俄乌战争：战场边缘的电子战，对武器GPS信号的干扰

为什么一些依靠全球定位系统的美制武器会受到电子干扰？

2024 年 5 月，美国向乌克兰提供的一些武器正在失去效用。BAE 系统公司/雷神公司的 M982 “神剑 ”155 毫米炮弹和洛克希德-马丁公司的 M142 HIMARS（高机动性火炮火箭系统）等系统的精确度下降。这两种武器都使用美国全球定位系统 (GPS) 发射的定位、导航和定时 (PNT) 信号来提高精确度。俄罗斯的射频干扰似乎成功地干扰了这些 PNT 信号。因此，这些弹药的锋利程度大大降低。这一消息并非俄罗斯巨魔工厂的漫天谎言。相反，《华盛顿邮报》等知名媒体根据该报记者看到的乌克兰机密文件进行了报道。

图：M982 “神剑 ”155 毫米炮弹最初被誉为乌克兰战区潜在的 “神奇武器”，但由于俄罗斯的 GPS 干扰，其准确性大打折扣。图片来源：美国陆军

要了解俄罗斯的 GPS 干扰，就必须先了解 GPS 的工作原理。第一个问题是 PNT 信号到达地球时的弱点。无线电频率工程的一个经验法则是，无线电信号越远越弱。GPS PNT 无线电信号也不例外。当 PNT 信号从太空中的卫星出发，飞行 20,200 公里时，信号强度可弱至-127 分贝（dB）。这个分贝数字低于正常的电磁背景噪声。正是 GPS 信号独特的编码结构，有效地将传入信号的功率提高了约 23 分贝。这种增强使得接收信号能够首先在噪声中被发现。 一旦接收机发现信号，这种优势又会增加 20 分贝，从而确保在正常情况下能够很好地跟踪信号。尽管如此，即使有了这些优势，信号的固有弱点使其相对容易受到干扰。只需向干扰器范围内的全球导航卫星系统接收器发射更强的信号，就能 “冲掉” PNT 信号。R-330ZH Zhitel 是一种车载 GNSS 干扰器，被俄罗斯陆军用于战术和作战 GNSS 干扰。Zhitel 可在距离全球导航卫星系统接收器 30 千米的范围内产生强度为 -53 dB 至 -56 dB 的干扰信号。较强的 Zhitel 信号有可能冲掉较弱的来自太空的 PNT 传输信号。

全球定位系统卫星群发射多种 PNT 信号。主要信号称为 L1 和 L2。L1 使用 1.57542 千兆赫的频率，L2 使用 1.22760 千兆赫的频率。虽然最初是为美国以及后来的盟国军队设计的，但自 1996 年以来，平民也开始使用 GPS PNT 信号。当年，美国总统比尔-克林顿为此发布了一项政策指令。五年前，美国军方首次在战时使用 GPS，当时该系统为 1991 年发起的 “沙漠风暴行动”（Operation Desert Storm）提供了支持。从伊拉克占领下解放科威特的战争使精确制导武器进入公众视野。全球定位系统被誉为帮助美军在阿拉伯沙漠的荒野中导航的关键技术。尽管冲突中使用的大多数武器都不是 GPS 制导武器，但它们的使用预示着此类武器在未来冲突中的影响。从那时起，GPS PNT 信号对平民的可用性彻底改变了我们的世界。从金融交易到公共交通网络，甚至食品运送，一切都依赖于全球导航卫星系统技术。此后，欧盟的伽利略系统、中国的北斗系统和俄罗斯的格洛纳斯星座等对等系统也加入了定位系统行列。

图：俄罗斯陆军的 R-330ZH Zhitel 电子攻击系统被认为是干扰乌克兰 GPS 信号的罪魁祸首之一，该系统专门针对 GNSS 信号进行了优化。如图所示，该系统的天线安装在拖车上。 图片来源：俄罗斯国防部

然而，每一种军事优势最终都会产生一个弱点，因为人们会开发反制措施来抵消创新带来的战术或作战优势。2003 年，美国在阿拉伯沙漠再次领导了 “伊拉克自由行动”（OIF）。这次的目标不是解放科威特，而是将伊拉克独裁者萨达姆-侯赛因赶下台。战争前夕，有媒体报道称伊拉克军方购买了能够攻击 GPS 星群信号的干扰器。显然，萨达姆-侯赛因政权决心保护伊拉克境内的潜在目标不受 GPS 制导武器的攻击。伊拉克统治者无疑也注意到了自 “沙漠风暴 ”以来发生的精确制导弹药（PGMs）革命。美国政府自己的数据显示，在那场战役中使用的所有武器中有 9% 是精确制导弹药。到 1999 年 “盟军行动”（OAF）时，PGM 在所有空射弹药中所占的比例已增至 35%，其中许多是 GPS 制导的。

