“干扰与抗干扰是一对矛盾，干扰与抗干扰的博弈也会影响战场的态势。”
冯冀宁
河北师范大学计算机与网络空间安全学院教授
我要介绍的内容是北斗的干扰与抗干扰，它是属于应用段的问题，说白了就是接收机的问题。
所谓的干扰与抗干扰，主要指的是接收机的干扰与抗干扰。
1991年1月17日，在海湾的美军军舰上，发射了一枚战斧巡航导弹，这颗导弹在伊拉克的巴格达爆炸，海湾战争爆发了。
海湾战争的特殊性在什么地方呢？
我们可以看几个数字。
这288枚是装配了GPS的高精度制导导弹，它的命中率达到了98%。而战争仅用了42天，美军146人阵亡，467人受伤，而伊军则伤亡超过10万人。
按照美国人的说法，这场战争的胜利是GPS技术使用的胜利，GPS也因此由鲜为人知变得一炮走红。
之所以有这么高的命中率，就是GPS技术的应用。
海湾战争为世界呈现了一个现代化战争的形态，卫星导航技术的应用改变了战争形态，彻底改变了人们对战争的观念。
尝到甜头的美军，从1991年海湾战争到2003年伊拉克战争，以及后期，都大量使用了GPS。
按照它的投弹量计算，海湾战争精准制导武器的投弹量是8%，2003年的伊拉克战争，精准武器的投弹量已经占到了90%。
到目前为止，几乎所有的精确制导武器都装配了GPS。
GPS除了为精确制导武器制导之外，它还可以应用于各军兵种的机动平台的定位、授时，野战部队的定位、授时，单兵作战的定位、授时。
乃至智能武器、靶场训练、战场救援的定位和授时等等。
也就是说卫星导航技术在军事领域的应用，只受我们想象力的限制，凡是需要位置、时间和信息的领域，都可以应用卫星导航技术。
时至今日，卫星导航技术已经成为现代化战争信息战、导航战的重要组成部分和关键的基础设施。
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导航信号容易受到干扰
但是，这里有一个转折。
美军在基于GPS大幅提升战斗力的同时，也给自己带来了很多麻烦。
比如在历次战争中，都有误炸盟军、飞弹跑偏的报道。
在2003年伊拉克战争中，美军对自己的精确制导武器的打击效果产生了质疑。
之后他们展开了调查，发现他们至少有10枚以上的巡航导弹遭受到了伊拉克GPS干扰机的干扰。
并且伊拉克拥有400多部GPS干扰机按照一定的地图分布，来达到最佳的干扰GPS的效果。
这个时候，大家可能会有一个疑问。花那么多的钱建立起来的卫星导航系统，难道就这么脆弱，这么容易被干扰吗？
答案是确定的。它确实容易被干扰，这取决于它自身信号的特点。
我们知道导航终端，也就是导航接收机，接收到的是两到三万公里以外的导航卫星的电磁波信号。
这个信号传播的距离非常远，它到地面上之后，所接收到的信号就非常弱，弱到比噪声还要弱。
GPS的信号功率比噪声的功率还要低30dB。
如果我们用专用的仪器观察，是看不到卫星信号的，只能看到噪声。
另外一点，它的信道是自由空间，它的传播空间是完全开放的。所以只要是落在GPS信号频带之内的电磁波，都可能对它造成干扰。
比如工业设备、电力设备、通信设备，还有科研雷达等等。
这些设备所产生的电磁波，如果落在了GPS频带之内，它势必造成一定的干扰，但是这个干扰是自然界自然存在的，它不是致命的。
它一般不会影响接收机的接收，但是在战场状态下，我们要关注的是人为的、故意的干扰。
有一种干扰特别容易产生，就是产生大功率的电磁波。
大功率的电磁波覆盖导航接收机的频带，造成信号接收质量的下降，使它不能正常地定位，那么就可以干扰到接收机。
这一类干扰的显著特点是电磁波的功率大，但是它很容易产生，我们也把它称作压制式干扰。
在实际中还有一类干扰更加隐蔽，这类干扰与真实的卫星信号功率相当，可能稍微强一点，但是信号格式完全一致。
这样一种虚假的卫星信号，通过卫星信号来欺骗导航接收机，使之产生错误的定位结果。
这类干扰叫做欺骗式干扰，如果在压制式干扰的配合下，将达到更加好的效果。
如果把一个接收机比作一个人，那么压制式干扰就像对这个人进行强光照射，使他致盲。
而欺骗式干扰是给这个人提供虚假的景象，让他迷失方向。
通常的干扰方式是先发送压制式干扰，使接收终端不能正常接收正确的、真实的卫星信号。
然后等它恢复，这个时候关掉压制式干扰，等它恢复正常接收的时候，让它眼前看到的是虚假的景象，也就是欺骗式干扰。
这是2011年伊朗劫持美国RQ-170无人机的图片。
根据当时伊朗的报道，是他们击落了美军的无人机，但是从图片中无人机的完整性上来看，这显然不是导弹击落的效果，它也更不可能是用绳子把它套下来的。
它最有可能的，就是压制式干扰和欺骗式干扰的互相使用，使接收机产生错误的定位结果，而进入到伊朗的境内，被伊朗人捕获。
难道就没有办法保证接收机在战争状态下正常地工作吗？
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卫星导航抗干扰模式
