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GPS系统将“归零” 北斗有望取而代之?

2019-03-31 16:52编辑:admin人气:


  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?

  2018年11月19日,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭(及远征一号上面级),以“一箭双星”方式成功发射第四十二、四十三颗北斗导航卫星,这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星,是我国北斗三号系统第十八、十九颗组网卫星。

  根据美国民用GPS服务接口委员会近日发布的通知,GPS的整周计数值将于2019年4月6日24时由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。

  “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。

  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。

  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。

  答:完全没问题!飞机本身有多种导航途径,除了GPS,卫星导航系统还有BDS、Glonass等,由于GPS相比于机路导航来说虽然精度较高,提供的信息是自身的经纬度、速度、高程,无法提供相对方位等信息,另外其可靠性完整性并不算高。大型飞机都会有惯导系统,可根据飞机的初始经纬度和运动状态来计算当前的方位。当然还有各种各样的路基导航。所以对于民用航空器这种利用混合信号导航的系统来说,GPS出现问题对其不会产生什么影响。

  另外针对GPS的“归零”,只是针对周数归零,近些年的接收机等设备都有考虑这个问题,所以并不会有任何影响。

  答:大家应该有一个发现:在功能手机时代,手机长时间关机后再开机,时间需要手动再设置。而如今的智能手机一般没有这个问题,开机接通网络尤其是GNSS(GPS、Glonass、北斗)等信号时,所有人的时间基本分秒不差。一方面是移动供应商提供了时间;另一方面就是GNSS因为其测量原理,在定位的同时,可以给出纳秒级的精准时间。

  答:许多用户在第一次发生事件的时候并没有寻求解决方案,这表明许多GPS接收机的用户根本不知晓问题的存在或没有意识到后果或影响。这种情况并不是由于用户的疏忽。

  根据经验,许多机构并不知道自己拥有多少台GPS接收机,或者不清楚GPS数据对于那些看似不相关的系统中发挥着怎样的作用。由于各类机构拥有的GPS接收机越来越多,而且对其输出的数据也越来越依赖,周计数翻转之类的问题也就变得越发严重。

  因此,鼓励所有需要依赖GPS的用户,包括导航、定位或授时这样的应用,检查自己的接收机目前是否会受此次翻转事件的影响。

  答:首先,联系接收机制造商了解所涉及的接收机使用的是10位,还是13位的周计数编码空间。如果是10位,应了解漏洞所在,确定固件中是否有经过编码的中枢日期。如果有,则应确定问题可能在何时显现。询问厂商是否提供固件更新,并确保以恰当的方式安装和测试新的固件。

  其次,使用GPS模拟器来执行简单的测试,反复检查您的接收机是否会受影响。这一步操作起来非常简单,只需要在模拟的授时消息里将日期设置至未来19.7年后,并查看接收机报告中的周、月和年数据即可。如果数据有错误,或者新固件并未解决问题,那么可以考虑升级为一台全新的13位接收机。

  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漏洞呢?

  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,成为没有漏洞的万年历。

  2018年12月,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其宣布:北斗三号基本系统完成建设,开始提供全球服务。

  2019年,北斗卫星导航系统计划发射8~10颗导航卫星,继续进行高密度全球组网,并在今年完成所有MEO(中圆轨道)卫星发射,进一步完善全球系统星座布局,并借此全面提升系统服务性能和用户体验。

  业界普遍认为,中国北斗导航系统的市场空间正在逐步打开,国内市场培育起来的产业链中游设备终端企业已具备国际市场竞争能力。

  根据欧洲全球卫星导航系统管理局(GSA)发布的《全球卫星导航系统(GNSS)市场报告》(第五版)中的相关数据显示,2017 年中国GNSS 产业市场份额占世界11%,不仅低于美国,而且落后于欧洲和日本。根据目前的发展趋势,权威机构预测,到2020 年,中国北斗卫星导航定位系统将全面建成,届时中国的导航定位终端的总持有量将超过10 亿台,用户规模将达到全球首位,每年将创造超过4000 亿元人民币的价值。

  诞生于上世纪50年代的GPS系统在21世纪的今天很显然已经不具备竞争优势,GPS授时清零的问题虽然能够在一定程度上弥补和防范,但问题的出现表明,如果GPS 自身不能进行有效的更新,被新导航系统取代已经是大势所趋。

  北斗导航系统得到更广泛的应用将推动整个产业链的发展。包括上游的卫星制造、卫星发射以及旨在提高定位精度的地基增强和星基增强系统;中游的基础部件及终端设备。其中基础部件作为“北斗自主可控”最关键的部分,主要由基带芯片、射频芯片、板卡、天线等构成;下游包括终端、解决方案和运维服务提供众多行业应用。

  北斗导航系统目前正在沿着“总体部署—军警推广—行业应用—大众落地”的道路向前推进,并将“标配化”作为发展的核心,逐步延伸至行业市场和民用市场,让更多的消费者享受更精准、更安全、更便捷的定位导航服务。

(来源:未知)

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