全球定位系統(tǒng)將“歸零” 中國北斗明智繞過了GPS的這個坑

GPS系統(tǒng)4月6日將迎來新周期——

全球定位系統(tǒng)“歸零”，能招來新的“千年蟲”嗎？

4月6日過后，民眾日常生活中經(jīng)常使用的全球定位系統(tǒng)GPS將迎來新周期。近日在舊金山召開的RSA美國信息安全大會上，有專家預(yù)測，舊GPS系統(tǒng)將在4月6日發(fā)生類似計算機千年蟲的錯誤；更有安全專家表示，自己絕不會在當(dāng)天搭乘飛機……

GPS為什么會有“歸零”的現(xiàn)象？這會給我們帶來什么影響？我國的北斗系統(tǒng)是否也存在此問題？科學(xué)家們怎么看，有什么解決方案？為此，科技日報記者采訪了中國科學(xué)院有關(guān)專家。

“GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)”是啥？

根據(jù)美國民用GPS服務(wù)接口委員會(CGSIC)近日發(fā)布的通知，GPS的整周計數(shù)值將于2019年4月6日24點由1023變?yōu)?，稱作GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。這意味著GPS周計數(shù)將迎來新的周期。

為什么會出現(xiàn)這樣的情況？“這個得從GPS系統(tǒng)的接口設(shè)計來解釋這個現(xiàn)象。”長期從事北斗導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)建設(shè)工作的科學(xué)家，中科院空天信息研究院研究員、博士生導(dǎo)師徐穎說，GPS系統(tǒng)作為一個全球性的導(dǎo)航定位授時系統(tǒng)，在設(shè)計之初就建立了自己的一套時間系統(tǒng)，稱作GPS時，而這個起點對應(yīng)UTC時間(世界協(xié)調(diào)時間)的1980年1月6日0時。為了達到授時的目的，則GPS系統(tǒng)通過導(dǎo)航信號不斷向用戶廣播當(dāng)前時刻所對應(yīng)的GPS時，系統(tǒng)設(shè)計人員通過周計數(shù)(WN)和周內(nèi)秒(TOW)來共同表示當(dāng)前時刻距離GPS初始時刻的時間差，從而結(jié)合閏秒得到當(dāng)前UTC時刻，完成授時。

中科院空天信息研究院工程師何智力說，因為多方面原因，GPS在設(shè)計之初，設(shè)計人員只用了10bit來表征WN，導(dǎo)致WN只能在0—1023之間循環(huán)。當(dāng)WN從1023變?yōu)?時，就會發(fā)生GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)迎接新一周的說法。1024周對應(yīng)到年上大概就是19.7年，從GPS系統(tǒng)時的起始時刻算起，上一次出現(xiàn)GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)是1999年8月21日，這次就正好是2019年4月6日，2038年11月20日將會出現(xiàn)下一次GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。

“打個比方，小朋友因為還沒有學(xué)習(xí)超過100的數(shù)，他每次數(shù)到100就又從0開始數(shù)，而按10進制的計數(shù)規(guī)則，100以后是101，200以后是201……以此類推，而小朋友每次遇到100都會回到0。這就類似于GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)?！焙沃橇φf。

可能會帶來什么影響？

“GPS接收機在沒有做GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)的預(yù)處理情況下，將導(dǎo)致接收機的輸出時間返回到大約19年前。這對于依賴GPS授時的任何系統(tǒng)和應(yīng)用都可能會造成影響。”何智力認(rèn)為，在民航領(lǐng)域，授時基本都是依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來完成，所有自動化的設(shè)備都是以該時間來作為基準(zhǔn)的。

因此，周數(shù)翻轉(zhuǎn)可能引發(fā)空管雷達信號數(shù)據(jù)混亂，會引起數(shù)據(jù)中斷、目標(biāo)航跡與計劃不相關(guān)等問題。

同時氣象設(shè)備之間的信息交換也會因時間跳變而無法自動完成氣象信息對齊，造成氣象預(yù)報困難，從而可能影響飛行調(diào)度，帶來不必要的損失。

此外，采用未做GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)處理的接收機來授時也會對一些自動化運作的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域產(chǎn)生影響，比如電力、通信和金融領(lǐng)域所用的BITS系統(tǒng)。如果BITS系統(tǒng)只參考了GPS授時信號，則會造成BITS系統(tǒng)的時間跳變，可能就會造成系統(tǒng)癱瘓，影響大眾使用。在金融領(lǐng)域，還可能造成無法完成結(jié)算，給用戶帶來經(jīng)濟損失。

如何消除隱患？

何智力表示，為了應(yīng)對GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)問題，一方面，各個行業(yè)應(yīng)該提前聯(lián)系GPS接收機供應(yīng)方，咨詢是否存在因GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)帶來授時錯誤問題，如果存在，應(yīng)要求GPS接收機供應(yīng)方更新固件。另一方面，使用GPS來進行授時的用戶，要做好預(yù)案和仿真測試，排除隱患。

如何檢查接收機是否會受到GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)影響？對于普通用戶，可聯(lián)系自己的GPS接收機供應(yīng)方，詢問是否存在這個隱患，何時會出現(xiàn)，及時更新固件。對于專業(yè)用戶，可以使用GPS信號模擬器來設(shè)置信號發(fā)播時刻，設(shè)置到2019年4月6日之后的任意時刻，反復(fù)測試GPS接收機是否會受到周數(shù)翻轉(zhuǎn)影響。

北斗系統(tǒng)也有bug？

作為與美國GPS齊名的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已成為當(dāng)代中國一張耀眼的“國家名片”。那么北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有沒有類似的bug呢？

徐穎說，我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也存在BD周數(shù)翻轉(zhuǎn)問題，但是我國的北斗系統(tǒng)設(shè)計人員結(jié)合GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)周期短和一般GNSS接收機使用壽命情況，在設(shè)計時，其周計數(shù)用13bit表示，翻轉(zhuǎn)周期是8192周，大概是160年，從而有效規(guī)避了該問題。其實，對應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)周數(shù)翻轉(zhuǎn)問題，是必然會出現(xiàn)的，只是翻轉(zhuǎn)周期的長短問題，但是在用戶接收機中可以設(shè)計合理的算法而規(guī)避這個問題，成為沒有bug的萬年歷。