北约在科索沃和塞尔维亚上空实施了 “联合部队行动”，目的是阻止塞尔维亚对科索沃阿族进行种族清洗。OAF 首次采用了革命性的 PGM，即波音公司的联合直接攻击弹药（JDAM）制导组件。JDAM 套件由机头和尾翼组件组成，装备了一系列 “哑弹”。JDAM 组件结合使用 GPS 接收器和惯性导航系统 (INS)，可接收 GPS PNT 信号。这些信号可使武器确定自身相对于目标的位置。在飞行过程中，尾翼不断调整炸弹的飞行路线，以确保其尽可能接近目标。公开资料称，当 GPS 和 INS 同时使用时，JDAM 套件可提供高达 5 米的圆周误差（CEP）精度。如果 GPS PNT 信号不可用，增强型 JDAM 炸弹仍可到达目标，但精度会降低。如果只使用 INS，炸弹将落在距离目标 30 米以内的地方。

GPS 代码

如上所述，GPS 卫星群通过两个主要链路（主要是 L1 和 L2）发送信号。新加入 GPS 卫星群的卫星以 1.17645 千兆赫的 L5 频率发送 PNT 信号。GPS 卫星群的所有 PNT 信号都属于 L 波段（1-2 千兆赫）。使用 L 波段是 GPS 系统设计者有意为之的选择。当时，L 波段有足够的空间容纳相对较宽的 20 MHz GPS 信号。此外，L 波段信号往往不会因天气原因而过度衰减。全向天线也可用于接收 L 波段信号。这意味着在实际使用中，不必将 GPS 接收天线指向卫星方向就能获得信号。

GPS 信号在到达地球的途中必须穿过电离层，电离层是地球表面 48 千米到 965 千米之间大气层的电离部分。电离层中的原子会被太阳辐射激发，正是这种激发会给从太空到地球的一些无线电信号造成问题。电离层也会导致一些信号在接近地球时出现延迟，但这些延迟对于 L 波段信号来说往往是可控的。电离层延迟是使用多个链路频率的原因。通过使用同时从 L1 和 L2 链路获取信号的 GPS 接收机，接收机可以比较每个信号并考虑电离层延迟。

由于导航依赖于精确的定时，GPS 卫星配备了原子钟，其输出频率稳定在 10.23 兆赫。这意味着构成卫星原子钟放射性材料的原子每秒共振 1,023,000 次。GPS 星座信号使用的频率是这个 10.23 MHz 频率的乘积。例如，L2 频率是 10.23 MHz 信号的 120 倍。L1 信号是 10.23 MHz 信号的 154 倍。

GPS 卫星发射编码信号。民用标准编码信号称为 C/A，表示粗采集，由 L1 链路传输，未加密。L1 还携带军用加密精确 P 代码，未来还将携带军用加密 M 代码。此外，L1 还携带新的 L1C 民用代码。L1C 由 GPS Block-III 星座传输，其首个航天器已于 2018 年 12 月发射。新信号使用的频率为 1.57542 千兆赫。虽然这里没有足够的篇幅来全面解释 L1 和 L1C 信号之间的区别，但只需指出，L1C 使 GPS 接收机与欧盟伽利略全球导航卫星系统星座之间具有更好的互操作性。

自 2005 年以来发射的所有 GPS 卫星都有 L2C 信号，这一相对较新的信号使民用 GPS 用户能够纠正电离层延迟，从而提高了精确度，但使用这一信号的民用 GPS 接收机很少。从 2010 年 5 月起，又增加了一个被称为 L5 的信号，其传输频率为 1.17645 千兆赫。L5 信号主要用于生命安全应用，如紧急定位信标和民用航空。

这些信号传输的代码由多个 “比特 ”组成，基本上是 1 和 0，也称为 “芯片”。这些比特是以伪随机方式生成的，也就是说，它们是由计算机生成的，但在统计上被认为是随机的。每个比特序列以每秒比特的设定速率发送，并持续一定的时间。GPS 接收机将在某一特定时刻生成 GPS 代码的复制品，并记录从卫星接收传入代码的时间。接收机将计算接收到的代码中的每个 0 和 1 之间的时间差，以及相对于复制代码中的每个 0 和 1 的时间差。假设这个时间差为一秒。与所有无线电传输一样，PNT 信号以光速（真空中为 299,792 千米/秒）传播，因此一秒钟的间隔大约相当于 299,792 千米。因此，GPS 接收机与特定卫星的距离就是这个距离。为了确定位置，接收器必须从至少另外三颗卫星获取 PNT 信号。通过重复这一过程并对来自每颗卫星的三个方位进行三角测量，接收机就能确定自己的位置。

图：除了 “神剑 ”炮弹遭遇干扰问题外，提供给乌克兰的 JDAM 制导组件也遭遇了类似的命运。出于安全考虑，向乌克兰提供的 GPS 制导武器可能没有获得接收 P(Y)- 代码信号的设备。 资料来源：美国空军

