Глобальная система определения местоположения GPS и навигационная война
ИНОСТРАННАЯ ПЕЧАТЬ
ОБ ЭКОНОМИЧЕСКОМ, НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОМ И ВОЕННОМ ПОТЕНЦИАЛЕ ГОСУДАРСТВ - УЧАСТНИКОВ СНГ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ .ЕГО ВЫЯВЛЕНИЯ
Серия: "ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РАЗВЕДЫВАТЕЛЬНЫХ СЛУЖБ ЗАРУБЕЖНЫХ ГОСУДАРСТВ"
Ежемесячный информационный бюллетень
№3/99
Глобальная система определения местоположения GPS и навигационная война
Спутниковая глобальная система определения местоположения, или глобальная космическая навигационная система GPS (Global Positioning System), была первоначально создана как навигационная система вооруженных сил для точного определения местоположения объектов на земле, в воздухе и на море в любой точке земного шара и при любых условиях окружающей среды. Впоследствии она стала обслуживать и гражданских пользователей, число которых со временем стало существенно превышать число военных пользователей (в три раза в 1996 г., к концу текущего десятилетия, по прогнозам, это превышение достигнет восьми раз).
Основу системы GPS составляют 24 спутника типа Navstar (в том числе три резервных), находящихся на околоземных орбитах высотой 20000 км, наземные станции и пункты управления и передачи данных и приемники сигналов GPS у пользователей системы.
Спутники передают сигналы на двух частотах: L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,6 МГц). Эти сигналы модулированы по фазе данными, которые они переносят, и псевдослучайным числовым кодом расширения полосы. На несущей L1 передаются сигналы с кодом С/А (Coarse Acquisition Code) с тактовой частотой 1,023 МГц и на обеих частотах L1 и L2 - сигналы с Р-кодом (Precise Code) и тактовой частотой 10,23 МГц. Сообщения с этими кодами передаются со скоростью 50 бит/с. Передаваемые сигналы содержат данные о положении спутника на орбите, показания бортовых атомных часов и другую информацию. Каждый спутник имеет свой индивидуальный код, по которому он идентифицируется приемниками. Приемники пользователей системы GPS измеряют время прихода сигналов от нескольких спутников, представляющее "псевдо-дальность" до каждого из них. По этим данным вычисляются широта, долгота и высота объекта, на котором находится приемник. Система GPS предоставляет пользователям услуги служб двух уровней: стандартной службы позиционирования SPS (Standard Positioning Service) и службы точного позиционирования PPS (Precise Positioning Service). Любой пользователь может получить доступ к службе SPS по коду С/А. Это дает ему возможность принять сигналы четырех спутников и получить соответствующую навигационную информацию.
Служба SPS обеспечивает точность определения местоположения около 100 м в 90% случаев. Доступ к службе PPS осуществляется при переходе пользователя от кода С/А к коду Р.
Сигналы с С/А-кодом имеют значительно большую амплитуду, чем сигналы с Р-кодом, что упрощает их прием. Поэтому приемники PPS сначала настраивают на частоту сигналов с С/А-кодом, а затем на частоту с Р-кодом. После этого приемник с Р-кодом может по разности времени прихода сигналов на несущих L1 и L2, частотный интервал между которыми составляет 300 МГц, вычислить время запаздывания, обусловленного влиянием ионосферы. Коррекция погрешности, вносимой ионосферой, позволяет измерять координаты местоположения объекта с приемником PPS с точностью 16 м в 50% случаев и с точностью 25 м в 90% случаев. Теоретические точности других параметров равны 0,1 м/с для скорости и 100 не для времени, хотя практически они значительно лучше.
Для предотвращения ввода злоумышленниками и противником ложных сигналов сигналы с Р-кодом шифруются в режиме защиты AS (Anti-Spoofing)-Mode. Получающийся зашифрованный Р-код принято называть Y-кодом, или Р(У)-кодом. Приемники PPS имеют в каждом канале модуль AS (AS-Module), ключ которого должен регулярно меняться.
