的干扰与抗干扰问题的研究将是一项持久性工作。


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