GPS需要加强防御，否则将被取代

GPS正面临着来自恶意力量的威胁。根据瑞士苏黎世应用科学大学 (ZHAW) 对 ADS-B 报告的分析，2024 年每天发生多达 700 起 GPS 干扰和欺骗事件。该瑞士机构记录了去年 8 月 15 日至 9 月 15 日期间发生的 41,000 起 GPS 欺骗事件。

最致命的 GPS L1 民用信号干扰事件之一发生在 12 月 25 日。当日，阿塞拜疆航空 8243 航班（Embraer 190 型飞机）在从阿塞拜疆巴库飞往俄罗斯格罗兹尼的途中被诱导偏离航线。当它偏离航线时，俄罗斯向该客机发射了一枚地对空导弹。爆炸的弹头使飞机的液压系统布满了弹片，导致飞机瘫痪。

飞行员奋力控制这架注定要坠毁的客机，但被迫在哈萨克斯坦阿克套紧急迫降，造成机上 67 人中 38 人死亡。

虽然该事件发生在俄乌战争区附近，但 ZHAW 还报告了芬兰、波兰、罗马尼亚、土耳其和沙特阿拉伯的 GPS 干扰和欺骗热点地区。美国交通部 (DOT) 记录了北美地区，特别是美国本土以及西欧大部分地区 GPS 信号干扰和欺骗事件的增加。

在非洲、澳大利亚和环太平洋国家也发生过零星事件。根据 Resilient Navigation and Timing Foundation 的 Dana Goward 的说法，北大西洋上空甚至也检测到了 GPS 信号干扰。美国交通部称，地中海也记录到了信号干扰。

卫星导航系统易受干扰和欺骗的弱点由来已久。传统的 GPS 有两个致命弱点：信号弱且没有加密。自美国交通部的 Volpe National Transportation Systems Research Center 于 2001 年发布其 GPS 漏洞评估报告以来，美国就已知晓这一威胁。

25 年前，GPS 的主要用途是航空和航海导航。现在，许多其他工业部门，如电力、银行、金融、农业、测量，甚至电影制作，都已深度依赖 GPS 来实现高精度授时以及定位和导航。据估计，GPS 每年产生的经济影响超过 400 亿美元。干扰 GPS 可能会对整个美国经济产生可怕的影响。银行交易、股票交易和电网可能会被禁用。

攻击 GPS 定位、导航和授时 (PNT) 所需的武器出人意料地便宜。功率为 10 瓦的 GPS 欺骗器，成本低于 50 美元，可能会在数英里范围内造成严重的导航和授时错误。更糟糕的是，美国联邦法律禁止干扰器的操作、营销或销售，但执行力度很小。联邦、州和地方执法机构之间也没有协调来识别、逮捕和起诉违法者。美国联邦通信委员会 (FCC) 负责受理投诉，但违法者面临被起诉、定罪和监禁的风险很小。

为此，白宫于 2020 年 2 月发布了第 13905 号行政命令，并于 2021 年 1 月发布了第 7 号太空政策指令 (SPD)，目标是加强和保护 GPS PNT 的可用性，以用于“国家和国土安全、民用、商业和科学目的”。正如 SPD 7 所说，美国将保持 GPS 作为“卓越的星基 PNT 服务”具有战略利益，这是一种软外交力量。

现在，GPS 正落后于欧洲的 Galileo 和中国的 Beidou 全球导航卫星系统 (GNSS)。自 Volpe 报告发布以来，一直没有联邦政府采取行动或提供资金来保护、加强或增强民用 GPS。即使使用最新的 GPS III 卫星传输更新后的 L1C 民用信号，它也几乎与原始 L1 C/A（粗捕获）码一样容易受到欺骗和干扰。

相比之下，美国国防部 (DOD) 通过增加发射功率和采用更强的加密技术，加强了最新的 GPS III 卫星发射的军用 M 码信号。GPS 的核心仍然是受美国国防部控制的资源。

民用 GPS 仍然是唯一经过认证的 GNSS，它具有在全球几乎所有地方进行单一导航所需的精度、完整性和可用性。没有其他 GNSS 能与之匹敌——无论是欧洲的 Galileo，还是中国的 Beidou，当然也不是俄罗斯的 Glonass。

