如何理解GPS的周數(shù)翻轉(zhuǎn)

什么是GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)

根據(jù)美國(guó)民用GPS服務(wù)接口委員會(huì)（CGSIC）近日發(fā)布的通知，GPS的整周計(jì)數(shù)值將于2019年4月6日24點(diǎn)由1023變?yōu)?，稱作GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。這意味著GPS周計(jì)數(shù)將迎來(lái)新的周期。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況？“這個(gè)得從GPS系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象?！遍L(zhǎng)期從事北斗導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)建設(shè)工作的科學(xué)家，中科院空天信息研究院研究員、博士生導(dǎo)師徐穎說(shuō)，GPS系統(tǒng)作為一個(gè)全球性的導(dǎo)航定位授時(shí)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初就建立了自己的一套時(shí)間系統(tǒng)，稱作GPS時(shí)，而這個(gè)起點(diǎn)對(duì)應(yīng)UTC時(shí)間（世界協(xié)調(diào)時(shí)間）的1980年1月6日0時(shí)。為了達(dá)到授時(shí)的目的，則GPS系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)航信號(hào)不斷向用戶廣播當(dāng)前時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的GPS時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)周計(jì)數(shù)（WN）和周內(nèi)秒（TOW）來(lái)共同表示當(dāng)前時(shí)刻距離GPS初始時(shí)刻的時(shí)間差，從而結(jié)合閏秒得到當(dāng)前UTC時(shí)刻，完成授時(shí)。

中科院空天信息研究院工程師何智力說(shuō)，因?yàn)槎喾矫嬖?，GPS在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員只用了10bit來(lái)表征WN，導(dǎo)致WN只能在0—1023之間循環(huán)。當(dāng)WN從1023變?yōu)?時(shí)，就會(huì)發(fā)生GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)迎接新一周的說(shuō)法。1024周對(duì)應(yīng)到年上大概就是19.7年，從GPS系統(tǒng)時(shí)的起始時(shí)刻算起，上一次出現(xiàn)GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)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(huì)出現(xiàn)下一次GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。

“打個(gè)比方，小朋友因?yàn)檫€沒(méi)有學(xué)習(xí)超過(guò)100的數(shù)，他每次數(shù)到100就又從0開始數(shù)，而按10進(jìn)制的計(jì)數(shù)規(guī)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(huì)回到0。這就類似于GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。”何智力說(shuō)。

GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)可能會(huì)帶來(lái)什么影響？

“GPS接收機(jī)在沒(méi)有做GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)的預(yù)處理情況下，將導(dǎo)致接收機(jī)的輸出時(shí)間返回到大約19年前。這對(duì)于依賴GPS授時(shí)的任何系統(tǒng)和應(yīng)用都可能會(huì)造成影響?！焙沃橇φJ(rèn)為，在民航領(lǐng)域，授時(shí)基本都是依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)完成，所有自動(dòng)化的設(shè)備都是以該時(shí)間來(lái)作為基準(zhǔn)的。

因此，周數(shù)翻轉(zhuǎn)可能引發(fā)空管雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)混亂，會(huì)引起數(shù)據(jù)中斷、目標(biāo)航跡與計(jì)劃不相關(guān)等問(wèn)題。

同時(shí)氣象設(shè)備之間的信息交換也會(huì)因時(shí)間跳變而無(wú)法自動(dòng)完成氣象信息對(duì)齊，造成氣象預(yù)報(bào)困難，從而可能影響飛行調(diào)度，帶來(lái)不必要的損失。

此外，采用未做GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)處理的接收機(jī)來(lái)授時(shí)也會(huì)對(duì)一些自動(dòng)化運(yùn)作的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域產(chǎn)生影響，比如電力、通信和金融領(lǐng)域所用的BITS系統(tǒng)。如果BITS系統(tǒng)只參考了GPS授時(shí)信號(hào)，則會(huì)造成BITS系統(tǒng)的時(shí)間跳變，可能就會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓，影響大眾使用。在金融領(lǐng)域，還可能造成無(wú)法完成結(jié)算，給用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)解決方案

何智力表示，為了應(yīng)對(duì)GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，一方面，各個(gè)行業(yè)應(yīng)該提前聯(lián)系GPS接收機(jī)供應(yīng)方，咨詢是否存在因GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)帶來(lái)授時(shí)錯(cuò)誤問(wèn)題，如果存在，應(yīng)要求GPS接收機(jī)供應(yīng)方更新固件。另一方面，使用GPS來(lái)進(jìn)行授時(shí)的用戶，要做好預(yù)案和仿真測(cè)試，排除隱患。

如何檢查接收機(jī)是否會(huì)受到GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)影響？對(duì)于普通用戶，可聯(lián)系自己的GPS接收機(jī)供應(yīng)方，詢問(wèn)是否存在這個(gè)隱患，何時(shí)會(huì)出現(xiàn)，及時(shí)更新固件。對(duì)于專業(yè)用戶，可以使用GPS信號(hào)模擬器來(lái)設(shè)置信號(hào)發(fā)播時(shí)刻，設(shè)置到2019年4月6日之后的任意時(shí)刻，反復(fù)測(cè)試GPS接收機(jī)是否會(huì)受到周數(shù)翻轉(zhuǎn)影響。

北斗系統(tǒng)也有bug？

作為與美國(guó)GPS齊名的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已成為當(dāng)代中國(guó)一張耀眼的“國(guó)家名片”。那么北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有沒(méi)有類似的bug呢？

徐穎說(shuō)，我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也存在BD周數(shù)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，但是我國(guó)的北斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員結(jié)合GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)周期短和一般GNSS接收機(jī)使用壽命情況，在設(shè)計(jì)時(shí)，其周計(jì)數(shù)用13bit表示，翻轉(zhuǎn)周期是8192周，大概是160年，從而有效規(guī)避了該問(wèn)題。其實(shí)，對(duì)應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)周數(shù)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，是必然會(huì)出現(xiàn)的，只是翻轉(zhuǎn)周期的長(zhǎng)短問(wèn)題，但是在用戶接收機(jī)中可以設(shè)計(jì)合理的算法而規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，成為沒(méi)有bug的萬(wàn)年歷。