При разработке системы GPS МО США требовало, чтобы служба SPS обеспечивала точность определения местоположения не лучше 100 м. Но современные гражданские приемники GPS потенциально могут вычислять координаты местоположения объектов с точностью 20-40 м, поэтому они могут применяться и как приемники военных систем. Военные ведомства усматривают в этом угрозу национальной безопасности. Для ослабления этой угрозы МО США и применяет режим "избирательной доступности" SA (Selective Availability) Modus, в котором сигналы, передаваемые всем гражданским пользователям, обеспечивают меньшую точность определения местоположения, чем сигналы, доступные для военных пользователей. Это достигается намеренным вводом в сигналы для гражданских пользователей флуктуации, искажающих принимаемые данные. В результате точность определения местоположения составляет 100 м, высоты 150 м, скорости - 0,3 м/с и времени - около 500 не.
Недовольные этим гражданские пользователи, составляющие большинство пользователей систем GSP, требуют от правительства США отмены режима SA.
В связи с этим, а также из-за возникшей необходимости повышения точности службы SPS для авиации МО США приступило к разработке ряда мер по усовершенствованию системы GPS и определению общей политики ее использования с учетом ее значения для национальной безопасности США. При этом система GPS рассматривается как система двойного (военного и гражданского) назначения, которая должна выдавать всем пользователям такую же информацию, как в режиме SA, но с некоторыми особенностями. Основными одновременно действующими принципами этой политики являются: защита системы от возможных злонамеренных действий и обеспечение ее нормального функционирования для всех пользователей США и дружественных других стран;
- предотвращение использования этой системы недружественными США силами и странами в возможных будущих войнах.
МО США объединило эти принципы введением нового понятия или термина "навигационная война" (Navigation War, сокращенно NavWar).
Навигационная война признана в США частью государственной политики. Это подтвердил президент Клинтон, который в своем выступлении в марте 1996 г. заявил, что глобальная система определения местоположения GPS должна стать долговременным мировым средством навигации и США будут предпринимать все возможные меры для предотвращения использования этой системы в возможных войнах против США.
Одновременно Клинтон объявил, что режим SA-Modus системы GPS будет отменен в течение ближайших десяти лет и пользователи службы SPS смогут получать более точные навигационные данные. В дальнейшем возможно создание новой наземной службы на основе кода С/А. Это приведет к переоценке будущей роли системы GPS. Она может стать одним из новых секретных видов оружия информационной войны.
Разработка концепции навигационной войны и ее реализация поручены Управлению навигационной войны (NavWar Program Office) МО США. Принятая программа включает три фазы ее реализации: оценивание концепции, разработка прототипов систем, производство и практическое внедрение систем.
На первой фазе должна быть разработана системная архитектура, на основе которой будут создаваться конкретные системы в 1998-2000 гг. с последующим практическим применением их в 2001-2006 гг.
На начальной фазе Управление навигационной войны обратилось к ведущим фирмам США принять участие в реализации программы навигационной войны. Такие крупные фирмы, как Rockwell International, Lockheed Martin Astro Space и Hughes Space and Communications заявили о своей заинтересованности в этой программе.
Военные бюджеты 1996 и 1997 гг. предусматривали финансирование только первой фазы программы навигационной войны. Затраты, необходимые для успешного завершения этой фазы, оцениваются в несколько миллионов долларов.
Навигационная война состоит в проведении наступательных и оборонительных операций. Цель наступательных операций заключается в том, чтобы не допустить использования противником систем GPS (и аналогичной русской системы Glonas - глобальной навигационной системы) в определенных географических регионах без запрета использования их в других частях света. Этого можно добиться, например, применением скользящего времени передачи сигналов спутниками GPS или созданием активных помех приему этих сигналов. Задача оборонительных операций состоит в защите своих систем GPS от активных помех противника и обеспечении своим и дружественным вооруженным силам доступа к службам систем GPS.
