GPS全球定位系統(tǒng)歸零 北斗系統(tǒng)卻有招避免此bug

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(huì)上，有專家預(yù)測，舊GPS系統(tǒng)將在4月6日發(fā)生類似計(jì)算機(jī)千年蟲的錯(cuò)誤；更有安全專家表示，自己絕不會(huì)在當(dāng)天搭乘飛機(jī)……

GPS為什么會(huì)有“歸零”的現(xiàn)象？這會(huì)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(bào)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(huì)（CGSIC）近日發(fā)布的通知，GPS的整周計(jì)數(shù)值將于2019年4月6日24點(diǎn)由1023變?yōu)?，稱作GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。這意味著GPS周計(jì)數(shù)將迎來新的周期。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況？“這個(gè)得從GPS系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)來解釋這個(gè)現(xiàn)象?！遍L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(gè)全球性的導(dǎo)航定位授時(shí)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初就建立了自己的一套時(shí)間系統(tǒng)，稱作GPS時(shí)，而這個(gè)起點(diǎn)對應(yīng)UTC時(shí)間（世界協(xié)調(diào)時(shí)間）的1980年1月6日0時(shí)。為了達(dá)到授時(shí)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(shí)刻所對應(yīng)的GPS時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過周計(jì)數(shù)（WN）和周內(nèi)秒（TOW）來共同表示當(dāng)前時(shí)刻距離GPS初始時(shí)刻的時(shí)間差，從而結(jié)合閏秒得到當(dāng)前UTC時(shí)刻，完成授時(shí)。

中科院空天信息研究院工程師何智力說，因?yàn)槎喾矫嬖?，GPS在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)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(shí)，就會(huì)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(shí)的起始時(shí)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(huì)出現(xiàn)下一次GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。

“打個(gè)比方，小朋友因?yàn)檫€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(jìn)制的計(jì)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(huì)回到0。這就類似于GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)?！焙沃橇φf。

可能會(huì)帶來什么影響？

“GPS接收機(jī)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(jī)的輸出時(shí)間返回到大約19年前。這對于依賴GPS授時(shí)的任何系統(tǒng)和應(yīng)用都可能會(huì)造成影響。”何智力認(rèn)為，在民航領(lǐng)域，授時(shí)基本都是依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來完成，所有自動(dòng)化的設(shè)備都是以該時(shí)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(dá)信號數(shù)據(jù)混亂，會(huì)引起數(shù)據(jù)中斷、目標(biāo)航跡與計(jì)劃不相關(guān)等問題。

同時(shí)氣象設(shè)備之間的信息交換也會(huì)因時(shí)間跳變而無法自動(dòng)完成氣象信息對齊，造成氣象預(yù)報(bào)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(jī)來授時(shí)也會(huì)對一些自動(dòng)化運(yùn)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(shí)信號，則會(huì)造成BITS系統(tǒng)的時(shí)間跳變，可能就會(huì)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(jì)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(gè)行業(yè)應(yīng)該提前聯(lián)系GPS接收機(jī)供應(yīng)方，咨詢是否存在因GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)帶來授時(shí)錯(cuò)誤問題，如果存在，應(yīng)要求GPS接收機(jī)供應(yīng)方更新固件。另一方面，使用GPS來進(jìn)行授時(shí)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(jī)是否會(huì)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(jī)供應(yīng)方，詢問是否存在這個(gè)隱患，何時(shí)會(huì)出現(xiàn)，及時(shí)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(shí)刻，設(shè)置到2019年4月6日之后的任意時(shí)刻，反復(fù)測試GPS接收機(jī)是否會(huì)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(jì)人員結(jié)合GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)周期短和一般GNSS接收機(jī)使用壽命情況，在設(shè)計(jì)時(shí)，其周計(jì)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(shí)，對應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)周數(shù)翻轉(zhuǎn)問題，是必然會(huì)出現(xiàn)的，只是翻轉(zhuǎn)周期的長短問題，但是在用戶接收機(jī)中可以設(shè)計(jì)合理的算法而規(guī)避這個(gè)問題，成為沒有bug的萬年歷。

