为了战争,美国故意关闭了GPS信号?
国家授时中心
2018-08-10 16:53:23

为了战争,美国故意关闭了GPS信号?

——叙利亚战争期间“导航战”的真相

背景

北京时间4月13日晚上8点左右,美英法三国联军对叙利亚政府军事设施进行精准打击。战争期间,位于黎巴嫩4个CORS站和叙利亚周边3个跟踪站的接收机GPS测量数据出现异常,甚至有些接收机都不能正常接收信号了。

这下可热闹了,媒体对此争相报道,大部分人认为,叙利亚地区GPS信号失效,原因是美军主动关闭了GPS在该地区的民用功能,这可以让叙军在对抗美军时无法使用美国GPS民用定位系统,叙军就成了战场上的“瞎子”和“靶子”。

其实大家都想的太简单了,实际上这是美国发动了“导航战”。对滴,你没看错,不是“地道战”、“地雷战”,是“导航战”。那么什么是“导航战”呢?接下来将为大家层层推进解开这一谜团。

GNSS空间信号质量评估系统

工欲善其事,必先利其器。要想知道叙利亚事件真相,还得靠信号质量评估利器。这样的利器在国内外比较典型的有四个:美国斯坦福大学(SRI)的47米天线、加拿大阿尔岗昆观测站(ARO)的46米天线、德国宇航研究院(DLR)的30米天线、中国科学院国家授时中心昊平观测站(HRO)的40米天线。

美国斯坦福大学(SRI)47米天线

加拿大阿尔岗昆观测站(ARO)46米天线

德国宇航研究院(DLR)30米天线

国家授时中心昊平观测站(HRO)40米天线

那为什么要监测GNSS的信号质量呢?当然是因为它很重要了。全球卫星导航系统(GNSS)提供全球范围内的定位、导航、授时服务,涉及到人类日常生活、生命安全等多个方面,用户对GNSS系统服务也提出了更高的要求。

卫星导航系统空间信号质量优劣同系统的高精度服务和完好性紧密相关,对空间信号质量进行监测和评估,是确保系统提供高精度、高可靠性服务的重要手段。GNSS空间信号质量评估就是通过对导航信号的精细观测,综合评估信号生成、空间传播、地面接收处理等环节对导航信号质量的影响。

通俗点来说,导航系统有时候也会生病,所以一方面要对它开展定期体检,一方面在它生病时对它进行“望闻问切”,确定病情,这样才能对症下药,保证它尽早恢复健康,从而才能避免导航使位置跑偏了,要不然后果很严重!

这些大天线就像医生手里的听诊器和显微镜,能够捕捉导航信号细微的异常,GNSS空间信号质量评估系统就相当于医院的检验科,能够微观、多层次、全面、无死角的对导航信号展开分析。所以这次战争期间美国GPS系统的所有变化细节都逃不脱我们的眼睛,真相只有一个!

观测与分析的结果

GPS导航系统是一个大家庭,它的卫星目前由四大家族组成:BIIF、BIIRM、BIIA与BIIR,每个家族由各颗卫星构成,为了简单好记,每颗卫星的名字均采用“家族名称—序号”的形式,如BIIF-4、BIIRM-6。

4月16日以后,中科院国家授时中心从多渠道收集数据,最后把焦点集中在GPS系统中名叫BIIF-4、BIIF-7、BIIF-10、BIIRM-6四颗卫星上。我们发现,与前期的GPS信号长期监测数据进行比较,GPS系统BIIF及BIIRM两个家族的卫星不一样了:

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信号调制方式发生了变化

根据4月16日监测结果,发现BIIF-4、BIIRM-6卫星的L1载波和BIIF-4、BIIF-7卫星的L2载波的调制方式由“C/A码+P码+M码”三路复用变为“C/A码+P码”两路复用。就像编麻绳一样,原来一根麻绳是用三股线编织而成的,现在把其中一股线抽掉了,变成了两股线编织的麻绳。

下图中蓝色的曲线为战争发生前的功率谱,即利用民用C/A码、军用P码、军用M码三股线编织的麻绳,红色曲线为民用C/A码和军用P码两股线编织的麻绳。战争期间,美军把军用M码那股线抽掉了,麻绳的形状和韧度随之就发生了变化,即功率谱的形状发生了变化。

调制方式变化

在信号调制方式改变的时间内,美国向叙利亚进行了空袭,发射了多枚战斧巡航导弹。可见,美国打击叙利亚期间为实现导航战目的,主动关闭军用M码信号。

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军用P码功率增强

从BIIF-10卫星的L1频点功率谱变化情况可以看出,中心频点±1M带宽之内,即蓝色线条标注的范围之内,两条曲线的尖端基本重合,高度没有发生变化,即信号功率未发生明显变化,也就是C/A码功率基本不变。中心频点±20M带宽之内,即红色线条标注的范围之内,蓝色曲线比红色曲线高很多,即功率谱抬升明显,也即P码功率明显增强,如下图所示。

功率增强

为了更准确分析,我们在下图中列出了几个特殊卫星的功率比变化情况。可以看出,发生的功率增强有两种情况:(1)BIIF-4、BIIRM-6两颗星三路复用变成两路复用,并增强了P码功率,即三股线编织的麻绳变成两股线编织,然后再对军用P码的那股线进行韧度提升;(2)BIIF-7、BIIF-10两颗星两路复用,直接进行了功率增强,也即本身即为两股线编织的麻绳,直接对军用P码线进行韧度提升。

功率增强前后L1频点功率比变化

GPS导航战的真相

经过层层推理,抽丝剥茧,终于到了解开谜团、揭晓真相的时刻,大家有木有很紧张,有木有?请屏住呼吸往下看:

美军发动GPS导航战采取了“三步走”的策略:首先,关闭军用M码信号(CASM调制:C/A+P+M改变为正交调制:C/A+P);其次,保持民用C/A码功率不变,但增强军用的P码功率;最后,针对民用C/A码信号进行战场区域压制干扰,致使部分C/A码的接收机失效。

通过这三种措施,使军用P码信号载噪比变大,民用C/A信号载噪比下降。这样,军用系统的定位系统性能提高,但对叙利亚以及周边地中海部分区域的民航以及航运造成了极大影响。

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作者✍石慧慧 王雪 饶永南 康立 郭瑶

排版☞沈墨

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