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如何“关闭”舰载GPS系统? 第1页

  

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银河号上当时根本就不太可能有GPS设备,有较大的可能性连电脑都没有,所谓GPS被关闭导致银河号无法行驶纯粹是后来人编出来的段子

银河号事件发生在93年7月

当时GPS发展状态:GPS是在93年底才建设完毕,94年开放给民用用户,95年GPS应用才开始兴起,去查询舰船导航技术发展,里面说GPS导航95年之后才开始在航运中应用。舰船导航技术很多,没有GPS也可以靠其他的方法,不至于连个船都开不了

当时电脑发展状态:93年国内电脑还是主要用于科研,PC产业还没有兴起,当时电脑非常贵,装的主要还是文字界面的DOS,也有windows3.1,会用电脑的都没几个人,不用说那些船员了。当时也不像现在应用丰富,早期GPS就是一个小盒子,不停的接收卫星信息和对输出接口刷新当前的位置坐标计算结果,没有图形化界面。在海上没有高德地图,没有wifi,没有互联网,当时银河号和国内联系应该靠的是海事卫星电话吧,所有导航功能还得随着PC机的硬件进步和软件开发逐步实现

所以,银河号GPS被关闭这事显然是编出来的段子


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银河号与GPS关闭这个故事确实被用的非常多,尤其是各类大型媒体,也是北斗重要科普材料之一(我以前也用过 )。不过后来认真研究了一下,这事儿不太可能是真的:


1.时间问题

GPS的研究历史非常久远了,几乎伴随着人类航天史的起步,在斯普特尼克一号发射后就开始。但真正意义上的GPS系统开始于1978年,首颗Block I卫星发射,直到如今的Block III系列,前后经历了十几个版本的卫星。

依赖GPS导航的成熟版本战斧式巡航导弹是“外科手术式打击”的著名武器之一(图自:Wikipedia)


1990-1991年的海湾战争,带来了各种高精度炸弹和各种带来的新军事名词,如斩首行动、外科手术攻击等高精度作战,尤其是类似两发导弹炸水坝等效费比极高的战果,让人震撼无比。这场战争也是GPS大放异彩的时候,广泛用在了美军从单兵到装备上,所以GPS用于高精度导航定位的价值,就火起来了。

而早在1983年大韩航空007号班机空难事件,就让GPS民用化纳上日程。当时这架飞机从阿拉斯加飞汉城,由于导航问题误入俄罗斯领空,苏联战斗机升空,由于沟通不畅,被陆地高射炮发射炮弹和战斗机多次警告无果后,最终被战机当作侦察机击落,全机269人死亡。悲剧的是,这的确是一次失误,因为查询航班与地面沟通记录时,机长还一直认为自己飞在正常航线上。这次事件发生后,“星球大战计划”发起者里根政府就宣布GPS建成后将会开放民用,避免此类事件发射。

银河号事件发生在1993年7月,所以很容易让人认为应该能用上GPS的。

GPS理论上24颗即可完全工作,但实际上一直保持32颗,提供更好服务且互为备份


然而实际上,GPS系统在1993年才发射了第24颗运营卫星,打到系统满状态;1995年,美国空军(GPS拥有者)才确认进入100%运营状态;1996年,克林顿政府才正式开放民用使用。

因而,在1993年,作为一个完全民用、且是中国籍的银河号货船,不太可能获得民用GPS接收机。而且,直到今天船只也不会只依赖GPS或一个系统定位啊,传统的天文导航、惯性导航之类的,一般还会带着。利用各种“传统”航海仪啥的,也是船长的基本功了。

但把银河号和GPS连接在一起,且在各种大型媒体加持下,这个故事传播甚远,也足以体现出GPS对当时的中国人的震撼。


2.如何关闭舰载GPS系统

顺带再做一些科普,如果银河号带了民用接收机,美军该如何关闭它的GPS系统?