北斗系統(tǒng)將正式邁入全球時(shí)代 外媒對此有什么看法？

外媒稱，在27日下午舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其宣布：北斗三號基本系統(tǒng)完成建設(shè)，于27日開始提供全球服務(wù)。這標(biāo)志著北斗系統(tǒng)服務(wù)范圍由區(qū)域擴(kuò)展為全球，北斗系統(tǒng)正式邁入全球時(shí)代。

據(jù)新加坡《聯(lián)合早報(bào)》12月27日報(bào)道，北斗系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍，全天候、全天時(shí)，為各類用戶提供高精度、高可靠的定位服務(wù)等。

報(bào)道稱，自上世紀(jì)90年代開始，北斗系統(tǒng)啟動(dòng)研制，按“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，先有源后無源，先區(qū)域后全球，先后建成北斗一號、北斗二號、北斗三號系統(tǒng)，走出了一條中國特色的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)道路。

報(bào)道還稱，2012年的今天，北斗系統(tǒng)面向亞太區(qū)域提供服務(wù)；六年后的今天，北斗系統(tǒng)面向全球開啟服務(wù)。北斗系統(tǒng)建設(shè)，突破四大類百余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，確保亞太區(qū)域服務(wù)穩(wěn)中有升，建設(shè)全球核心星座，實(shí)現(xiàn)中國航天能力整體躍升。

另據(jù)彭博新聞社12月27日報(bào)道，當(dāng)天，中國的導(dǎo)航定位服務(wù)擴(kuò)展到亞太地區(qū)以外，目標(biāo)是在未來成為主導(dǎo)技術(shù)。

報(bào)道指出，這項(xiàng)名為“北斗”的服務(wù)類似GPS，利用一系列衛(wèi)星為用戶提供誤差約10米的精確定位。全球銷售的大多數(shù)智能手機(jī)芯片都將與北斗系統(tǒng)兼容。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其在北京舉行的發(fā)布會(huì)上說：“從今天開始，無論走到哪里，北斗都會(huì)隨時(shí)與你在一起?！?/p>

萬億級市場在招手

2018年，北斗三號的發(fā)射密度比起美、俄的發(fā)射密度紀(jì)錄要高出一倍，而北斗三號衛(wèi)星的批量生產(chǎn)和發(fā)射，無一失敗?！翱茖W(xué)的管理，提高了工作效率。”北斗三號衛(wèi)星總指揮遲軍說。

去年年底，一位在西昌工作多年的通信保障工程師告訴科技日報(bào)記者，2018年發(fā)射任務(wù)如此密集，但發(fā)射場的衛(wèi)星試驗(yàn)人員較以往減少了近一半，發(fā)射場全流程時(shí)間縮短了近1/3，研制人員和研制周期都大為縮減。

除了效率的大幅攀升，北斗還有個(gè)本事，就是可與GPS射頻實(shí)現(xiàn)兼容。

通常，接收機(jī)需要同時(shí)看到4顆導(dǎo)航衛(wèi)星才能定位，看到的衛(wèi)星越多越有利。北斗與GPS實(shí)現(xiàn)互操作，一臺(tái)接收機(jī)能同時(shí)接收兩個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，使得定位更快更準(zhǔn)。

我國的北斗系統(tǒng)從1990年代開始研發(fā)，2011年開始面向民間開放，是GPS之后市場前景最好的一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)。由于北斗系統(tǒng)具有“短報(bào)文”能力，且抗遮擋能力強(qiáng)，在高樓林立的城市優(yōu)勢更明顯，其應(yīng)用已到快速發(fā)展期。目前，北斗已經(jīng)在鐵路、測繪、授時(shí)、航運(yùn)、航空等多個(gè)行業(yè)中應(yīng)用。未來，北斗在民用領(lǐng)域?qū)⑿纬升嫶螽a(chǎn)業(yè)鏈。

據(jù)中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)估計(jì)，2020年北斗三號系統(tǒng)全面建成后，中國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過5000億元。另有估計(jì)說，北斗在中國的市場占比，將由2016年的不到30%擴(kuò)大到60%，反超GPS。

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