卫星导航系统脆弱性评估与对策
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响美 国广域 增强系统 （ ＷＡ Ａ Ｓ）的服务 曾中断 ３ ０小时。
（ ７ ）接收机缺陷 除军用 、 航空接收机按规定需进行相关 的专 业测试 、
验 收外 ，大部 分 民用接 收机仅需要 通过 生产 厂商 的测试 即可投入使 用 ，因而很难 避免存 在软 件或其 他缺 陷。这 种缺 陷会 以某种 方式影 响接收 机 的性 能 ，而且 这种 缺陷
化 的影 响
对流 层位 于地球 大气 的底部 ，是大气 层密度最 大 的
在卫 星导航信 号被相 对较远 的物体 （ 如建筑 物 ）反
区域 ，包 含 了整个地球 气象 系统 。地 球气象 系统 的变化
可导致 导航信 号 的延 迟 ，但这 种延 迟可利 用对流层 模型
射 时 ，如果 接收机 错误地 锁定 了反射信 号 ，而不是 来 自 卫星 的直接信号 ，将会造成定位 精度 降低 。 在卫 星导航信 号被相 距更 近的物体 发射 时 ，直射信
较大 的定位 误差 ，有时甚 至可达数 百米 ，从 而引发 定位
风险 。
２ ． 传播途径相关 的脆 弱性
导航 卫星播 发 的导 航信号 需要 穿过 大气层 、电离层 才 能到达 位于 地面 、空 中 的用 户接 收设备 （ 空间用 户除 外 ）。 因此 ，卫 星导航 服务必 然受 到大气 层 、电离 层变
技术进 展
数据 上行站 （ 图 １中的 Ｇ Ｐ Ｓ地面天线 和美 国空军卫 星控
（ １ ）电离层电子总数变化
电离层 电子 总数变 化对卫 星导航服 务 的影 响分为 两
制跟 踪站 ）则基本 部署 在美 国及其海 外军事 基地 ，就是 为 了保证 Ｇ Ｐ Ｓ系统运行 控制段的安全 。 （ ６） 运 行控 制段 升级
提 升 、小 增量 改进 的策略 ，我们 即可看 出运 行控 制段升 级 与更 新所 面 临的 巨大风 险。 即使 如此 ，Ｇ Ｐ Ｓ系 统也 曾 多次发 生 因运 行控制 段升级 引发 的问题 。２ ０ ０ ７年 ４月 ，
（ ２ ）电离层 闪烁
电离层小 规模 的扰动 可能造成 卫星导航 信号 传播路
（ ３ ） 轨 道环境造成服务中断或丢失卫星信号
当太 阳风 暴发 生时 （ 耀斑 、 １ ３ 冕 物质 喷发等 ），空
间高能粒 子密 度与 电离 层 的变 化可能导 致卫 星导航 服务 中断或 丢失卫 星信 号。一般 ，上述事件 仅引发 暂时性 的 服务 中断 ，但在 极端情 况下 ，如发生超 大规模 的太 阳风 暴或指 向地球 的太 阳风暴 时 ，可能造 成多颗 卫星不 能正 常工作 ，形成大范 围的服务 中断 。
段 系统 升级或更新 的任 何 问题 都有可 能导致 卫星 导航服
务 的故 障 ，甚至服务 的中断 。
子总数增加或降低 ，引起 电离层延迟误差 的变化 。
太 阳耀斑 爆发 和 日冕物 质喷发将 导致 电离层 电子数 量快 速变化 ，且这种 变化产 生的 电离 层延迟 误差 不能利 用 天基增强 系统或 差分 系统进行修 正 ，有 可能引 发严重
进 行修 正 。因此 ，虽然 对流层 引入 了误 差项 ，但 对卫 星
导航服务并不构成威胁 。 电离 层位 于地球 大气 的顶部 ，是卫 星导航服 务 的最
号和反射信号将融 合在一起 ， 产生更加难 以辨别 的误差 。
多路径 效应是 普遍存 在 的 ，也 是接 收机研发 人员和 制 造商非 常 了解 的现象 ，且在接 收机 中采取各 种措施 以
运行控 制段 系统升 级或更新 是卫 星导航 系统发展 的 需 要 ，也是 卫星 导航 系统脆 弱性 的重 要 因素 。运行控 制
种 情况 ，其一是 电子 总数 的缓 慢变化 ；其二是 电子总 数
