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                    專題
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                    《兵器知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    以普及兵器科技知識,提高中國全民國防觀念,為實現國防現代化,特別是武器現代化服務為辦刊宗旨,面向中國廣大青少年軍事愛好者,廣泛宣傳兵器科技知識,大力普及軍事高新技術,介紹世界軍事科研生產情況,展示各國武器裝備風貌,宣傳中國兵器工業發展道路和成就。

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                    [“坎大哈怪獸”的“楚門世界”] 美國RQ-170緣何墜落?(二)

                    2013-02-27 22:20:01

                    “擊落”RQ-170 的可能方法

                    目前,采用何種干擾方式“擊落”RQ-170眾說紛紜。伊朗方面說“破解數據鏈,輸入引導數據致其迫降”。這一說法被理解為采用類似“黑客”攻擊的方式實施了網絡攻擊,但被大多數軍事專家所否定。因為這個難度太大,而且是碰運氣。其“擊落”點深入伊朗境內225千米,因此采用衛星數據鏈的可能性較大。衛星數據鏈天線方向通常向上,且波束較窄,被電子偵察到是有可能的,但得到穩定的可破譯信號的難度較大。因此通過破譯而進入飛機內部數據鏈系統的可能性不大。最有可能的是采用GPS信號欺騙的方式,并輔助有其它多種干擾方式。

                    可能的電子干擾方式針對無人機的無線電干擾通常有阻塞式干擾和瞄準式干擾,以及欺騙式干擾。阻塞式干擾頻帶寬,但能量分散且敵我不分。瞄準式干擾能量較為集中,但需要掌握敵方工作頻率。欺騙式干擾則是要破解或復制敵方信號,與被干擾對象形成應答關系。這幾種方式在對GPS衛星信號的干擾上都存在。

                    阻塞式和瞄準式干擾是通過發射干擾信號壓制GPS衛星信號,使GPS接收機接收不到信號而無法定位,達到干擾目的。這種干擾技術門檻比較低,易于推廣。目前市場上就有商用干擾器,可以屏蔽數米范圍內的GPS信號,使汽車或商品上的GPS跟蹤器失效。俄羅斯設計的廉價GPS干擾機現在到處可以買到,甚至可通過因特網采購到。這種干擾機重3~10千克(不含電池),價格低于5萬美元,能對美國現有GPS系統的四個頻段實施有效干擾,但作用距離有限。

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                    ?無人機的地面控制站,不僅可以接收無人機偵察到的信息,還可控制無人機的飛行

                     

                    欺騙式干擾是發射與GPS信號具有相同參數(只有信息碼不同)的假信號,干擾GPS接收機,使其產生錯誤的定位信息,這使其所需功率大為降低。研究表明,輸出100毫瓦的全向天線干擾機就可能對16千米范圍內使用GPS制導的導彈和炸彈造成嚴重干擾;輸出100瓦的全向天線干擾機,可使1 000千米范圍內該種武器的GPS受到干擾。這使美軍擔憂“只要敵方裝備了簡易的干擾機,就很容易破壞美軍利用精確制導武器進行外科手術式打擊的能力”。俄羅斯在1999年研制出一種便攜式干擾機,干擾功率為8瓦,可以對美國GPS衛星使用的兩個頻段進行干擾,也可以干擾GLONASS的兩個波段。這種欺騙式干擾原先只是為降低GPS制導武器的打擊精度,但只要巧妙利用,就可以發展成更新的欺騙模式,實現“俘獲”RQ-170的目的。這很可能就是伊朗使用的導航系統虛擬技術。

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                    ?被伊朗“俘獲”的RQ-170,其翼身結合部的兩個隆起里面可能裝有平板相控陣衛星天線

                     

                    虛擬導航系統構建這種方式實際是利用各種方法虛擬構建一個無線電導航環境,其頻率和編碼均與某個異地實際GPS信號相同,GPS接收機就會接收這個異地位置坐標信息,從而達到欺騙無人機的目的。這一方法最早是美國為對抗GPS干擾而開發的。美國國防預研局(DARPA)為對付敵方干擾機對GPS的干擾,研究了一種與以往完全不同的技術途徑,即GPS偽星座方案。該方案是利用裝載在無人機或地面上的轉發器,在戰場上空構成一個偽GPS星座,由它以高功率播發經放大的加密GPS信號,以壓制敵方干擾信號,為己方或盟友提供精確導航信號。由于使用真正的GPS星座導航時,GPS接收機開始必須知道衛星的位置信息,因此GPS偽衛星將使用低數據速率信息,將4 顆移動的偽衛星的位置告訴接收機。按照機載偽衛星方案,無人機必須不斷地播放它們的位置信息。與使用真實衛星星座相比,GPS定位精度的總誤差將增加約20%。美國國防預研局在7 600米高的“軍刀”運輸機和3 000米高的“獵人”無人機測試的偽衛星表明:使用機載偽衛星,定位精度降低到了4.3米,而使用真實衛星的定位精度是2.7米。為了提高定位精度,4顆偽衛星不必都安裝到無人機上,可以組合使用地面站和無人機,缺點是覆蓋區域將減小。如果偽衛星發射100瓦的信號,地面接收機接收的信號強度將比使用真實衛星時提高45分貝,從而避免敵方的干擾。美國已在由3個飛行中的偽衛星和一個地面站組成的偽星座上對這一能力進行過測試。

