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明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?
发布时间:2019-12-01
 

美国民用GPS服务接口委员会发布通知,GPS传统导航电文(NAV)中的整周计数(WN)在将在协调世界时(UTC时间)的2019年4月6日23时59分42秒由1023变为0(北京时间2019年4月7日上午),称作GPS整周计数翻转。而针对GPS系统即将在北京时间本周日上午发生整周计数翻转,会对我们有影响么?我们应该知道些什么?有网民表示,将不会在当天乘坐飞机,这些担心靠谱么?

周数翻转原因

为何GPS系统会发生GPS周数翻转呢?GPS系统具有自己的系统时间,称为GPS系统时(GPST),这个时间是通过叠加在GPS信号的导航电文告诉用户的。导航电文通过整周计数(WN)和周内时计数(TOW)的方式表达时间,然而,GPS系统的传统导航电文中仅采用10比特(如图,WN位于电文子帧1的第61到70比特)来表示WN,导致WN只能在0~1023之间循环,出现从1023变为0的情况,这就是“GPS周数翻转”。也就是说,传统的GPS信号每大约隔19.6年必定翻转一次。

明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?

GPS 传统导航电文子帧1

相比GPS传统的民用导航信号,GPS现代化新增的民用导航信号L1C、L2C、L5等采用新的导航电文CNAV1和CNAV2,用13比特来表示WN,翻转周期为8192周(大概157年),其首次WN翻转将发生在2137年。在CNAV1电文中,WN位于第10类型电文信息的第39到51比特;在CNAV2电文中,WN位于第2子帧的第1到13比特。以上两种示意如下图:

明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?

GPS CNAV1电文第10类型

明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?

GPS CNAV2 电文子帧2

GPS整周计数翻转,影响GPS定位功能吗?

GPS接收机要接收到至少4颗GPS卫星的信号,才能实现定位功能,其基本流程如下:以接收机本地时钟为基准测量得到信号到达接收机的时间,再从信号上叠加的导航电文中,得到信号的发射时间,到达时间与发射时间相减,得到时间差,再乘以光速,并加以适当的修正(电离层对流层延迟等),即得到卫星到接收机的距离(此处称为“伪距”,为何“伪”,此处不再展开讨论),基于已知的卫星位置(同样是通过导航电文获取的),利用球面交汇的原理,得到接收机的位置。

明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?

卫星导航系统定位示意图

因此,GPS接收机使用了传统电文的信号进行定位时,当GPS周数从1023到0翻转时,如果接收机解算卫星位置时用了该信息,同时没有正确地将“0”理解成“1023+1”,那定位就不好说了,也许接收机会报错,也许给出一个错误的结果,幸运的用户总是相似的,不幸的用户则是各有各自的不幸。

北斗系统存在类似的风险吗?

北斗卫星导航系统同样建立了自己的一套时间系统,称作北斗时(BDT),采用国际单位制秒为基本单位连续累计,不闰秒,起始时刻对应UTC的2006年1月1日0时0分0秒。同样的,有限的数据位总会存在最大值,只是翻转周期的长短问题,因此我国的北斗卫星导航系统也存在整周计数翻转。

北斗系统目前处于北斗二号和北斗三号并存阶段,存在4种导航电文,分别是D1、D2、B-CNAV1、B-CNAV2,所有导航电文的周计数都采用13比特表示。不要小看这比GPS传统信号多出来的3比特,这13比特表示翻转周期为8192周,大约为157年,也就是说,从现在算起,首次北斗导航系统的WN翻转将发生在大约144年后。

D1电文子帧1

明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?

D2电文子帧1

明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?

B-CNAV1子帧2

明天上午GPS系统将“更新”,还敢不敢坐飞机了?

B-CNAV2 信息类型10

如何知道自己的接收机是否会受到翻转影响

根据自然资源部2019年3月25日发布的《关于免费提供“GPS周计数翻转”检测技术服务的公告》,国内GPS接收机用户可以联系自然资源部所属中国测绘科学研究院国家测绘地理信息计量站,为用户免费提供“GPS周计数翻转”检测技术服务。当然,接收机用户还可以联系厂家确认,有卫星导航模拟器的专业用户还可以自己模拟产生GPS信号对接收机进行周数翻转测试。

对生活的影响

GPS授时技术很多读者也许感到陌生,但其已深入到人们生活的方方面面,尤其电力、金融、通信、民航等领域的基础设施,均对GPS授时有一定的依赖性,若是未做好GPS周翻转的应对措施,将对人们的生活产生重大影响。

中科院空天信息研究院卫星导航接收机团队,在卫星导航授时领域发展多年,研制的授时接收机采用相关算法不受GPS周数翻转影响,能够准确对用户进行准确授时,授时稳定度优于3ns(1δ),频率准确度和频率稳定度均优于4*10-13。

那么,我们还敢不敢坐飞机了?

针对GPS周数翻转问题,民航相关部门已做好了应对措施,我国西北空管局、浙江空管分局、海南空管分局等相关民航部门已经按照《全球定位系统(GPS)周数翻转事件影响空管运行安全的风险通告》以及中国民用航空空中交通管理局《安全风险通告》(ATMB-2019-02)的要求进行安全隐患排查。

最后,建议大家本周日别睡懒觉,打开自己的手机,或导航仪的GPS,看看运气如何,也可以看看新闻,看看有没有奇妙的事情发生。

(来源:中科院之声微信公众号)