关于 GPS 的一般经验法则是，信号的每秒比特率越快，GPS 接收机在确定位置时就越精确。C/A 代码的序列为每秒 1,023 比特，以每秒 1,230,000 比特的速率传输，这意味着 C/A 代码的序列每毫秒重复一次。P 代码通过 L1 和 L2 信号传输，但 P 代码与 C/A 代码的主要区别在于前者的传输速率为每秒 12,300,000 比特，比后者快十倍。每秒更高的比特率可提供更精确的时滞测量，从而转化为更精确的测距，而且由于 P 代码同时在 L1 和 L2 上传输，因此可以消除电离层的时间延迟。 Loverro 咨询公司总裁、美国国防部负责太空政策的前副助理国防部长道格拉斯-洛韦罗（Douglas Loverro）说，举例来说，C/A 代码可以提供约 4 米的精度。洛韦罗是全球定位系统的主要设计者之一，他说："P-code 可以将精确度降低到 3 米（10 英尺）以下。

P 代码使用加密技术进行保护，以避免被称为 P(Y)-code 的加密信号欺骗或干扰。“Loverro 解释说："P(Y)-代码在设计时使用了加密技术，以避免信号被欺骗，并避免其他人使用不该使用的 P 信号。要让 GPS 接收机使用 P(Y)-code 需要做两件事。接收器打开后，必须首先获取 C/A 代码。获得 C/A 代码后，接收器才能开始接收 P(Y)- 代码。Loverro 指出，如果 C/A 代码信号在本地受到干扰，这可能是一个潜在的不利因素。在干扰范围内的任何 GPS 接收机都无法接收 C/A 代码，更不用说 P(Y)- 代码了。值得注意的是，一些 GPS 接收机目前确实能够接收 P(Y)- 代码，而无需首先获取 C/A 代码。Loverro 补充说，要使用加密的 P(Y) 码，用户需要有一个可以加载到 GPS 接收机中的解密密钥。密钥可以解密接收到的 P（Y）代码，使接收机可以使用该信号。

美国国防部授权用户接收 P(Y) 密钥并将其加载到设备中。鉴于乌克兰军队在使用 GPS 制导武器时曾遭受干扰，目前尚不清楚这些武器的 GPS 接收器是否具备 P(Y) 码功能。这也许并不奇怪。据 Loverro 称，P(Y)-代码的使用权是根据具体情况为美国的北约盟国保留的。国防部担心与乌克兰共享 P(Y) 代码会导致解密密钥落入俄罗斯手中，这是可以理解的。

M 代码

随着 M-Code 的出现，P(Y) 代码的缺点正在得到解决，虽然 M-Code 还未投入使用，但可能会成为一种有力的改进。首先，M 代码使用 L1 和 L2 信号传输。信号传输的功率更大，抗干扰能力更强。它在使用前也无需与 C/A-code 连接。M-Code 还能与现有的 C/A 代码和 P(Y)- 代码 “很好地配合”，与 P(Y)- 代码一样，M-Code 也是加密的。好消息是，美国和盟国军队目前正在采用 M 代码。坏消息是乌克兰军方不太可能获得 M 代码，原因与 P(Y)- 代码的窘境类似。

图：M 代码的出现有望使全球定位系统信号的复原力发生阶跃性的变化，尽管这种代码在美国和盟国军队中的常规使用可能还需要一段时间。在此之前，P(Y)代码将继续被用来提供安全的 GNSS PNT 信号。 图片来源：BAE 系统公司

尽管如此，俄罗斯电子战干部可能很快就会发现，打开 GPS 干扰机就等于签下了自己的死亡令。据《防务邮报》5月报道，科学应用与研究协会（SARA）获得了一份价值2360万美元的合同，用于提供JDAM原地干扰（HOJ）能力。具体来说，这将是对 GBU-62 JDAM-ER（增程）变型制导套件所使用的 GPS 接收机的增强。关于 HOJ 功能如何工作的详细情况还不清楚，但有可能是对 GPS 接收机进行编程，使其能够识别异常 GPS 信号。如上所述，GPS 干扰通常依赖于使用强得多的假 PNT 信号来掩盖相对较弱的真实信号。

图：GBU-62 JDAM-ER 制导套件正在增强 “干扰时归位 ”能力，这有助于引导弹药飞向攻击它们的全球导航卫星系统干扰器。这一新功能将使在乌克兰实施全球定位系统干扰的俄罗斯电子战人员的生活变得非常不愉快。 资料来源：波音公司

如果接收器检测到干扰信号，它将确定信号的方位。弹药将沿着该方位自行引导，直至到达信号的起始点，并发出 “砰 ”的一声，宣告它的到来。这种战术类似于反辐射导弹对付敌方地面空中侦察和火控/地控拦截雷达的战术。虽然基辅不太可能在短期内获得 P(Y)- 代码密钥，甚至无法使用 M 代码，但乌克兰军方已经获得了 JDAM-ER 武器。有关 HOJ 能力的报道称，乌克兰将获得这种能力，这项工作将于 2025 年 10 月完成。虽然离这一日期似乎还有一段时间，但升级后的 JDAM-ER 有可能会作为乌克兰军队的内置武器逐步投入使用。展望未来，也许未来 HIMARS 和 “神剑 ”也会有类似的改进。无论如何，这些改进型武器都将给俄罗斯预警干部带来一个霍布森选择题：是打开干扰器保护部队和资产免受 GPS 制导武器的攻击？还是关闭干扰器，保全自己，但却可能让战友陷入绝境？俄军将如何解决这一两难选择，拭目以待。