                    雖然這一技術是為對抗GPS干擾而開發的,但如果無人機或地面站轉發的是加入一定距離差的信號,那么較強的轉發信號就會淹沒真正的衛星信號,從而使接收機接收到加入誤差的數據,使無人機或制導武器上的制導系統偏離實際位置一定距離。例如,如果在轉發信號中都加入50千米誤差,則制導炸彈只會打擊50千米外的虛擬目標,飛機可能也會認為自己在50千米外的某個位置飛行。如果加入的是RQ-170駐阿富汗某地的機場與伊朗某機場的方位差,RQ-170就會把伊朗某機場誤認為是阿富汗某地的機場。這一技術的關鍵是要對GPS信號迅速解碼,并成功將誤差信號加入接收到的GPS信號中,然后轉發出去。

                    實際上還有一種簡單的、無需解碼破譯的虛擬導航系統構建方法,就是目前許多國家開發的“鏡像”干擾技術。這是運用通信中繼原理,把一個地方接收到的GPS信號通過中繼通信鏈路傳送到另外一個地方放大轉播,從而回避了解碼難題。這種方式只要掌握衛星的下行頻率,運用解調方式將一地的位置信息調制成電信號,再利用無線電臺、有線網絡、民用移動通信網絡等方式中繼傳送到異地,并運用與衛星相同的下行頻率以大功率放送出去,就可在異地一定范圍內構建一個新的導航系統。例如,如果把上海某機場的GPS信號通過網絡實時傳送到北京機場,并通過轉發器在GPS頻點上放大播放,即可壓制實際GPS衛星信號,在北京機場一定范圍內構建一個上海機場的“克隆”導航環境,這個范圍內的GPS接收機將顯示上海某機場的信息。

                    早在20119月,伊朗革命衛隊防空總部負責電子戰的副司令格利扎德將軍,就向伊朗波斯新聞通訊社描述了伊朗如何改變GPS制導導彈的彈道——這一戰術更容易應用到飛行速度低的無人機上。其稱:“我們手上有現成的計劃,它比通信阻塞先進一個層次,即‘欺騙’入侵系統。我們能夠為它設定我們想要的參數,這樣導彈的飛行路徑就會指向我們想要的目的地?!备窭抡f“所有敵方無人機的運動軌跡”都被監控,而“阻斷”它們的工作“一直都在我們的日程之上”。據稱,這次采訪很快從波斯新聞通訊社的波斯語網站上被撤掉,并且這位還比較年輕的將軍很快被宣告死于心臟病。

                    “擊落”過程分析雖然構建虛擬導航環境可以欺騙無人機,但要俘獲它仍需要運用多種技術。國外媒體援引一位參與破解RQ-170的伊朗工程師的說法稱,伊朗電子戰專家切斷了RQ-170的通信鏈接,然后使用從先前墜毀的美國無人機上獲取的知識,再加上20119月伊朗司令官宣布擁有的技術,重新設置了無人機的GPS參數,使其誤認為它是在阿富汗的基地降落,而實際上它在伊朗境內著陸。他稱:“通過在通信中設置噪音(阻塞),迫使它進入自動駕駛狀態,”然后使用“欺騙”技術——設定精確的著陸高度以及經緯度數據——使這個無人機“按照我們預想的地方自動著陸”。這種“電子埋伏”方法的可行性被包括美國在內的眾多國家的軍事專家所肯定。

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                    ?RQ-170的三面圖,外形與B-2有幾分相似,體現了隱身設計

                     

                    從伊朗工程師的敘述可以對伊朗的“擊落”過程進行一定程度的還原。伊朗工程技術人員在對以前擊落或墜毀在伊朗境內的美國無人機的研究中發現了美無人機的GPS型號或核心芯片類型,以及自動駕駛儀的工作原理。由于美國無人機等軍用產品為降低成本,大量采用了商業技術標準和商用部件,使保密程度大為降低,伊朗有可能對其工作機制和保密方式進行破解。即使沒有破解,也可以大致了解工作原理。