Важное значение в решении этой задачи придается повышению помехоустойчивости систем GPS и их приемников, особенно уязвимых к помехам.
Так как спутники GPS находятся на большой высоте над Землей, уровень приходящих от них сигналов у земной поверхности значительно ниже уровня помех, даже если эти помехи создаются маломощными передатчиками. Передатчик помех мощностью всего несколько ватт может вывести из строя приемники SPS в пределах круга диаметром 10 20 км, а при мощности передатчика 100 Вт диаметр этого круга увеличивается до 130 км. Военный приемник GPS, настроенный точно на частоту сигналов с Р (У)-кодом, менее подвижен воздействию помех. Но вследствие того, что большинство приемников GPS сначала настраивается на частоту сигналов с кодом С/А с последующим переключением на код Р (У), влияние помех на сигналы С/А ухудшает и использование сигналов с Р/У-кодом.
В ноябре 1966 г. Управление гражданской авиации США (FAA) сообщило в одном из своих бюллетеней, что в период со 2 декабря 1966 г. до 1 января 1977 г. фирма Douglas Aerospace будет вести экспериментальные передачи на частотах L1 и L2 системы GPS. Хотя выходная мощность передатчика этой фирмы не превышала 1 Вт, а диаграмма направленности его антенны была ориентирована под углом 2° относительно горизонтальной плоскости, FAA предупреждало военных гражданских пользователей системы GPS, что на расстояниях до 220 км от места нахождения передатчика и в условиях квазиоптической видимости сигналы этой системы могут быть недоступными для целей навигации в часы работы передатчика.
Аналогичный эффект может создать злоумышленник, располагающий дешевым и доступным передатчиком помех, что доказано экспериментами на базе ВВС США Hanscom (шт. Массачусетс), где использовался передатчик мощностью 1 Вт. Такой передатчик массой около 1 кг уже демонстрировался на военных выставках с предложениями о свободной покупке.
Применение подобных передатчиков для создания помех системам GPS проблематично только вследствие того, что электромагнитные волны на частотах, применяемых в этих системах, распространяются прямолинейно. Если солдат обнаружит влияние помех на его приемник GPS, ему достаточно перейти в соседний окоп или изменить направление движения при нахождении в транспортном средстве. Приемники GPS типа Modell PLPG+96 фирмы Rockwell даже показывают направление на передатчик помех противника.
Радиолокационные устройства подвержены воздействию имитационных помех, так же как и шумоподобных, поэтому они могут быть причиной насыщения приемников ложными сигналами GPS. Но так как приемники GPS могут идентифицировать спутники, они способны сравнительно легко опознать пораженные помехами спутники и игнорировать их сигналы.
В одном секретном отчете группа специалистов Научно-технического комитета МО США (American Defense Science Board) предложила несколько способов повышения помехоустойчивости системы GPS. Среди них адаптивное управление диаграммой направленности и положением нулей приемной антенны. Эти изменения могут повысить кратковременную помехоустойчивость приемника GPS на 20-30 дБ. Но программа полной реализации этих предложений требует больших финансовых затрат. Фирма Boeing считает, что если было бы возможно привести быстрое переоборудование спутников, то можно было бы осуществить все предлагаемые способы повышения помехоустойчивости приемников GPS и обеспечить одновременно совместимость с уже имеющимися приемниками.
Действующие в настоящее время спутники Block-IIR, заменившие применявшиеся ранее спутники Block-11/IIA, производит фирма Lockheed Martin. Первый спутник Block-IIR был выведен на орбиту летом 1997 г. К спутникам, требующим определенных улучшений в плане их применения в навигационной войне, относятся спутники Block-IIF следующего поколения, находящиеся на начальной стадии разработки фирмой Boeing. Первый запуск спутника этого типа планируется на 2002 г.