Goward 说，University of Texas Radionavigation Laboratory 的 Todd Humphreys 怀疑中国的 Beidou 可以模仿和欺骗 GPS 和 Galileo 信号。Humphreys 告诉 BCA，Beidou 对 GPS 的威胁值得进一步研究。但没有证据表明 Beidou 除了用于国内 GNSS PNT 之外还有其他用途。

Stanford University 名誉教授、1970 年代 GPS Joint Program Office 的首任主任 Bradford Parkinson 是美国星基定位、导航和授时咨询委员会的第一副主席。Parkinson 提出了几个保护 GPS 并使其恢复到世界卓越 GNSS 地位的想法。

移除 ITAR 限制

GPS 太容易受到干扰了。一台 1 千瓦的干扰器就可以使半径 300 海里范围内的 GPS 失效。Parkinson 说，波束控制/零位控制多单元相控阵或受控接收模式天线 (CRPA) 可以衰减来自地面高功率干扰器高达 99% 的信号干扰。CRPA 可以将 1 千瓦干扰器的有效半径缩小到 3 海里。干扰器的有效面积从 280,000 平方米减少到 28 平方米。

但由于过时的美国出口管制，包括国际武器贸易条例 (ITAR) 和出口管理条例 (EAR)，民用用户无法获得具有这种信号过滤水平的 GPS CRPA。Parkinson 补充说，ITAR 禁止制造或销售具有超过三个单元的 CRPA，这实际上使它们无法用于抗干扰保护。只有授权的军用 M 码 GPS 接收器才允许具有可以抵抗高达 99% 干扰的多单元相控阵 CRPA。相比之下，欧洲没有对 Galileo 民用 GNSS 接收器的 CRPA 施加出口管制限制。

SpaceX Starlink 卫星通信收发器使用具有 1,280 个单元的数字 CRPA。Parkinson 说，使用类似 Starlink 数字技术的新一代民用 GPS CRPA 可能对地面干扰器非常有效。他希望放宽 ITAR 和 EAR，至少要允许美国制造和销售 20 单元 CRPA 用于民用，从而能够将干扰器的视距 GPS 拒绝半径减少 94%。

即使没有 ITAR 限制，在民用飞机上广泛采用抗干扰 GPS CRPA 也存在重大挑战。首先，必须发布更新的 RTCA 标准。接下来，航空电子设备制造商需要开发基础设施并投资于制造 GPS CRPA 所需的工具。最后，CRPA 需要定价合理，以便改造具有成本效益。

GPS 和 Galileo 合作

CRPA 只是防御 GPS 的一部分。Parkinson 还指出，需要更新 GPS 接收器以使用所有可用的“完整性认证” GNSS 星座，这意味着这些系统的运营商会监控导航卫星的性能，并及时向用户发送有关虚假或误导性信号的警告。欧洲和美国在 GNSS 合作方面有着悠久的历史，包括为组合的 GPS/Galileo GNSS 系统开发标准。

Parkinson 说，现代移动电话不再仅仅依赖 GPS 进行导航。它们从多个全球和区域导航卫星星座中的多达 30 颗卫星接收两个或多个频段的多达 60 个卫星导航信号。

航空业在升级到多 GNSS 和区域卫星导航接收器方面远远落后于无线电信行业。RTCA 直到 2023 年 9 月才发布双频 GPS、Galileo 和星基增强的 DO-401 最低运行性能标准。

双频 GNSS 接收器使用 1575.42 MHz GPS L1C 和 Galileo E1 信号以及 1176.45 MHz GPS L5 和 Galileo E5a 信号。通过比较 L1/E1 和 L5/E5a 信号延迟和失真之间的差异，使用两个频率使 GNSS 接收器能够校正大气误差。GPS III 卫星现在提供 L5 信号，但要到 2026 年才能实现初始运行能力，到 2029 年才能完全投入使用。Galileo 的 E5a 信号自 2016 年底以来一直在运行。

双频段 GNSS 接收器也更能够抵抗简单的单频电子战设备的干扰和欺骗。L5 和 E5a 以更高的功率、更宽的带宽和更长的扩展码广播，这使得它们更能够抵抗欺骗。星基增强系统 (SBAS) 使双频接收器更加精确。SBAS 不仅通过提供误差校正来提高导航精度，还可以警告 GNSS 信号异常。

