GPS干擾已延伸至低軌太空，五角大樓加速衛星星座建設

專家表示，烏克蘭周邊地區的GPS信號干擾已變得極其嚴重，甚至影響到距離地球表面高達1200英里（約1930公里）的衛星，這有力地說明了太空軍和五角大樓為何正在加緊加固這一無處不在的服務。

“我們擁有（航空宇宙公司運營的）全部立方體衛星（cubesats）接收GPS（信號細節）的圖像，烏克蘭上空區域因干擾出現一個巨大空洞，”聯邦政府資助的研發中心——航空宇宙公司（Aerospace Corporation）的約翰·詹斯基（John Janeski）在ASCEND年度航天產業大會上表示。

俄羅斯和烏克蘭都在發射強大的干擾信號以干擾精確制導武器和無人機的制導系統。不過詹內斯基表示，這種干擾“正向上滲透到太空環境中并影響衛星”。

該中心的微型10立方厘米衛星裝有GPS接收器，詹內斯基表示，主要是為了讓衛星知道時間。鑒于近地軌道衛星繞地球運行的速度——約每小時17,500英里（約28,163公里）——干擾僅在它們飛越烏克蘭上空時每次影響“幾分鐘”。

“但如果這種情況變得越來越普遍，它可能在太空中產生一些區域，使得近地軌道衛星無法從GPS和其他定位、導航與授時（PNT）星座所在的中地球軌道（距離地表11,000-15,000英里，約17,703-24,140公里）獲取（定位、導航與授時）信號，”詹內斯基表示。

GPS干擾、阻塞和欺騙已成為烏克蘭和中東等沖突地區的常見且眾所周知的現象，影響著航空和海上交通。其對其他衛星的影響報道較少——但可能同樣關鍵。

像SpaceX的星鏈（Starlink）這樣的大型近地軌道星座中的衛星需要精確知道時間和位置，以便與星座中的其他衛星同步操作，并知道何時以及如何向地面發送信號。而美國國防部正在積極擴大對此類星座的使用——商業太空辦公室（Commercial Space Office）去年底將其“分布式低地球軌道（PLEO）天基服務”計劃的最大額度從9億美元擴大到130億美元，理由是國防部各部門都有需求。

事實上，近地軌道中的大多數衛星都使用GPS——這再次提醒人們GPS在全球經濟中的無處不在和不可或缺性，空軍負責太空采辦與集成的助理部長辦公室PNT主管克里斯托弗·埃里克森（Christopher Erickson）表示。

埃里克森說，大多數人認為GPS是一種導航工具，他強調他是以個人身份發言，不代表空軍或國防部的觀點。但事實上，對于企業和全球經濟而言，它所提供的時間服務更為重要。

他說，金融系統、電網、互聯網，實際上任何計算機網絡都需要精確的時間才能正常運行，而這一事實卻鮮為人知。

“許多（企業）甚至不知道自己的時間精度要求是什么，”他說。“如果你在制造一輛自動駕駛出租車之類的設備，并在其中安裝了GPS，它就能獲得精確的時間。如果突然沒有了GPS，那輛車需要什么樣的時間精度要求才能使其系統正常運作？你怎么知道？你從來不需要解決這個問題。”

干擾與抗干擾

詹內斯基警告說，五角大樓和私營企業都不能再想當然地依賴GPS了，這在很大程度上是因為其信號相對容易被干擾。衛星通信信號是“爆發式發射”的，而GPS信號本質上較弱，他說。

“這就像一個嘈雜的房間，”他解釋道，“一個衛星通信信號就像有人在房間里大喊大叫。你能清楚地聽到他們。而一個GPS信號就像有人在耳語。”通常，因為接收機知道頻率，“它基本上可以從噪聲背景中提取信號并進行處理。”但相對于噪聲背景，信號的微弱性使其“相對容易受到干擾，正如我們所看到的，”他說。

欺騙（Spoofing）稍微困難一些，但詹內斯基說，技術現狀使得國家行為體和極端組織都有可能購買到所需的硬件來實施欺騙。

“好消息是，”詹內斯基補充道，“抗干擾技術的開發已取得進展，使得‘看似脆弱的GPS組成部分，更具彈性’。”

例如，受控接收方向圖天線（Controlled reception pattern arrays,CRPAs）是一種使用多個天線單元的陣列天線系統。接收機感知強干擾信號來自哪個方向，并關閉該方向的天線接收。詹內斯基說，結合復雜的信號處理，這些天線“基本上將干擾信號從接收機的處理鏈中移除，這樣干擾能量就不會進入接收機，接收機仍然可以工作。”

CRPAs可在商業市場上買到，盡管那些擁有更多單元的更復雜型號受到武器出口管制條例的限制。“如果你把它裝在客機上，它只能飛國內航線，”詹內斯基說，這意味著它們目前無法用于應對歐洲或中東的GPS干擾。

洛克希德·馬丁太空公司（Lockheed Martin Space）導航系統副總裁馬利克·穆薩維爾（Malik Musawwir）表示，對于軍方而言，最新一代GPS衛星也廣播更強大、加密的信號，未來的升級還會帶來更多的抗干擾改進。

穆薩維爾解釋說，目前在GPS星座中運行的31顆衛星中，有8顆是最新一代，稱為GPSIII。這些衛星廣播一種新型GPS信號，稱為M碼（M-Code）。它的功率更大，因此抗干擾能力更強，而且經過加密，這使得它很難被欺騙。

洛克希德·馬丁公司提供的

下一代GPSIII后續型（GPSIIIF）衛星概念圖

穆薩維爾說，在項目過渡到第11顆及之后的GPSIII后續型（GPSIII Follow-On,GPS IIIF）衛星之前，還將再發射兩顆GPSIII衛星。除了M碼，GPSIIIF還將具備一項名為區域軍事防護（Regional Military Protection,RMP）的新能力。RMP允許衛星將M碼廣播聚焦在直徑僅為1200公里（約746英里）的較小區域內，這意味著信號強度提高了60倍。

“可以想象一下，就像用拇指蓋住花園軟管的末端，增加了所有噴出水的流速一樣，”他說。

專家們表示，最終，無線電頻譜的特性和GPS信號傳輸必須跨越的距離意味著物理學規律對干擾者有利。這就是為什么太空軍正在尋求量子慣性定位（quantum inertial positioning）等GPS替代方案的原因。但詹內斯基說，即使是一個替代性的定位導航系統，允許用戶在GPS拒止環境中“跛行”（limp through），也無法提供關鍵的時間元素。

“所以目前還沒有一種萬靈丹（silver bullet），”他說。就像互聯網一樣，由于GPS提供多種不同的服務，單一的替代方案很可能無法替代所有這些服務。“這就像互聯網中斷了。你最喜歡的互聯網替代品是什么？”

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本文轉載自“電波之矛”，原標題《GPS干擾已延伸至低軌太空，五角大樓加速衛星星座建設》。

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