Спутники Block-IIF имеют большие резервы для полезной нагрузки, неиспользуемые объемы для монтажа аппаратуры и избыточную вычислительную мощность, т. с. они разрабатываются с определенным потенциалом для дальнейшего совершенствования. Каждый комплект солнечных панелей этих спутников будет дополнен четвертой панелью, так что начиная с седьмого спутника существующая электрическая мощность будет увеличена на 500 Вт.
Фирма Boeing предлагает установить на спутнике дополнительную антенну с управляемой диаграммой направленности и исследует возможность оборудования спутников Block-IIF второй антенной с отдельной передающей частью.
Комбинация антенны с управляемой диаграммой направленности и антенны с повышенной мощностью излучения может повысить уровень сигнала на 20 дБ. Применение антенны с управляемой диаграммой направленности дает возможность сконцентрировать излучение по крайней мере четырех спутников на районе боевых действий без заметного снижения уровня сигналов в других регионах земного шара.
Современные приемники PPS службы точного определения местоположения используют код С/А для приема сигналов с кодом Р(У). Так как оба сигнала с этими кодами передаются на одной и той же несущей частоте L1, то при создании военными системами помех, препятствующих использованию противником сигналов с кодом С/А, определение местоположения по сигналам системы возможно только на несущей L2. При этом не принимаются сигналы с кодом Р(У), вследствие чего исключается возможность определения времени запаздывания сигналов, вызванного условиями ионосферного распространения, что снижает точность выдаваемой службами PPS навигационной информации.
Если прием сигналов с кодом С/А в районе боевых действий невозможен, то необходимо перейти к применению независимого и шифрованного эквивалента кода С/А или использовать приемники GPS, которые могут непосредственно принимать сигналы с кодом Р(У).
Еще до начала разработки в США программы навигационной войны NavWar институт критических технологий фирмы Rand рекомендовал применять непосредственный доступ в систему GPS по коду Р(У). Но в настоящее время в процессе совершенствования систем GPS решено применять новый военный код М/А (Military Acquisition) с несущей частотой L2.
Современные приемники GPS типа SPGR (Specialist Personal GPS Receiver) и GPS-Module Gem II/III фирмы Rockwell могут уже непосредственно принимать сигналы с кодом Р(У), а следующая версия приемника Gem IV будет иметь улучшенную способность приема этих сигналов. Пока вооруженные силы США не перейдут полностью на применение приемников PPS, не принимающих сигналы с кодом С/А, США могут применять помехи на несущей L1 в определенных конфликтных ситуациях.
Повышение помехоустойчивости приемников GPS вынуждает противника повышать мощность передатчиков помех, а это улучшает возможность обнаружения таких передатчиков. При улучшении помехоустойчивости приемников на 18 дБ передатчики помех становятся уязвимыми; если же помехоустойчивость будет повышена на 40 дБ и более, влияние помех на приемники будет незаметным. По данным фирмы Boeing, во втором десятилетии следующего столетия помехоустойчивость приемников GPS может быть повышена на 60 дБ благодаря комбинированному применению более мощных спутниковых передатчиков, адаптивных приемных антенн и усовершенствованных приемников.
Определенные сложности вызовут планируемые изменения системы GPS. Несколько лет назад совместная комиссия министерств обороны и транспорта США рекомендовала применить для гражданских пользователей системы вторую несущую частоту, которой присвоено обозначение L5. Использование этой частоты будет оплачиваться министерством транспорта. Частотный интервал между L1 и L5 должен быть не менее 200 МГц, чтобы можно было корректировать ионосферное запаздывание сигналов и снизить погрешность определения местоположения для гражданских пользователей с 25 м (по данным Selective Availability) до 2 м. Одновременно L5 может использоваться как резервная частота в случае воздействия помех на частоте L1.
