基于“OODA环”优化的卫星导航定位安全与对抗应用研究.pdf
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1、第 45 卷第 1 期2024 年 1 月Vol.45,No.1Jan.2024遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite:基于“OODA环”优化的卫星导航定位安全与对抗应用研究吴鹏,张启福,魏鹏飞,姚远,叶菁(甘肃酒泉十四支局 甘肃 735018)摘要:卫星导航定位设备的“生存”环境日益复杂、严峻,各类电子对抗、干扰欺骗十分激烈,人为干扰已成为卫星导航定位安全与对抗的重点。针对传统手段无法有效应对干扰复杂性、全面性、系统性的不足,本文在分析“OODA环”理论和实践转化的基础上,结合复杂环境下“干扰-抗干扰”的整体对抗过程,优
2、化“OODA环”运行,将其与卫星导航定位安全与对抗应用进行耦合,提出基于“环境感知-筛选隔离-检测识别-效能评估-策略规划-对抗反制-回访反馈-再感知”的卫星导航定位安全与对抗不定向循环链路,并对拓展、映射的七个环节及关键技术进行分析、论证。通过引入“循环”和“不定向”两个概念,不仅实现了周期性外循环和部分环节内循环的嵌套迭代和导向性传输的运行机制;而且优化了内循环的自由度,使得各环节互联且独立、循环但不定向,有效增强了卫星导航定位安全与对抗的鲁棒性。本文的设计思路可加快实现循环链路的动态闭环,提高对抗的整体效能,在实践应用和技术论证中具有一定的参考价值。关键词:卫星导航定位;OODA环;安全
3、与对抗;压制式;欺骗式;不定向循环链路;内循环中图分类号:TN967.1 文献标志码:A 文章编号:2095-1000(2024)01-0091-09DOI:10.12347/j.ycyk.20230718001引用格式:吴鹏,张启福,魏鹏飞,等.基于“OODA环”优化的卫星导航定位安全与对抗应用研究 J.遥测遥控,2024,45(1):9199.Research about Application of OODA Ring Optimization in Satellite Navigation and Positioning Security and CountermeasuresWU P
4、eng,ZHANG Qifu,WEI Pengfei,YAO Yuan,YE Jing(Gansu Jiuquan 14th Branch,Gansu 735018,China)Abstract:The living environment of satellite navigation and positioning equipment is increasingly complex and severe,all kinds of electronic countermeasures,interference and deception are very fierce,and man-mad
5、e interference has become the focus of satellite navigation and positioning security and confrontation.In view of the shortcomings of traditional means to effectively deal with the complexity,comprehensiveness and systematization of interference,the paper,based on the analysis of OODA ring theory an
6、d practice transformation,combined with the overall counter process of interference and anti-interference in complex environment,optimized operation,coupled with satellite navigation and positioning security and counter,innovative satellite navigation and positioning security and counter non-directi
7、onal circular link which is based on environment awareness,screening isolation,detection and recognition,performance evaluation,strategic planning,counter attack-return visit feedback,reperception.The seven links of expansion and mapping are analyzed and demonstrated.By introducing the concepts of l
8、oop and undirected,the operation mechanism of nested iteration and guided transmission of cyclic outer loop and loop in link is not only realized,but also the freedom of the inner loop is optimized,so that links are interconnected and independent,and loop but not directed,effectively enhance the saf
