GPS即将“清零”,北斗能否替代?

ittbank 2019-03-29

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出问题,其他的导航系统是否能够替代?这是民众自然而然展开的话题,业内人士认为,GPS授时方面的问题,还是由相关措施来解决,如固件升级、提前演练设置应对方案等。但从中长期来看,具有后发优势的国产北斗导航系统对GPS的替代将会成趋势。




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,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?


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。GPS周数翻转大概就是19.7年。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。


北斗的建设正在加速

目前,中国北斗导航系统处在全球组网阶段。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,北斗卫星导航系统将继续高密度全球组网,计划发射8—10颗北斗导航卫星,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,全面提升系统服务性能和用户体验。


业界认为,北斗企业的市场空间正逐渐打开,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。


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),2017 年我国 GNSS 产业市场份额占世界11%,低于美国,欧洲和日本。据中国卫星导航定位协会预测,到 2020 年,中国将建成服务全球的北斗卫星导航定位系统,届时用户规模将达到世界第一,年产值将超过 4000 亿元,导航定位终端社会总持有量超过 10 亿台。


GPS授时清零的问题虽然能够提前防范化解,但问题的出现表明,诞生于上世纪50年代的系统,已不具备技术优势,北斗导航的替代应用将是趋势。


产业链受益


北斗的逐步替代应用将推动产业链发展。包括产业链上游的卫星制造、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;中游主要包括基础部件及北斗终端。而其中基础部件作为“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,如应用于车联网等领域,并最终将成就千亿级的市场。


北斗系统整体沿着“总体部署-军警推广及行业应用—大众落地”的模式发展,并将走向“标配化”应用发展,合众思壮、海格通信等已在特殊领域实现稳定落地,并逐步延伸至行业市场和民用市场的公司将充分受益。


来源:科技日报等网络内容综合


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