全球定位系统 GPS 即将“归零”,能招来新的“千年虫”吗?

 

4 月 6 日过后,民众日常生活中经常使用的全球定位系统 GPS 将迎来新周期。近日在旧金山召开的 RSA 美国信息安全大会上,有专家预测,旧 GPS 系统将在 4 月 6 日发生类似计算机千年虫的错误;更有安全专家表示,自己绝不会在当天搭乘飞机 ……

GPS 为什么会有 " 归零 " 的现象?这会给我们带来什么影响?我国的北斗系统是否也存在此问题?科学家们怎么看,有什么解决方案?为此,科技日报记者采访了中国科学院有关专家。

"GPS 周数翻转 " 是啥?

根据美国民用 GPS 服务接口委员会 ( CGSIC ) 近日发布的通知,GPS 的整周计数值将于 2019 年 4 月 6 日 24 点由 1023 变为 0,称作 GPS 周数翻转。这意味着 GPS 周计数将迎来新的周期。

为什么会出现这样的情况?" 这个得从 GPS 系统的接口设计来解释这个现象。" 长期从事北斗导航系统相关建设工作的科学家,中科院空天信息研究院研究员、博士生导师徐颖说,GPS 系统作为一个全球性的导航定位授时系统,在设计之初就建立了自己的一套时间系统,称作 GPS 时,而这个起点对应 UTC 时间 ( 世界协调时间 ) 的 1980 年 1 月 6 日 0 时。为了达到授时的目的,则 GPS 系统通过导航信号不断向用户广播当前时刻所对应的 GPS 时,系统设计人员通过周计数 ( WN ) 和周内秒 ( TOW ) 来共同表示当前时刻距离 GPS 初始时刻的时间差,从而结合闰秒得到当前 UTC 时刻,完成授时。

中科院空天信息研究院工程师何智力说,因为多方面原因,GPS 在设计之初,设计人员只用了 10bit 来表征 WN,导致 WN 只能在 0 — 1023 之间循环。当 WN 从 1023 变为 0 时,就会发生 GPS 周数翻转,出现迎接新一周的说法。1024 周对应到年上大概就是 19.7 年,从 GPS 系统时的起始时刻算起,上一次出现 GPS 周数翻转是 1999 年 8 月 21 日,这次就正好是 2019 年 4 月 6 日,2038 年 11 月 20 日将会出现下一次 GPS 周数翻转。

" 打个比方,小朋友因为还没有学习超过 100 的数,他每次数到 100 就又从 0 开始数,而按 10 进制的计数规则,100 以后是 101,200 以后是 201…… 以此类推,而小朋友每次遇到 100 都会回到 0。这就类似于 GPS 周数翻转。" 何智力说。

可能会带来什么影响?

"GPS 接收机在没有做 GPS 周数翻转的预处理情况下,将导致接收机的输出时间返回到大约 19 年前。这对于依赖 GPS 授时的任何系统和应用都可能会造成影响。" 何智力认为,在民航领域,授时基本都是依靠卫星导航系统来完成,所有自动化的设备都是以该时间来作为基准的。

因此,周数翻转可能引发空管雷达信号数据混乱,会引起数据中断、目标航迹与计划不相关等问题。

同时气象设备之间的信息交换也会因时间跳变而无法自动完成气象信息对齐,造成气象预报困难,从而可能影响飞行调度,带来不必要的损失。

此外,采用未做 GPS 周数翻转处理的接收机来授时也会对一些自动化运作的基础设施领域产生影响,比如电力、通信和金融领域所用的 BITS 系统。如果 BITS 系统只参考了 GPS 授时信号,则会造成 BITS 系统的时间跳变,可能就会造成系统瘫痪,影响大众使用。在金融领域,还可能造成无法完成结算,给用户带来经济损失。

如何消除隐患?

何智力表示,为了应对 GPS 周数翻转问题,一方面,各个行业应该提前联系 GPS 接收机供应方,咨询是否存在因 GPS 周数翻转带来授时错误问题,如果存在,应要求 GPS 接收机供应方更新固件。另一方面,使用 GPS 来进行授时的用户,要做好预案和仿真测试,排除隐患。

如何检查接收机是否会受到 GPS 周数翻转影响?对于普通用户,可联系自己的 GPS 接收机供应方,询问是否存在这个隐患,何时会出现,及时更新固件。对于专业用户,可以使用 GPS 信号模拟器来设置信号发播时刻,设置到 2019 年 4 月 6 日之后的任意时刻,反复测试 GPS 接收机是否会受到周数翻转影响。

北斗系统也有 bug?

作为与美国 GPS 齐名的全球四大卫星导航系统之一,我国自主研发的北斗导航系统已成为当代中国一张耀眼的 " 国家名片 "。那么北斗导航系统有没有类似的 bug 呢?

徐颖说,我国的北斗导航系统也存在 BD 周数翻转问题,但是我国的北斗系统设计人员结合 GPS 周数翻转周期短和一般 GNSS 接收机使用寿命情况,在设计时,其周计数用 13bit 表示,翻转周期是 8192 周,大概是 160 年,从而有效规避了该问题。其实,对应卫星导航系统周数翻转问题,是必然会出现的,只是翻转周期的长短问题,但是在用户接收机中可以设计合理的算法而规避这个问题,成为没有 bug 的万年历。

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