9、ety of satellite navigation and positioning and the robustness of confrontation.The design idea of the paper can accelerate the realization of the dynamic closed-loop loop of cyclic link,improve the overall efficiency of countermeasure,and has certain reference value in practical application and tec
10、hnology demonstration.Keywords:Satellite navigation and positioning;OODA ring;Security and confrontation;Blanket jamming;Deception jamming;Non-directional circular link;Inner loop收稿日期:2023-07-18;修回日期:2023-10-30第 45 卷第 1 期吴鹏等,基于“OODA环”优化的卫星导航定位安全与对抗应用研究Citation:WU Peng,ZHANG Qifu,WEI Pengfei,et al.Re
11、search about Application of OODA Ring Optimization in Satellite Navigation and Positioning Security and CountermeasuresJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2024,45(1):9199.0引言随着全球导航卫星系统的不断发展,卫星导航定位作为一项革新技术,已深度融入交通、航空航天、电力、金融等诸多领域,极大地影响着人类的生产、生活。尤其是在一些高精尖行业的应用不可或缺,不仅可为各类应用系统和平台提供精确的导航、定位、授时等服务
12、,而且可有效提升系统控制、多平台协同等能力,展现了“国之重器”的重要作用。有发展就可能出现挑战,伴随着导航对抗、授时干扰等理念的提出,卫星导航定位的安全与对抗问题已成为各类应用的核心问题之一。近年来,卫星导航定位设备被干扰、欺骗的情况比比皆是,极大降低了导航定位性能。2017年,20多艘在黑海作业的船只受到大规模诱骗攻击,船载导航设备显示定位正常,但实际位置偏差25海里(约为46 300米)1。据报道,依靠卫星导航的自动驾驶车辆的安全性也受到威胁。某地正常行驶的特斯拉Model3被坐标欺骗后,直接失控,在高速路上急刹车、急转弯。为此,许多学者竞相开展安全与对抗方面的研究,王旭旭研究了欺骗干扰检
13、测、抑制技术,提出基于信噪比和相对距离的检测方法,以及正交干扰子空间的抑制方法2。尹继东开展抗干扰技术分析,对比了最小均方、功率倒置等自适应抗干扰算法的性能3。姚旺对有源压制干扰、箔条干扰、欺骗干扰等机理和特性进行了研究,从频域、空域提出相应对抗措施4。传统卫星导航定位的对抗研究注重在某项具体的干扰技术、检测方法、抗干扰算法等方面进行。然而在当前复杂环境的应用背景下,卫星导航定位设备面临着全方位的安全威胁,干扰的复杂性、全面性、系统性更加突出,这就不能只关注于某项具体技术,而要实现多个单项技术或系统的连贯和融合,通过技术延伸和能量传递,发挥卫星导航定位安全与对抗的整体效能,以此形成一些符合实际
14、的模式或机制。可见,卫星导航定位安全与对抗从本质上来讲就是多系统叠加的机制对抗,从环境感知、发现干扰、检测识别,到制定策略、消除干扰的过程,这是一个多个分系统之间耦合连贯的机制。基于“OODA环”的应用,立足于“观测-判断-决策-行动”的动态环路,很好地契合了卫星导航定位安全与对抗的运行过程,能更好地在保持各分系统独立性的基础上,又不失连贯地形成闭环回路;同时,实现各分系统之间的能量传导和循环迭代,涌现出超出“线性叠加”的“机制运行”能力。因此,开展“OODA环”与卫星导航定位安全与对抗的耦合应用具有一定的价值。1“OODA环”理论与实践分析“OODA环”理论是二十世纪七十年代由博伊德提出的一
15、种闭环模型,即观察(Observe)、判断(Orient)、决策(Decide)、行动(Act)等四个环节的循环5,6。“OODA 环”的设计之初就是在对抗情况下,通过观察目标、判断对手行为,到准确评估,并做出合理的决定,以快速完成行动,而行动后又回到最初的观察,进而形成一个循环。1.1“OODA环”分析“OODA环”的发展经历了从理念提出到实践验 证 再 到 拓 展 推 广 的 过 程。在 实 际 应 用 中,“OODA环”的四个环节衔接运行、导向传输、融合互联,如图1所示。观察环属于“OODA 环”的初始环节,也是下一个图1“OODA环”循环运行示意图Fig.1OODA loop oper
16、ation diagram922024 年 1 月遥 测 遥 控环路的溯源环节。通过专用传感器和技术对环境进行全维感知。采取监测、测量等方式,获取时域、频域、空域内各类系统和平台,以及非合作目标等环境因素产生的信息,并进行样本累积。依托大数据分析、处理技术,将获取的多维、多源、复杂数据进行快速整合,并充分挖掘有效信息,利用数据模型融合、数字化态势再生,为形势预判提供实时、可靠、准确的先验信息。判断环这一环节是通过对全维感知信息的推理判断,准确研判、评估对抗态势,并以此预测发展趋势。首先,结合先验信息的特征,通过对信息源的解释、整理和评估,以及威胁因素的分析,将有效信息转换成判断、决策所需支撑信
