如果全球定位系统失灵了怎么办?

  2021-02-27

如果全球定位系统(GPS)失灵30天,可能会出现:无法卸货的货船在港口外造成交通堵塞,货物的交付速度大大减慢;急救人员需要更长的时间才能到达火灾、事故和犯罪现场;手机用户会频繁遇到通话中断和服务质量下降等问题,电信网络也可能随后崩溃;农民需要更多的时间种植庄稼等。


中国工程院院刊《Engineering》刊发《如果全球定位系统失灵了怎么办?》,论述了全球定位系统(GPS)若发生失灵可能发生的一系列问题,侧面体现了全球定位系统对电信行业、海运业、港口运营、智能终端(如手机)等方面的重要作用。


根据美国国家标准技术研究所(NIST)委托撰写的一份最新报告,如果全球定位系统(GPS)失灵30天,美国就可能会出现这些问题:无法卸货的货船在美国各港口外造成交通堵塞,大大减慢货物的交付速度;急救人员需要更长的时间才能到达火灾、事故和犯罪现场;手机用户会频繁遇到通话中断和服务质量下降等问题,电信网络也可能随后崩溃;农民需要更多的时间种植庄稼。该报告估计,如果GPS失灵30天,美国的经济损失将达300亿~450亿美元


由大约30颗GPS卫星提供的精确位置和导航信息——GPS至少需要24颗卫星才能运作——不仅对迷路的司机来说是必不可少的,对农民、矿业公司、测量员和快递公司等用户来说也是不可或缺的。这些卫星很重要,因为它们能传送精确到40 ns以内的时间,允许时钟和计算机网络同步,这对金融交易、电信、天气监测和许多其他应用至关重要。“人们认为GPS就应当是这样的——就像电一样。”美国加利福尼亚州斯坦福大学航空航天名誉教授Bradford Parkinson说。他带领团队开发了GPS,目前正在参与指导斯坦福大学定位、导航和授时中心的工作。“它的价值是巨大的,而且还在不断增长。”


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如图所示,这颗GPS IIR-M卫星是2005—2009年发射的系列卫星之一。它与美国GPS卫星网络中的约30颗其他GPS卫星一道,每天绕地球两圈,向地面传送时间和轨道数据,以使接收器能够精确地确定它们的位置。


但是,即便开发人员研发出越来越多的GPS应用程序,“许多人还是对GPS过于自信。”意大利都灵理工大学电子和电信系助理教授Fabio Dovis说。Fabio Dovis主要研究GPS及与其相类似的系统。“他们没有意识到卫星导航系统的漏洞。”


卫星导航系统的漏洞包括可能摧毁GPS卫星或干扰其传输的恐怖袭击或军事攻击。GPS信号也可能被伪造,从而无法提供准确的导航。太阳耀斑是一种由太阳喷发出的电磁辐射,它偶尔会干扰信号,导致设备短暂地失去与卫星的连接或无法提供准确的导航信息。1859年爆发的太阳耀斑甚至让一些电报局都着火了,像这样威力极强的大规模太阳耀斑可能会产生更严重的影响。“GPS很容易失灵。”美国海岸警卫队前海洋运输系统主任Dana Goward说,Dana Goward是美国弗吉尼亚州亚历山大弹性导航和授时基金会的负责人。“太阳只要朝着错误的方向打个嗝,就会把卫星烤熟。”他说。“如果只是依赖GPS而没有其他备选计划的话,我们将会面临很大的风险。”


GPS从未长时间停止过信号传输。然而,2016年1月发生的事件表明,即使是暂时的中断也会引发许多问题。当时,运营GPS的美国空军让一颗旧卫星退役,卫星停机引发软件错误,导致其他卫星发出了误差达13.7 μs的定时信号。这个小故障在世界各地引发了诸多问题,例如,英国的一些无线电广播被中断,美国部分地区急救人员的导航设备无法使用。由于监测GPS的技术人员很快发现并纠正了这个错误,所以这些问题只持续了几个小时。


根据NIST于2019年6月发布的报告,位于美国北卡罗来纳州的非营利性研究机构美国三角研究所(RTI International)的研究人员咨询了近200名专家,以确定GPS在美国经济十大领域中的价值。该报告估计,GPS在1984—2017年助力美国经济增长逾1.4万亿美元。该报告还详细说明了GPS停机30天的潜在影响。作者没有具体说明停机原因,但他们认为,GPS停机将会使卫星导航系统失效,而本来使用GPS的设备可以在此时连接其他系统,如俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗系统。尽管美国国会在2018年通过了一项法律,要求开发一种基于地面的GPS备份系统,但该系统目前尚未建成,因此,如果GPS失灵了,用户就不能指望它了。


根据这份报告,如果GPS失灵,一些经济领域部门几乎不会受到影响。例如,电力公司将继续生产和输送电力。但由于电力公司目前主要依靠GPS进行电网监测和服务中断分析等活动,因此,这一领域的总体损失约为2.75亿美元。


与之相比,报告的调查结果表明,其他经济领域将受到严重损害。例如,海运业将蒙受巨大损失。尽管船舶仍能航行,但GPS信号的中断将使该行业损失超过100亿美元,主要原因是港口延误。各大港口依靠GPS协调到港船只的卸货并管理集装箱。如果没有GPS数据,港口运营将会大幅放缓,船只可能要等上几天才能卸货。


电信行业也将受到重大打击。GPS的精确定时对电信网络的许多功能都至关重要。例如,如果你想在列车上打电话,在列车行进时,GPS允许网络进行切换,将电话从一个基站转到另一个基站。如果GPS失灵,用户可能会在24~48 h内注意到网络服务开始恶化,包括通话中断增多和数据传输速度变慢。为了保持联系,呼叫者必须在同一地点保持不动。报告指出,两周后,电信网络可能也会开始失效。


手机和其他设备提供的实时导航和分路段显示导航也会因为GPS失灵而无法工作。导航失败将减缓货物的交付,增加燃料消耗和污染物的产生,以及拖慢急救人员。信号中断也会对农业造成损失,因为GPS已经成为各种农业机械设备(包括自动驾驶拖拉机、播种机和农作物喷洒机)在操作时不可或缺的组成部分。卫星导航让农民能够更精确地种植、浇水、施肥和收获。


该报告估计,GPS失灵的总代价是每天10亿美元,如果GPS失灵发生在4月和5月的种植季节,则总代价为15亿美元。鉴于美国国内生产总值每天约为580亿美元,如果GPS失灵,美国经济将缩减1.7%~2.6%。该报告的共同作者之一、RTI International的经济学家Kyle Clark-Sutton说,对一个行业的影响将会波及其他行业,因此“每天10亿美元是底线,而不是上限。”他说,在不久的将来,这一成本会更高,因为电信网络正在向5G转变,公用事业正在采用智能电网技术,这两种技术都将更加依赖GPS技术。“我们正处于更加依赖GPS的风口浪尖。”他说。



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