如果全球定位系统失灵了怎么办？

工程（英文） ›› 2019, Vol. 5 ›› Issue (6) : 985 -986. DOI: 10.1016/j.eng.2019.10.007

如果全球定位系统失灵了怎么办？

Mitch Leslie

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What if the Global Positioning System Didn’t Work?

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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。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，美国就可能会出现上述这些问题。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[1]。

由大约30颗GPS卫星提供的精确位置和导航信息（图1）——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[2]。“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。”

图1. 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。Credit: United States Government (public domain)。

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。”

这些漏洞包括可能摧毁GPS卫星或干扰其传输的恐怖袭击或军事攻击[3]。GPS信号也可能被伪造，从而无法提供准确的导航[4]。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[5]，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[6]，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[7]。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[7,8]。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[9]。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[10]，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[11]。

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[12]，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。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Economic benefits of the global positioning system (GPS) [Internet]. North Carolina: RTI International; 2019 Jun [cited 2019 Sep 8]. Available from: https://www.rti.org/sites/default/files/gps_finalreport618.pdf.

[2]	Glass D. What happens if GPS fails? [Internet]. Boston: The Atlantic; 2016 Jun 13 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https://www.theatlantic.com/ technology/archive/2016/06/what-happens-if-gps-fails/486824/.

[3]	Scoles S. Spoof, jam, destroy: why we need a backup for GPS [Internet]. New York: Wired; 2018 Mar 2 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https://www. wired.com/story/spoof-jam-destroy-why-we-need-a-backup-for-gps/.

[4]	Sydiongco D. Research team hacks surveillance drone with less than $1000 in equipment [Internet]. Slate; 2012 Jul 2 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https://slate.com/technology/2012/07/hacked-surveillance-drone-withspoofed-gps-system-demonstrates-uav-security-flaws.html.

[5]	Daley J. NASA captures strongest solar flare in a decade [Internet]. Washington, DC: Smithsonian; 2017 Sep 6 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https:// www.smithsonianmag.com/smart-news/sun-produces-biggest-solar-flaredecade-180964794/.

[6]	Lovett R. What if the biggest solar storm on record happened today? [Internet]. Washington, DC: National Geographic; 2011 Mar 4 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https://www.nationalgeographic.com/news/2011/3/110302- solar-flares-sun-storms-earth-danger-carrington-event-science/.

[7]	Tullis P. The world economy runs on GPS. It needs a backup plan [Internet]. Bloomberg Businessweek; 2018 Jul 25 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https://www.bloomberg.com/news/features/2018-07-25/the-worldeconomy-runs-on-gps-it-needs-a-backup-plan.

[8]	Baraniuk C. UK radio disturbance caused by satellite network bug [Internet]. London: BBC News; 2016 Feb 2 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https:// www.bbc.com/news/technology-35463347.

[9]	Jakhar P. How China’s GPS ‘Rival’ Beidou is plotting to go global [Internet]. London: BBC News; 2018 Sep 20 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https:// www.bbc.com/news/technology-45471959.

[10]	Senate bill 140, national timing resilience and security act of 2018. Washington, DC: United States Congress; [cited 2019 Sep 8]. Available from: https://www.congress.gov/bill/115th-congress/senate-bill/140/text# toc-id89e563a8d5524c5a84cacf66865f7ba1.

[11]	Manaugh G. How a GPS glitch can change the taste of your salad [Internet]. Boston: The Atlantic; 2016 Jun 15 [cited 2019 Sep 8]. Available from: https:// www.theatlantic.com/technology/archive/2016/06/invasion-agriculture-andthe-beets-of-war/487082/.

[12]

Gross domestic product, second quarter 2019 (second estimate); corporate profits, second quarter 2019 (Preliminary estimate) [Internet]. Washington, DC: United States Bureau of Economic Analysis; [updated 2019 Aug 29; cited 2019 Sep 8]. Available from: https://www.bea.gov/news/2019/grossdomestic-product-2nd-quarter-2019-second-estimate-corporate-profits-2ndquarter.