17、息;其次,将支撑信息与现有数据库、知识库、人工思考及经验等进行全方位比较,形成具备优先级的决策建议。决策环决策环是影响“OODA 环”的核心因素。决策是在信任和理解判断结果后,综合评估不同优先级的决策建议,并结合自身实际,从中选择一个匹配度高且合理有效的建议,并以此进行推演验证,生成行动方案。同时,将此决策场景存储在决策数据库中,形成先验决策信息,以便在下一次“OODA环”决策中进行调用、对比或迭代。行动环这是“OODA 环”效能精准释放环节。根据生成的行动方案,调配并指导各类对抗设备和技术力量,实现对目标的定向对抗、规避、破坏、干扰等不同对抗行动。同时,结合实时获取的最新观察信息,对态势进行
18、更新,实现行动方案的自适应调整,以满足变化需要。相应的,对决策结果进行验证,若未达到既定效果,需要重新决策,接入新的“OODA环”,指导新的行动。1.2“OODA环”实践转化在当前各类应用系统和平台信息化、智能化的大趋势下,“OODA环”理论得到了很好的完善和发展,其底层逻辑思维可融合在不同的应用场景中,使得各个独立的系统网络化关联在一起,在一定程度上展现了系统机制的运行模式7。凭 借 这 种 系 统 机 制 的 优 势,极 大 缩 短 了“OODA环”循环周期且提高了效能。一些学者为此进行了相关技术性论证。王太军提出了利用星链等低轨星座的大容量、低时延和边缘计算能力,为“OODA环”快速响应
19、提供技术支撑8。孙盛智建立了“OODA环”模型,并评估了整体运行能力5。顾灏冰基于延迟和阻断OODA快速闭环,提出智能博弈、以群制群等策略,开展了系统性对抗9。由此可见,“OODA 环”具有一定的循环迭代、呈机制运行等特点,这与复杂环境下“干扰-抗干扰”的动态对抗过程十分契合。将“OODA环”应用于卫星导航定位安全与对抗中,可实现各类信息平台化感知、流程化传输、网络化循环,以及干扰源自主判断、评估,抗干扰策略自主生成、执行等连贯性过程,形成一个兼顾平台内循环和分系统间外循环的系统机制10。2卫星导航定位干扰分析卫星导航信号本身微弱,导航卫星轨道高度约 22 000 km,卫星信号经传输消耗和大
20、气延迟,到达地面功率仅仅约-160 dBW。卫星信号掩盖在自然噪声中,极易受到各类射频辐射的干扰。目前,对于卫星导航定位的干扰,主要有三个层面,从顶层而言就是对星干扰,直接干扰或者摧毁信号源;从中间层而言,就是对地面监控站的干扰,破坏导航电文校正、星地时间同步等;从底层而言,就是卫星接收机干扰,直接影响信号捕获、解调和解算的链路。相比之下,对于卫星和地面监控站的干扰成本较大、难以实现,而对于接收机的干扰效果明显、易于实施,这就成了“干扰抗干扰”博弈最为激烈的部分。其中,对于接收机的干扰主要是各类射频辐射,包括自然噪声、传感器射频辐射、人为干扰、电子对抗释能、民用设施辐射等,其中特异的人为干扰最
21、为显著,是需要关注和研究的重点。2.1人为干扰的产生和分类人为干扰是专门设计的,针对卫星导航信号的接收体制、信号结构和数据处理等流程中的薄弱环节而人为制造的指向性攻击,扰乱、破坏、诱导卫星导航定位设备无法定位或者错误定位。人为干扰可按体制、样式、方式等三层进行分类。在体制上,可分为压制式、欺骗式和混合式干扰等三种11;在样式上,压制式干扰可分为窄带干扰和宽带干扰,欺骗式干扰可分为生成式干93第 45 卷第 1 期吴鹏等,基于“OODA环”优化的卫星导航定位安全与对抗应用研究扰和转发式干扰;在具体方式上,包括单频连续波干扰、窄带噪声干扰、窄脉冲干扰、噪声调幅干扰、噪声调频干扰、宽带脉冲干扰、宽带
22、梳状谱干扰、线性扫频干扰、单天线生成式干扰、多天线生成式干扰、单源转发式干扰、多源转发式干扰12等。如图2所示。2.2干扰作用机理分析 压制式干扰机理利用大功率发射机,发射与卫星导航信号同频段的干扰信号,降低卫星导航信号信噪比,致使接收机无法捕获、锁定信号,从而丧失定位能力。其中,窄带干扰频谱宽度一般与导航信号带宽相近或者集中在几个较窄的频带上,干扰瞄准中心频点聚能,造成信号载波和码元丢失,无法解调伪码。宽带干扰是针对一定区域内所有卫星信号实施干扰,干扰频带覆盖几个或全部导航信号的频谱宽度,真实信号完全被淹没,导致接收机失锁。欺骗式干扰机理针对公开的卫星信号结构、接口协议等,利用专业手段和设备
23、进行信号“仿真”、制造“伪卫星”或中继真实信号,产生与真实信号相似且功率略高的欺骗信号,使得接收机真假难辨,导致定位结果错误或偏离13。其中,生成式干扰预先接收卫星信号,然后生成与其相关性最大的伪码信号,并对卫星星历、时钟参数进行篡改,以此产生相位滞后的欺骗信号。转发式干扰是将接收到的卫星信号经过延时处理、功率放大后传播,致使欺骗信号参与定位,导致定位偏离。混合式干扰机理这是压制式和欺骗式干扰有效结合。首先,通过大功率压制进行信息饱和,致使卫星信号被屏蔽或淹没,以此切断接收机与卫星之间的无线链路,迫使失锁重捕。在此期间,发射欺骗信号,构建虚假卫星系统,接收机被诱导锁定并错误定位,至此完成接收机
24、的“接管”。这种组合干扰一般先压制,然后诱骗,隐蔽性和危害性很强。综合可见,人为干扰成因比较复杂,干扰影响的不确定性较大,尤其是在复杂环境下,极易隐蔽和潜伏,加之其波形、功率和样式灵活多变,且压制式、欺骗式和混合式等多种干扰样式呈现出交织、组合的发展趋势,使得传统的对抗方法更加难以应对。3卫星导航定位安全与对抗链路设计及应用对于卫星导航定位的安全与对抗,不能单纯地依靠某项技术或者手段,重点是解决“环境是什么、对抗要素是什么、干扰程度怎么样、采用什么抗干扰对策、实际如何应用”等系统性问题,即搭建安全与对抗的整体机制和架构。通过借鉴“OODA环”成熟理论,对其进行优化设计,将原有四个环节扩展、映射
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- 基于 OODA 优化 卫星 导航 定位 安全 对抗 应用 研究
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