                    據此,伊朗利用“汽車場”電子對抗系統和部署在境內的大量無線電轉發器,在RQ-170飛行航線的必經之路設置埋伏。當RQ-170進入設伏地區,“汽車場”系統在先前偵察到的若干個無人機數據鏈頻段實施阻塞式電子干擾,切斷其與中繼衛星或地面站的聯系,迫使無人機轉入自動駕駛狀態。一旦進入自動駕駛,機上導航系統將搜尋GPS衛星信號以修正慣性導航系統參數。但偵察數據無法回傳,也得不到具體操作指令,這種狀態持續一定時間后,機上自動駕駛裝置將不得不進入自動返航模式。此時,等待已久的大量GPS轉發器開始工作,其將接收到的GPS信號傳送到中心解算站,利用大型計算機解算,然后疊加入早已計算出阿富汗境內RQ-170的母機場與伊朗設伏機場的方位差信號,再通過境內微波線路或網絡將新的GPS信號發送到設伏地域內的各轉發器,從而構建一個虛擬的衛星導航環境。在RQ-170再次接收GPS信號時,它會自動跳轉到應該在數十分鐘后的返航線路點上。也就是說,RQ-170實際在伊朗境內,而自己卻認為已經返回到了阿富汗境內的母機場附近。機上自動駕駛儀控制飛機在虛擬的母機場上自動降落。

                    從伊朗在國家電視臺展示的RQ-170看,其左翼有一個凹陷,起落架和著陸裝置被兩面反美的條幅所掩蓋。這很可能如伊朗工程師解釋:“如果你比較一下我們讓它著陸的地方和它在基地著陸的地方,兩地幾乎是相同的海拔。但是,它們還是有幾米的高度差,而無人機還是按照原設定的高度著陸,所以它的腹部就在著陸時受損了。這就是它為什么在視頻中被蒙住腹部的原因?!?/FONT>

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                    ?利用甚高頻廣播系統構建的虛擬定位系統示意圖

                     

                    這種虛擬構建技術從天方夜譚已經走進了戰爭現實,其所構建的新導航環境就如美國好萊塢名片《楚門的世界》。電影講述某電視機構為滿足人們的好奇心,為一個名叫楚門的人營造了一個小鎮。他在這里從幼兒長大,這里有他的親人、工作、初戀等等,但周圍這些全都是電影演員,他的一舉一動都被實況轉播,成為電視臺的名牌節目。而楚門自己卻快樂地生活在這個虛擬的世界中,直到一個同情他的女演員暗示他,他才發現了周圍世界的虛假。不過,美國的“坎大哈怪獸”直到降落也不會明白自己是怎么成為伊朗人的獵物的。

                    值得總結的經驗

                    這次事件既可以看出伊朗工程技術人員的聰明才智,也可看出現代無人機技術和衛星導航系統存在的種種隱憂。

                    導航方式切換存在漏洞從RQ-170工作原理可以看出,它在遭遇干擾而導致數據鏈中斷后,會迅速切換到自動模式,并依據衛星定位信號修正導航系統。在這一過程中無人機導航系統并沒有發現航跡的突然跳轉,也就是其飛行航跡在被欺騙后,迅速跨越了數十、甚至數百千米的不合理情況并沒有引起飛機導航主計算機的警惕,而按照新的坐標和高度數據飛行。但如果無人機發現了問題,而拒絕修正,就只能依靠慣性導航來返回數百千米外的母機場。這種方式的飛行誤差非常大,這無疑成為設計者的兩難選擇。

                    飛行線路固定不變這次伊朗之所以一舉完成“俘獲”,需要長期、大量的情報積累。不但需要積累大量的數據鏈信號以供破譯分析,還要研究其頻率特征、開關機規律;不但要統計分析前期無人機偵察飛行航線規律、出現時間,還要部署大量信號轉發器,并設計開關機、發送信號的戰術。伊朗能有條不紊地完成前期準備,與美國無人機偵察飛行航線長期固定不變有關。20111月,伊朗軍方就宣稱,其已經打下兩架常規(非隱身)無人機;7月,伊朗向俄羅斯專家展示了幾種美國無人機,包括那架曾經偵察過弗多地下鈾濃縮工廠的無人機。正是這種長期跟蹤和嚴密觀察,才使伊朗掌握了美國無人機的飛行規律,為最終“俘獲”奠定了基礎。

                    衛星導航技術存在安全漏洞這次事件也再次為GPS的安全性敲響了警鐘。目前,美國作戰系統嚴重依賴GPS系統。2010年美國空軍在對GPS地面控制系統升級時出現失誤,導致近百種使用GPS接收機的武器和作戰系統癱瘓。美軍參謀長聯席會議主席曾說過:“如果沒有了GPS系統的支持,美國甚至連一場戰斗都無法取勝,更不談打贏一場戰爭了?!边^去大家只認識到GPS信號弱,容易被壓制,而現在來看,它不但容易被壓制,更可怕的是還容易被欺騙。過去只是武器打不準,而現在可能是會被敵人欺騙而打擊到己方目標。

                    這次事件無疑開創了世界電子戰的又一先河,將電子戰帶到了一個更高的境界。這次RQ-170被“俘獲”將成為世界電子戰歷史上的一個里程碑。





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