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GPS全球定位系統歸零 北斗系統卻有招避免此bug

4月6日過后,民眾日常生活中經常使用的全球定位系統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,有專家預測,舊GPS系統將在4月6日發生類似計算機千年蟲的錯誤;更有安全專家表示,自己絕不會在當天搭乘飛機……

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

“GPS周數翻轉”是啥?

根據美國民用GPS服務接口委員會(CGSIC)近日發布的通知,GPS的整周計數值將于2019年4月6日24點由1023變為0,稱作GPS周數翻轉。這意味著GPS周計數將迎來新的周期。

為什么會出現這樣的情況?“這個得從GPS系統的接口設計來解釋這個現象。”長期從事北斗導航系統相關建設工作的科學家,中科院空天信息研究院研究員、博士生導師徐穎說,GPS系統作為一個全球性的導航定位授時系統,在設計之初就建立了自己的一套時間系統,稱作GPS時,而這個起點對應UTC時間(世界協調時間)的1980年1月6日0時。為了達到授時的目的,則GPS系統通過導航信號不斷向用戶廣播當前時刻所對應的GPS時,系統設計人員通過周計數(WN)和周內秒(TOW)來共同表示當前時刻距離GPS初始時刻的時間差,從而結合閏秒得到當前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在設計之初,設計人員只用了10bit來表征WN,導致WN只能在0—1023之間循環。當WN從1023變為0時,就會發生GPS周數翻轉,出現迎接新一周的說法。1024周對應到年上大概就是19.7年,從GPS系統時的起始時刻算起,上一次出現GPS周數翻轉是1999年8月21日,這次就正好是2019年4月6日,2038年11月20日將會出現下一次GPS周數翻轉。

“打個比方,小朋友因為還沒有學習超過100的數,他每次數到100就又從0開始數,而按10進制的計數規則,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周數翻轉。”何智力說。

可能會帶來什么影響?

“GPS接收機在沒有做GPS周數翻轉的預處理情況下,將導致接收機的輸出時間返回到大約19年前。這對于依賴GPS授時的任何系統和應用都可能會造成影響。”何智力認為,在民航領域,授時基本都是依靠衛星導航系統來完成,所有自動化的設備都是以該時間來作為基準的。

因此,周數翻轉可能引發空管雷達信號數據混亂,會引起數據中斷、目標航跡與計劃不相關等問題。

同時氣象設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,造成氣象預報困難,從而可能影響飛行調度,帶來不必要的損失。

此外,采用未做GPS周數翻轉處理的接收機來授時也會對一些自動化運作的基礎設施領域產生影響,比如電力、通信和金融領域所用的BITS系統。如果BITS系統只參考了GPS授時信號,則會造成BITS系統的時間跳變,可能就會造成系統癱瘓,影響大眾使用。在金融領域,還可能造成無法完成結算,給用戶帶來經濟損失。

如何消除隱患?

何智力表示,為了應對GPS周數翻轉問題,一方面,各個行業應該提前聯系GPS接收機供應方,咨詢是否存在因GPS周數翻轉帶來授時錯誤問題,如果存在,應要求GPS接收機供應方更新固件。另一方面,使用GPS來進行授時的用戶,要做好預案和仿真測試,排除隱患。

如何檢查接收機是否會受到GPS周數翻轉影響?對于普通用戶,可聯系自己的GPS接收機供應方,詢問是否存在這個隱患,何時會出現,及時更新固件。對于專業用戶,可以使用GPS信號模擬器來設置信號發播時刻,設置到2019年4月6日之后的任意時刻,反復測試GPS接收機是否會受到周數翻轉影響。

北斗系統也有bug?

作為與美國GPS齊名的全球四大衛星導航系統之一,我國自主研發的北斗導航系統已成為當代中國一張耀眼的“國家名片”。那么北斗導航系統有沒有類似的bug呢?

徐穎說,我國的北斗導航系統也存在BD周數翻轉問題,但是我國的北斗系統設計人員結合GPS周數翻轉周期短和一般GNSS接收機使用壽命情況,在設計時,其周計數用13bit表示,翻轉周期是8192周,大概是160年,從而有效規避了該問題。其實,對應衛星導航系統周數翻轉問題,是必然會出現的,只是翻轉周期的長短問題,但是在用戶接收機中可以設計合理的算法而規避這個問題,成為沒有bug的萬年歷。

北斗系統將正式邁入全球時代 外媒對此有什么看法?

外媒稱,在27日下午舉行的新聞發布會上,中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其宣布:北斗三號基本系統完成建設,于27日開始提供全球服務。這標志著北斗系統服務范圍由區域擴展為全球,北斗系統正式邁入全球時代。

據新加坡《聯合早報》12月27日報道,北斗系統是中國自主建設、獨立運行,與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統,可在全球范圍,全天候、全天時,為各類用戶提供高精度、高可靠的定位服務等。

報道稱,自上世紀90年代開始,北斗系統啟動研制,按“三步走”發展戰略,先有源后無源,先區域后全球,先后建成北斗一號、北斗二號、北斗三號系統,走出了一條中國特色的衛星導航系統建設道路。

報道還稱,2012年的今天,北斗系統面向亞太區域提供服務;六年后的今天,北斗系統面向全球開啟服務。北斗系統建設,突破四大類百余項關鍵技術,確保亞太區域服務穩中有升,建設全球核心星座,實現中國航天能力整體躍升。

另據彭博新聞社12月27日報道,當天,中國的導航定位服務擴展到亞太地區以外,目標是在未來成為主導技術。

報道指出,這項名為“北斗”的服務類似GPS,利用一系列衛星為用戶提供誤差約10米的精確定位。全球銷售的大多數智能手機芯片都將與北斗系統兼容。

北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其在北京舉行的發布會上說:“從今天開始,無論走到哪里,北斗都會隨時與你在一起。”

萬億級市場在招手

2018年,北斗三號的發射密度比起美、俄的發射密度紀錄要高出一倍,而北斗三號衛星的批量生產和發射,無一失敗。“科學的管理,提高了工作效率。”北斗三號衛星總指揮遲軍說。

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記者,2018年發射任務如此密集,但發射場的衛星試驗人員較以往減少了近一半,發射場全流程時間縮短了近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,北斗還有個本事,就是可與GPS射頻實現兼容。

通常,接收機需要同時看到4顆導航衛星才能定位,看到的衛星越多越有利。北斗與GPS實現互操作,一臺接收機能同時接收兩個系統的衛星信號,使得定位更快更準。

我國的北斗系統從1990年代開始研發,2011年開始面向民間開放,是GPS之后市場前景最好的一個導航系統。由于北斗系統具有“短報文”能力,且抗遮擋能力強,在高樓林立的城市優勢更明顯,其應用已到快速發展期。目前,北斗已經在鐵路、測繪、授時、航運、航空等多個行業中應用。未來,北斗在民用領域將形成龐大產業鏈。

據中國衛星導航定位協會估計,2020年北斗三號系統全面建成后,中國衛星導航產業規模將超過5000億元。另有估計說,北斗在中國的市場占比,將由2016年的不到30%擴大到60%,反超GPS。

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