航空电子设备公司尚未开发出符合 DO-401 标准的民用飞机双频接收器，更不用说出售了。当它们进入市场时，它为未来的多星座接收器打开了大门，这些接收器将能够使用区域导航卫星系统 (RNSS)，例如日本的 QZSS、韩国的 KPS 和印度的 NavIC 星座。虽然区域星座可能不用于主要导航，但它们为 GPS 和 Galileo 提供了冗余。

信号加密

Galileo 的开放服务（民用）E1 信号结合了公钥/私钥加密来对数据进行数字签名和身份验证。来自恶意力量的虚假 Galileo 信号很容易被 GNSS 接收器检测和拒绝，因为它们缺少加密水印。该功能称为 Open Service-Navigation Message Authentication (OS-NMA)，自 2023 年 8 月以来已全面投入使用。

同样，GPS III 卫星旨在用 Chips-Message Robust Authentication [Chimera] 加密 L1C 和 L5 民用消息，这是一种加密技术，它使用导航消息身份验证和 GPS 伪随机噪声代码消息的细微中断来将消息标记为真实。

但 Chimera 的实施严重落后于计划。它原定于 2022 年在 GPS III 航天器上投入使用，但开发问题已将初始运行能力推迟到最早 2027 年。

一旦 GPS 和 Galileo 信号加密水印可以与双频 L1/E1 和 L5/E5 广播相结合，结果将是更加强大的 GNSS PNT。

全球 GNSS 增强

根据 Parkinson 的说法，GPS 现代化受到了与第一代 L1 接收器向后兼容的要求的阻碍。再加上旧 GPS 航天器的长寿命，向后兼容性要求排除了用具有增强功能的新导航卫星更新星座的可能性。

目前，民用 GPS 仅在一个频率上发射。相比之下，Galileo 和 Beidou 各有三个民用频率。Galileo 和 Beidou 使用这些额外的频率进行高精度服务 (HAS) 广播，这实际上是下一代 SBAS，具有更高的精度和更大的地理覆盖范围。Galileo 从其卫星网络在 1278.75 MHz 上传输 HAS 数据，这是一个未用于导航的替代频率。Beidou 在两个民用 GNSS 频率（1575.42 MHz 和 1176.45 MHz）上传输 HAS 数据，这些频率与 GPS 和 Galileo 共享。

美国的广域增强系统 (WAAS) 是一种第一代 SBAS，提供 1-2 米的水平精度和 2-3 米的垂直精度。最新的 Galileo 和 Beidou HAS 系统提供的精度比 WAAS 高 60 倍。

此外，WAAS 的覆盖范围仅限于美国本土、加拿大和墨西哥的邻近地区以及阿拉斯加。Galileo HAS 覆盖范围包括北美和南美、格陵兰、欧洲、非洲和亚洲东半部。Beidou HAS 从俄罗斯中部、中东和东非西部一直延伸到白令海、新西兰和密克罗尼西亚东部。

如果美国想要发射一个全新的 GPS 卫星星座来提供等效的 HAS，它将耗资 75 亿美元以上，并且需要长达十年的时间。Frank van Diggelen 在担任 Institute of Navigation 主任时，领导了一项研究，探讨了一种使用现有星座提供 GPS HAS 的成本较低的方法。

GPS HAS 首先利用 Jet Propulsion Laboratory (JPL) 的全球差分 GPS 系统 (GDGPS) 的 80 个地面 GNSS 监测站网络。然后，它增加了 120 多个地面站，以创建世界上最大的 GNSS 监视器网络。

地面站网络计算精确的 GNSS 卫星轨道、电离层和对流层折射和延迟误差以及 GPS、Galileo、Beidou 和区域导航卫星系统的时钟数据，并将该数据以 1 秒的间隔馈送到 JPL。

使用来自所有 200 个地面设施的数据，JPL 可以计算 GPS 和 Galileo GNSS 信号的精确校正。此类校正可以将 GPS 水平精度提高到 10 厘米或更低，垂直精度提高到 20 厘米或更低。NOAA 声称，GDGPS 增强的 GPS HAS 将比 Galileo 的 HAS 精确 30%。