的快速 变化 。电离层 电子总数 的缓慢 变化受 太 阳活 动的 影响 ，如地球 每天 １ 周的 自转 、太 阳相对地球约 ２ ７天的 自转 ，以及约 １ １ 年的太 阳活动 周期都将导致 电离 层的电
只 能在某种 特定 的情况 下才能 被发 现 ，如使 用被标记 为
不 健康 的卫星播 发 的导航信 号 、跟踪 非标 准码信号 等 ， 从 而对 定位 导航性能构成严重影响 。
（ ４）多路径效应 引发的脆弱性 多路径效 应是 指接收 机接收 到经反射 的信号 ，而不 是卫 星直接播 发 的信号 。造成 卫星 导航信号 反射 的包括 建筑 物 、山体 等。如果 接收机 锁定 了反射信 号 ，将 产生
的安 全 问题 。
卫 星导航 系统运行 控制段 的升 级与更新 是涉及 大系
统 ，以及众 多关键 技术 与应 用的复 杂的 系统工程 问题 ； 而 且 必 须 保证 系 统 与 服务 的正 常运 行 。从 美 国 空军 在
Ｇ Ｐ Ｓ系统运 行控制 段现 代化 改造采 取的循 序渐进 、稳步
消除其影 响。如采 用多路 径反射 天线 、接 收机滤 波和处
２ ０１ ５年 第 ４期 ｌ 卫星应 用 ５１
大误差 源 。电离层 的变化 ，特别是 低纬 度 、高 纬度和太
阳黑子活动高峰时期对卫星导航 系统 具有较大影响 。
径 的变化 ，引发卫 星导航 信号 的多路径 效应 。此时 ，卫
星 导 航 接 收 机 将 接 收 相 位 和 振 幅快 速 变 化 的 卫 星 导 航 信
美 国空军将第 ３ ２颗工作星引人 Ｇ Ｐ Ｓ星座 ，然而 由于部分 接 收机的设计 只能处理 ３ ｌ 颗Ｇ Ｐ Ｓ卫星信号 ，从而产生 了
无法定 位 的问题 。２ ０ １ ０年 １ 月 ，Ｇ Ｐ Ｓ系统 运行控 制段 软 件升级导致军用 与授 时接 收机不能正常工作。
号 ，如果接 收机不 具有 足够 的鲁棒 性 ，则 可能失 去对信
号 的锁定 。在赤 道与两 极 ，电离 层闪烁 事件经 常发 生 ，
有 时影 响范围较大。２ ０ ０ ３年 １ Ｏ 一１ １ 月 ，因太 阳风暴 的影
（ ７ ）接收机缺陷 除军用 、 航空接收机按规定需进行相关 的专 业测试 、
验 收外 ，大部 分 民用接 收机仅需要 通过 生产 厂商 的测试 即可投入使 用 ，因而很难 避免存 在软 件或其 他缺 陷。这 种缺 陷会 以某种 方式影 响接收 机 的性 能 ，而且 这种 缺陷
化 的影 响
对流 层位 于地球 大气 的底部 ，是大气 层密度最 大 的
在卫 星导航信 号被相 对较远 的物体 （ 如建筑 物 ）反
区域 ，包 含 了整个地球 气象 系统 。地 球气象 系统 的变化
可导致 导航信 号 的延 迟 ，但这 种延 迟可利 用对流层 模型
射 时 ，如果 接收机 错误地 锁定 了反射信 号 ，而不是 来 自 卫星 的直接信号 ，将会造成定位 精度 降低 。 在卫 星导航信 号被相 距更 近的物体 发射 时 ，直射信
较大 的定位 误差 ，有时甚 至可达数 百米 ，从 而引发 定位
风险 。
２ ． 传播途径相关 的脆 弱性
导航 卫星播 发 的导 航信号 需要 穿过 大气层 、电离层 才 能到达 位于 地面 、空 中 的用 户接 收设备 （ 空间用 户除 外 ）。 因此 ，卫 星导航 服务必 然受 到大气 层 、电离 层变
技术进 展
数据 上行站 （ 图 １中的 Ｇ Ｐ Ｓ地面天线 和美 国空军卫 星控
（ １ ）电离层电子总数变化
电离层 电子 总数变 化对卫 星导航服 务 的影 响分为 两
制跟 踪站 ）则基本 部署 在美 国及其海 外军事 基地 ，就是 为 了保证 Ｇ Ｐ Ｓ系统运行 控制段的安全 。 （ ６） 运 行控 制段 升级
提 升 、小 增量 改进 的策略 ，我们 即可看 出运 行控 制段升 级 与更 新所 面 临的 巨大风 险。 即使 如此 ，Ｇ Ｐ Ｓ系 统也 曾 多次发 生 因运 行控制 段升级 引发 的问题 。２ ０ ０ ７年 ４月 ，