那就要采用相应的抗干扰手段。你有干扰，我就抗干扰。
左边这个图是卫星信号干扰和抗干扰接收机的关系图。
抗干扰接收机相对于普通接收机而言，它的显著特点是采用了一种特殊的天线，这个天线就是图上那些黑点构成的一个阵面。
这其中的一个阵源就可以作为一个普通接收机的接收天线。
它是把多个接收天线放在一个正面上，按照一定的规则排列，构成的阵面，我们把它称作阵列天线。
阵列天线对于欺骗式干扰，基本上是没有什么作用的。
欺骗式干扰的信号功率和真实的卫星信号的功率是相当的，并且它的信号格式也是一样的。
所以欺骗式干扰如果来了，它会经过天线直接进入后端的接收机，进入接收机以后，就要靠接收机自身的分析判断能力。
通过自身分析判断它所接收到的哪颗星遭受到了干扰，定位的时候舍弃掉这颗星就可以了。
阵列天线什么时候起作用呢？
就是在大功率的压制式干扰到来的时候。
现在我们看到的就是一个硬件条件，当然基于它还不够，还要配合相应的算法。
基于阵列天线完成抗干扰主要有两种模式，左边这张图像手套一样，这个轮廓是通过阵列天线所形成的方向图。
方向图表征的是天线在各个方位上接收信号的能力。
在没有干扰的情况下，或者这个轮廓是一个相对规则的椭圆，那么它接收各个方向的信号的能力也是相当的。
但是，当大功率的压制干扰到来的时候，向上就要产生一个凹陷，这个凹陷方向的干扰接收能力不就减弱了嘛？
这种模式需要关注的是干扰来向的估计精度，以及这种凹陷，我们把它称作零陷，随着干扰与平台相对位置的变化。
算法的收敛速度、方向图的畸变，会影响定位精度。
右边这个图是多波束抗干扰方式，彩色部分也是阵列天线所形成的方向图，相当于几个小花瓣一样的东西，每一个花瓣就是一个波束，一个波束指向一颗卫星。
这种方式是需要知道卫星的坐标，需要知道自身的姿态，同时，它还需要接收机来配合它。
这种方式的一大优点就是它的方向图不发生畸变，但是它的缺点是需要更多的信息来保证它准确地指向卫星。
这两种方式总结一句话就是，零陷方式只关注干扰来向，而多波束方式只关注卫星信号来向。
这是目前国外一些著名的军事相关的企业，比如五月花、雷神、罗克韦尔柯林斯，这些公司所研制的一些抗干扰产品，它们的抗干扰能力基本上都在100dB左右。
右下角的图片是罗克韦尔公司宣传的它们的GBAS系统，也就是抗干扰模式下的精进着陆系统。
它满足抗干扰能力和高精度定位，能够应用于舰载机的着陆。
这是一个表格，看上去非常复杂，大家只要看左边数第二列四项，第一项军码直捕，第四项组合导航技术。
这两项主要是从接收机端来增强接收机自身的稳健性，使接收机更加强壮，提高它的智商。
中间这两项滤波技术和波束形成技术，主要是从天线端来完成抗干扰的能力的提升。
抗干扰是一个系统的、综合的效果，单独某一个方面都不可能解决所有的问题。
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抗干扰手段的作用效果
采用了抗干扰手段之后，我们来和不采用抗干扰手段比较一下，它们的效果能差多少呢？
我们以干扰的有效作用距离为准则，这张表的横坐标是干扰功率，纵坐标是干扰的有效作用距离。
柱状图里褐色的代表的是对普通接收机的干扰的有效作用距离，蓝色的代表的是对抗干扰接收机的有效作用距离。
实际上有效作用距离差得很多，大家几乎看不到蓝色的，它几乎成了一个二维的东西。
这是可以计算出来的，采用抗干扰和不采用抗干扰能将干扰的作用距离缩短1000倍。
也就是说，原来干扰方1000米的距离就能打到我，采用抗干扰以后，它只有走到我的跟前1米的距离才能打到我。
这个距离，我已经可以跟他肉搏了。
这个问题，我们换一个角度。
最右边最高的柱代表它的横坐标是一兆瓦，一兆瓦对于普通接收机，干扰距离是14000公里，而对于抗干扰接收机，它的有效作用距离被压缩到了14公里。
14公里已经很近了，即便是突防至14公里之内，我的导航终端失效了，我还有其他的导航手段来完成末端的续航，完成末端的打击。
这是我们平时做实验过程中的一个例子。
从这张图上大家会看到，三根柱子上放的是干扰源，或者叫释放的干扰源，中间放的是一个抗干扰天线，抗干扰天线距离干扰源3米左右。
我们做了一个什么样的实验呢？
就是抗干扰天线连接一台接收机，同时把另外一台单天线，也就是不具有抗干扰能力的天线，接到另外一台接收机上。
并且把它放在和这个天线相距离30米以外的地方，而且中间隔着两道铁门，起到屏蔽的作用。
打开干扰之后，没有抗干扰能力的那台接收机，马上就不能工作了，而具备抗干扰能力的接收机，依然可以正常地工作，这就是抗干扰与不抗干扰效果的区别。
干扰与抗干扰是一对矛盾，干扰与抗干扰的博弈也会影响战场的态势。
我相信在不久的将来，我们的北斗人一定会研制出世界一流的抗干扰产品，为我们的北斗应用保驾护航。
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