如何理解GPS的周數(shù)翻轉

什么是GPS周數(shù)翻轉

根據(jù)美國民用GPS服務接口委員會（CGSIC）近日發(fā)布的通知，GPS的整周計數(shù)值將于2019年4月6日24點由1023變?yōu)?，稱作GPS周數(shù)翻轉。這意味著GPS周計數(shù)將迎來新的周期。

為什么會出現(xiàn)這樣的情況？“這個得從GPS系統(tǒng)的接口設計來解釋這個現(xiàn)象?！遍L期從事北斗導航系統(tǒng)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(tǒng)作為一個全球性的導航定位授時系統(tǒng)，在設計之初就建立了自己的一套時間系統(tǒng)，稱作GPS時，而這個起點對應UTC時間（世界協(xié)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(tǒng)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(tǒng)設計人員通過周計數(shù)（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(huán)。當WN從1023變?yōu)?時，就會發(fā)生GPS周數(shù)翻轉，出現(xiàn)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(tǒng)時的起始時刻算起，上一次出現(xiàn)GPS周數(shù)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(xiàn)下一次GPS周數(shù)翻轉。

“打個比方，小朋友因為還沒有學習超過100的數(shù)，他每次數(shù)到100就又從0開始數(shù)，而按10進制的計數(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都會回到0。這就類似于GPS周數(shù)翻轉?！焙沃橇φf。

GPS周數(shù)翻轉可能會帶來什么影響？

“GPS接收機在沒有做GPS周數(shù)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(tǒng)和應用都可能會造成影響?！焙沃橇φJ為，在民航領域，授時基本都是依靠衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(shù)翻轉可能引發(fā)空管雷達信號數(shù)據(jù)混亂，會引起數(shù)據(jù)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(shù)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(chǎn)生影響，比如電力、通信和金融領域所用的BITS系統(tǒng)。如果BITS系統(tǒng)只參考了GPS授時信號，則會造成BITS系統(tǒng)的時間跳變，可能就會造成系統(tǒng)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(jīng)濟損失。

GPS周數(shù)翻轉解決方案

何智力表示，為了應對GPS周數(shù)翻轉問題，一方面，各個行業(yè)應該提前聯(lián)系GPS接收機供應方，咨詢是否存在因GPS周數(shù)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(shù)翻轉影響？對于普通用戶，可聯(lián)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(xiàn)，及時更新固件。對于專業(yè)用戶，可以使用GPS信號模擬器來設置信號發(fā)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(shù)翻轉影響。

北斗系統(tǒng)也有bug？

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

徐穎說，我國的北斗導航系統(tǒng)也存在BD周數(shù)翻轉問題，但是我國的北斗系統(tǒng)設計人員結合GPS周數(shù)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(shù)用13bit表示，翻轉周期是8192周，大概是160年，從而有效規(guī)避了該問題。其實，對應衛(wèi)星導航系統(tǒng)周數(shù)翻轉問題，是必然會出現(xiàn)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(guī)避這個問題，成為沒有bug的萬年歷。