Van Diggelen 建议使用互联网上的安全通信将 GPS 和 Galileo HAS 数据发送给最终用户，而不是通过 GNSS 卫星传输的太空信号。JPL 会将 HAS 数据转发给美国政府合作伙伴，该合作伙伴将管理互联网数据分发基础设施，并通过加密的互联网链接将其广播给用户。

加密的 GPS HAS 互联网广播还具有将 HAS 转换为 HARS 的稳健性功能。2024 年 9 月，van Diggelen、Boeing 的 Tim Murphy 和 Mitre 的 John Betz 发表了一篇论文，说明了让 GPS 接收器抢先同步 GNSS 卫星广播的伪随机噪声 (PRN) 扩展码任务的优势。PRN 代码数据包含卫星位置、时间和健康信息。如果可以提前预先广播每个航天器的 PRN 代码的数据符号，则 GNSS 接收器可以使用几乎所有接收器增益来跟踪卫星信号，从而快速同步到每个航天器。结果是接收器灵敏度提高了高达 6 分贝。换句话说，它在弱信号区域更能够抵抗断锁。

NOAA 在 HARS 开发方面处于领先地位，但尚未分配资金。该系统的总成本估计低于 1 亿美元。

替代 PNT

在 GPS 投入运行之前，航空和航海部门主要使用地面无线电导航辅助设备。在 GPS 可用后，大多数地面导航辅助设备被宣布为过时。

虽然民用 GNSS 信号提供无与伦比的全球 PNT 精度，但它们容易受到恶意信号干扰。更不祥的是，根据 Center for Strategic and International Studies 的说法，俄罗斯据称正在开发装有核弹头的反卫星武器，这些武器引爆时会产生电磁脉冲，从而使 GNSS 卫星失效。俄罗斯否认这些说法。

GPS 的潜在威胁造成了开发替代 PNT 来源的迫切需求。增强型 Loran 或 eLoran 就是这样一种替代方案。与 Loran-C 类似，eLoran 将以 100 KHz 的中心频率传输。信号将被脉冲化，以使接收器能够区分地波和天波干扰。

来自 eLoran 地面站的传输将与 UTC 精确同步，从而将导航精度提高到正负 8 米，而 Loran-C 的精度为 18-91 米。eLoran 数据通道将有助于传输差分校正。

与 Loran-C 一样，eLoran 将是一个 2D 导航系统。高度由传统的空速数据系统提供。eLoran 的导航精度将支持 RNP 0.3 所需的导航性能操作。站点将具有高达 1.5 兆瓦的传输功率，使恶意力量难以干扰信号。

增强型 DME (eDME) 是另一种替代 PNT 来源。这将需要升级后的飞机 DME 收发器，该收发器能够跟踪 UHF 载波并使用类似 GPS 的脉冲伪距数据。地面站将提供向后兼容的传统 DME 功能，并将具有 100-1,000 瓦的传输功率，使它们难以干扰。

地面伪卫星网络提供了第三种替代 PNT。与 GPS 类似，伪卫星使用多个发射器来广播被动或伪测距信号。与 GPS 不同，发射器是固定在位置上的，而不是在 11,000 海里的高度绕地球运行。配备伪卫星接收器的飞机通过三角测量法确定其位置，使用来自已知位置的地面基站的多个距离弧的交点。

与 eDME 一样，伪卫星受到视距信号接收的限制。飞得太靠近地面，就会屏蔽被地形屏蔽的站点，从而使其无法使用。虽然伪卫星网络有望实现 RNP 0.3 导航精度，但它们仅提供水平定位。

所有这些替代定位和导航系统使金融、电信和电力部门以及其他行业容易受到 GPS 10 纳秒授时精度的中断。White Rabbit 是欧洲核研究组织 (CERN) 开发的基于以太网的替代授时技术。White Rabbit 可补偿微电子处理数据的速度以及光在光纤电缆中传播的速度，从而提供远低于 1 纳秒的授时精度。