（ ２ ）电离层 闪烁
电离层小 规模 的扰动 可能造成 卫星导航 信号 传播路
（ ３ ） 轨 道环境造成服务中断或丢失卫星信号
当太 阳风 暴发 生时 （ 耀斑 、 １ ３ 冕 物质 喷发等 ），空
间高能粒 子密 度与 电离 层 的变 化可能导 致卫 星导航 服务 中断或 丢失卫 星信 号。一般 ，上述事件 仅引发 暂时性 的 服务 中断 ，但在 极端情 况下 ，如发生超 大规模 的太 阳风 暴或指 向地球 的太 阳风暴 时 ，可能造 成多颗 卫星不 能正 常工作 ，形成大范 围的服务 中断 。
段 系统 升级或更新 的任 何 问题 都有可 能导致 卫星 导航服
务 的故 障 ，甚至服务 的中断 。
子总数增加或降低 ，引起 电离层延迟误差 的变化 。
太 阳耀斑 爆发 和 日冕物 质喷发将 导致 电离层 电子数 量快 速变化 ，且这种 变化产 生的 电离 层延迟 误差 不能利 用 天基增强 系统或 差分 系统进行修 正 ，有 可能引 发严重
进 行修 正 。因此 ，虽然 对流层 引入 了误 差项 ，但 对卫 星
导航服务并不构成威胁 。 电离 层位 于地球 大气 的顶部 ，是卫 星导航服 务 的最
号和反射信号将融 合在一起 ， 产生更加难 以辨别 的误差 。
多路径 效应是 普遍存 在 的 ，也 是接 收机研发 人员和 制 造商非 常 了解 的现象 ，且在接 收机 中采取各 种措施 以
运行控 制段 系统升 级或更新 是卫 星导航 系统发展 的 需 要 ，也是 卫星 导航 系统脆 弱性 的重 要 因素 。运行控 制
种 情况 ，其一是 电子 总数 的缓 慢变化 ；其二是 电子总 数
的快速 变化 。电离层 电子总数 的缓慢 变化受 太 阳活 动的 影响 ，如地球 每天 １ 周的 自转 、太 阳相对地球约 ２ ７天的 自转 ，以及约 １ １ 年的太 阳活动 周期都将导致 电离 层的电
只 能在某种 特定 的情况 下才能 被发 现 ，如使 用被标记 为
不 健康 的卫星播 发 的导航信 号 、跟踪 非标 准码信号 等 ， 从 而对 定位 导航性能构成严重影响 。
（ ４）多路径效应 引发的脆弱性 多路径效 应是 指接收 机接收 到经反射 的信号 ，而不 是卫 星直接播 发 的信号 。造成 卫星 导航信号 反射 的包括 建筑 物 、山体 等。如果 接收机 锁定 了反射信 号 ，将 产生
的安 全 问题 。
卫 星导航 系统运行 控制段 的升 级与更新 是涉及 大系
统 ，以及众 多关键 技术 与应 用的复 杂的 系统工程 问题 ； 而 且 必 须 保证 系 统 与 服务 的正 常运 行 。从 美 国 空军 在
Ｇ Ｐ Ｓ系统运 行控制 段现 代化 改造采 取的循 序渐进 、稳步
消除其影 响。如采 用多路 径反射 天线 、接 收机滤 波和处
２ ０１ ５年 第 ４期 ｌ 卫星应 用 ５１
大误差 源 。电离层 的变化 ，特别是 低纬 度 、高 纬度和太
阳黑子活动高峰时期对卫星导航 系统 具有较大影响 。
径 的变化 ，引发卫 星导航 信号 的多路径 效应 。此时 ，卫
星 导 航 接 收 机 将 接 收 相 位 和 振 幅快 速 变 化 的 卫 星 导 航 信
美 国空军将第 ３ ２颗工作星引人 Ｇ Ｐ Ｓ星座 ，然而 由于部分 接 收机的设计 只能处理 ３ ｌ 颗Ｇ Ｐ Ｓ卫星信号 ，从而产生 了
无法定 位 的问题 。２ ０ １ ０年 １ 月 ，Ｇ Ｐ Ｓ系统 运行控 制段 软 件升级导致军用 与授 时接 收机不能正常工作。
号 ，如果接 收机不 具有 足够 的鲁棒 性 ，则 可能失 去对信
号 的锁定 。在赤 道与两 极 ，电离 层闪烁 事件经 常发 生 ，
有 时影 响范围较大。２ ０ ０ ３年 １ Ｏ 一１ １ 月 ，因太 阳风暴 的影