В связи с возникшими трудностями в выборе частоты L5 вице-президент США А. Гор объявил 30 марта 1998 г. о внесении изменений в принятые ранее решения. Межведомственный исполнительный комитет по системам GPS IGEB (Interagency GPS Excutive Board) министерств обороны и транспорта США выбрал уже используемую несущую частоту L2 для нового гражданского кода, который должен быть введен в действие в 2005 г.
Одновременно комитет IGEB решил продолжать поиски новой частоты между 1 и 2 МГц для третьего гражданского кода. Окончательное решение о частотах должно было быть принято в августе 1998 г. с тем, чтобы их можно было применить еще в аппаратуре спутников Block-IIF. Третья частота для гражданских систем GPS должна быть приемлемой и для геодезических и научных применений. Она улучшит точность и надежность систем и сократит время ожидания индикации местоположения.
Передача второго сигнала для гражданских пользователей на частоте L2 еще более усложняет ситуацию, так как противник должен будет создавать помехи, препятствующие использованию этого сигнала. Это значит, что навигационная война на частотах L1 и L2 должна усилиться. Если США намерены исключить возможность выхода из строя служб PPS, они должны найти другую частоту для передачи сигналов с кодом Р(У) или применить более совершенные конечные устройства и методы модуляции помех. Например, если возможно применение противником мешающих сигналов, характеристики которых могут быть заранее введены в память приемников GPS, то сигналы кода Р(У) могут быть выделены методом фильтрации.
Так как новые частоты для военных и гражданских систем GPS вряд ли будут выделены, должен быть пересмотрен порядок использования предоставленных им частот. Изменение структуры применяемых сигналов может сделать возможной работу военных и гражданских систем GPS на имеющихся в их распоряжении частотах, без взаимных помех при нормальном обслуживании пользователей.
Уже имеется предложение использовать среднюю полосу частот сигналов с несущими L1 и L2 шириной 8 МГц для гражданских систем, а обе боковые полосы по сторонам этой полосы зарезервировать для военных систем.
Новые частоты Lc для гражданских систем должны обеспечить передачу используемых в настоящее время сигналов с кодом С/А, а частоты Lm для военных систем - работу с новым кодом, получившим название M-code. Предложены три новых вида модуляций: манчестерский код (Manchester Code, или Bi-Phase L), со смещением несущей частоты (Offset Carrier) и Notcheed-Y.
В переходный период возможно продолжение передач сигналов с кодом Р(У) на несущих L1 и L2.
Планы ведения навигационной войны США предусматривают не только изменение сигналов и кодов и повышение помехоустойчивости приемников, но и возможное изменение конфигурации созвездия спутников системы GPS.
В настоящее время космическая часть системы GPS состоит из 24 спутников, каждые четыре из которых движутся по своим орбитам в шести различных плоскостях. По данным фирмы Boeing, существенные преимущества в навигационной войне могут быть получены, если вместо действующей конфигурации спутников будет применена конфигурация из 30 спутников, каждые десять из которых движутся в трех различных плоскостях. Один из этих спутников, движущийся по орбите с углом 20°, в случае пропадания сигналов от других спутников, движущихся по орбитам с углом места 5°, обеспечит такую же точность определения местоположения, как и при нормальном приеме сигналов от других спутников.
По мере усиления зависимости мирового авиатранспорта от систем GPS все большие опасения вызывает возможность ведения США навигационной войны на несущей частоте L1. До сих еще неясно, какое влияние операции навигационной войны могут оказать на собственные вооруженные силы США. Эти вопросы будут, очевидно, решаться в ходе выполнения указаний президента Клинтона, содержащихся в его выступлении 20 марта 1996 г.: "Министерство обороны должно разработать мероприятия, препятствующие будущему противнику и его союзникам использовать системы GPS и обеспечивающие военное превосходство США при сохранении бесперебойного использования этой системы для гражданских применений".
Armada International.- 1998.- № 4.- P. 22 26. Space News,- 1996.- 18-24 March.- P. 1, 21.