使用 White Rabbit 等时间同步技术和光纤电缆网络，使多个行业几乎不受 GPS 信号中断引起的授时错误的影响。

磁导航

根据 Aaron Canciani 的说法，分析地球地壳中的磁异常有望创建防干扰和防欺骗的导航。

Canciani 开发了一种磁导航系统，该系统以类似于地形跟踪系统使用地形特征的方式使用地球地壳中磁异常的地图。

他在检测地壳或岩石圈的磁特性时面临的挑战之一是来自地球核心磁场、上层大气耦合电流和磁层耦合电流的干扰。例如，核心磁场的磁性强度是岩石圈磁性的 100 倍，从而产生必须为磁导航过滤掉的强烈磁噪声。

虽然不如基于摄像头的视觉导航或地形跟踪系统精确，但磁导航不需要参考陆地特征。它几乎可以在地球上的任何地方工作，包括地球表面 70% 的被水覆盖的区域，这些区域没有地形可用作地形图。而且 MagNav 的功能不依赖于日光、良好的能见度或主动传感器（如测绘雷达）。岩石圈中数英里深的含铁材料矿藏使 MagNav 几乎不受干扰。

美国空军技术学院和 Massachusetts Institute of Technology 共同赞助的 MagNav 研究仍在继续。在严格控制的理想条件下，Canciani 在一架 Cessna 208 中实现了正负 9 米的 MagNav 精度。

这需要高质量的地壳磁图，整合来自多个磁力计、INS 和 GPS 的输入，精确校准 Caravan 的磁特征，并在低空飞行并在 Virginia 的同一区域上重复飞行。

在 MagNav 成为一种实用的、可操作的替代导航系统之前，还有四个挑战：传感器、磁异常和变化地图、飞机磁特征校准和软件算法。

根据 Honeywell Aerospace Technologies 产品管理总监 Benjamin Mohr 的说法，Leidos 和 Honeywell 正专注于 MagNav 的军事应用。Mohr 拒绝预测该技术的导航精度，也拒绝透露何时可以出售。

总部位于 Palo Alto 的 SandboxAQ 已成为 MagNav 开发的领跑者，其产品是 AQNav。公司名称中的 AQ 代表 SandBoxAQ 开发的专有 AI 平台和量子传感器。AQNav 使用大型定量模型和量子传感器来分析地球地壳的磁特性。

该公司在 2023 年在美国空军 Boeing C-17 运输机上记录了 40 多次试飞和 400 个飞行小时。SandboxAQ 还在与 Boeing 和 Airbus 研究机构合作开发 MagNav。

常用的 World Digital Magnetic Anomaly Map (WDMAM) 只有 3 海里的分辨率，这对实现精确的磁导航提出了重大挑战。WDMAM 是来自卫星、飞机、船舶和地面测量设备的磁异常测量值的汇编。

MagNav 系统开发人员认为，他们可以通过使用 AI、量子传感器、基线 WDMAM 和其他输入来构建自己的高精度岩石圈磁异常图来克服该缺点。

例如，该公司 AQNav 产品经理 Ken Devine 表示，SandboxAQ 的目标是在“未来几年内达到 RNP 0.1 导航性能，等待进一步的测试和验证”。

GPS 干扰和欺骗不会很快消退。第一道防线是将 GPS PNT 与来自其他传感器的输入进行交叉检查。Parkinson 提倡“深度集成”，或将 GPS 传感器和惯性参考平台（如激光、光纤陀螺仪以及微机电陀螺仪和加速度计）紧密耦合，以标记明显的 GPS 信号干扰。

构建地面替代 PNT 基础设施，如 eLORAN 和 eDME，可能成本高昂，并且需要数年时间才能实现运行状态。

MagNav 也有可能成为 GPS 和其他 GNSS 网络的备份。虽然不能提供等效的导航精度，但该系统可以在飞机飞越受 GNSS 欺骗或干扰影响的区域时提供基本的 2D 导航能力。

从长远来看，Parkinson 认为民用 GPS 需要与军用 GPS“分离”。21 世纪的民用 GPS 需要包括 L1 和 L5 数据加密、HARS，或许还需要数百颗低地球轨道卫星的补充星座，以提供太空中的 GNSS 信号。必须取消 ITAR 对相控阵多单元 CRPA 的限制。

作为卓越的 GNSS，GPS 正落后于 Galileo 和 Beidou。如果美国打算重获该头衔，那么保护它、加强它、增强它至关重要。

这将需要华盛顿采取果断行动和提供可靠的资金。