方案一:关掉GPS接收机

GPS接收机定位原理是无源定位,不需要跟任何第二方、甚至第三方双向交流,它唯一要做的就是接收GPS卫星的发射数据,然后自我解算定位即可。原理类似收音机接收电台,电台只管发,不在乎到底哪些、有多少收音机在听。这也是为什么,GPS/导航卫星系统的用户数量,是无限的。



用户只需接收到四颗卫星信号,即可精确确定自身位置和时间(图自:doi:10.9790/0661-1733344)


因此,美军不可能直接关闭对方的GPS接收机,除非带后门、能通信控制的那种。。。


方案二:关掉指定地区的GPS服务

这个方案是可行的,毕竟GPS卫星在美军手中,在信号上加干扰和选择可用性,都是曾经民用初期阶段的做法,后来出于挤压俄罗斯GLONASS系统民用空间的目的,给去掉了,当然可以随便加回去。关掉卫星也当然没问题。

这也是媒体演绎最广的版本:银河号的海域被关了,卫星飞到上空后就不发信号,船没法定位。

去除主动干扰后,GPS系统定位精度大大提高(图自:schlaggo.de


此外,GPS卫星的轨道周期是恰好半天时间(地球自转的一天23时56分,不是平太阳时的24小时),所以你如果在每天固定的时间在固定的地方开启定位,看到的GPS卫星也基本是一样的。因而,随便设置下程序,让某些GPS卫星在固定时间降低服务质量甚至完全关闭,就可以实现对区域服务的限制。举个例子,最近几个月GPS一批新卫星在做信号发射功率调试,很正常的行为,我们都可以从信号中看出来不少星载接收机(我们是做低轨卫星精密定轨的)受到了较大影响。

但这个方案没有太大价值,尤其是针对银河号这种“小角色”,因为关闭区域服务后,最大的负面影响是美国本身。首先这会影响区域内其他非敌对用户的服务,太影响GPS民用市场和信誉了,会把用户送给格洛纳斯、北斗、伽利略啥的;其次,大量的美军、美方民用单位,也在使用GPS,即便军用的不会受太大影响,但也会极大影响民用的美方单位;再次,GPS轨道非常高,20000余千米,如果关掉或加干扰,影响的范围实在太大了,很难做到小的局部干扰。


方案三:加干扰

这个方案性价比非常高,因为干扰GPS太简单了,主要有两种方法:

1.压制式干扰

GPS卫星的信号发射功率其实并不高,经典的Block II各类卫星发射装置功率大概才几十瓦,要知道这些卫星可是飞在2万千米高啊,相当于你从北京看阿根廷城市里亮起来的一盏灯泡而已,眼睛得多尖才行?

GPS信号发射到地面时强度仅为-160dbw,或者-130dbm附近,这个信号太弱了,比无线广播电视天线的信号(-60dbm左右,相差千万倍)都要弱很多。因此,GPS接收机往往特别灵敏,就好比你在黑夜中睁大眼睛看弱光,开点强光就亮瞎了。。。

因此,来点较强信号使劲压制即可,窄带瞄准式、宽带扫描阻塞式,总有一种方式压制住你的接收机不能工作。

2.欺骗式干扰

压制式毕竟还需要一个功率大的发射机,且信号压制能力随着距离减弱。那么,既然GPS是我家的,我很清楚它的信号是怎么编出来的,也知道它是怎么被接收到的,到地面时应该是个什么情况,芯片也是我家造的,那我为什么不用假信号?或者是我把接收到的真实卫星信号,加上干扰,再重新转发给要干扰的目标(转发欺骗)。

由于我离被干扰目标非常近(总比20000千米近多了吧),一个极小的干扰器就可以覆盖非常大的范围,且效果极好,可以完全欺骗掉目标定位能力。

脑补下,如果是已经出发的武器,只依赖GPS用来定位,用的都是欺骗的虚假卫星信号,这得飞出什么轨迹来?

美军进行过的一次大型GPS系统干扰测试,看这影响范围有多大(图源:miamiherald)


之前听过一场讲座,是一个70多岁、GPS初创大佬之一讲的,在介绍GPS干扰时,从口袋里拿出一个打火机一样大小的盒子,说把它用气球随便放出去,就足以保证对一个中型城市的GPS接收机干扰压制。


所以,如果对银河号进行定位压制,根本不需要黑掉它接收机、关闭区域GPS服务,只需要随便干扰下即可。例如,一支笔一样的干扰器,或许就能覆盖整个海域。这种GPS干扰能力,显然也是美军大型装备基本功了。

也正因如此,新一代GPS卫星,尤其是Block III系列,经过近20年研发,虽然各种性能看起来跟之前差不太多,但最重要的提高就是抗干扰能力,让GPS系统再上一步。


最终,还一个问题,假如你的船都已经被军舰逼停无法动弹了,对方还有必要让你无法导航么?所以打铁还需自身硬,让别人不敢轻易侵犯你家的船,才是重点


猝不及防推荐下自己的航天科普图书(火星相关的),




  

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