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7日上午GPS系統“更新”,對我們有影響么?

2019年04月07日09:10  來源:中科院之聲

美國民用GPS服務接口委員會發布通知,GPS傳統導航電文(NAV)中的整周計數(WN)在將在協調世界時(UTC時間)的2019年4月6日23時59分42秒由1023變為0(北京時間2019年4月7日上午),稱作GPS整周計數翻轉。而針對GPS系統即將在北京時間本周日上午發生整周計數翻轉,會對我們有影響么?我們應該知道些什么?有網民表示,將不會在當天乘坐飛機,這些擔心靠譜么?

周數翻轉原因

為何GPS系統會發生GPS周數翻轉呢?GPS系統具有自己的系統時間,稱為GPS系統時(GPST),這個時間是通過疊加在GPS信號的導航電文告訴用戶的。導航電文通過整周計數(WN)和周內時計數(TOW)的方式表達時間,然而,GPS系統的傳統導航電文中僅采用10比特(如圖,WN位于電文子幀1的第61到70比特)來表示WN,導致WN只能在0~1023之間循環,出現從1023變為0的情況,這就是“GPS周數翻轉”。也就是說,傳統的GPS信號每大約隔19.6年必定翻轉一次。

GPS 傳統導航電文子幀1

相比GPS傳統的民用導航信號,GPS現代化新增的民用導航信號L1C、L2C、L5等采用新的導航電文CNAV1和CNAV2,用13比特來表示WN,翻轉周期為8192周(大概157年),其首次WN翻轉將發生在2137年。在CNAV1電文中,WN位于第10類型電文信息的第39到51比特;在CNAV2電文中,WN位于第2子幀的第1到13比特。以上兩種示意如下圖:

GPS CNAV1電文第10類型

GPS CNAV2 電文子幀2

GPS整周計數翻轉,影響GPS定位功能嗎?

GPS接收機要接收到至少4顆GPS衛星的信號,才能實現定位功能,其基本流程如下:以接收機本地時鐘為基準測量得到信號到達接收機的時間,再從信號上疊加的導航電文中,得到信號的發射時間,到達時間與發射時間相減,得到時間差,再乘以光速,并加以適當的修正(電離層對流層延遲等),即得到衛星到接收機的距離(此處稱為“偽距”,為何“偽”,此處不再展開討論),基于已知的衛星位置(同樣是通過導航電文獲取的),利用球面交匯的原理,得到接收機的位置。

衛星導航系統定位示意圖

因此,GPS接收機使用了傳統電文的信號進行定位時,當GPS周數從1023到0翻轉時,如果接收機解算衛星位置時用了該信息,同時沒有正確地將“0”理解成“1023+1”,那定位就不好說了,也許接收機會報錯,也許給出一個錯誤的結果,幸運的用戶總是相似的,不幸的用戶則是各有各自的不幸。

北斗系統存在類似的風險嗎?

北斗衛星導航系統同樣建立了自己的一套時間系統,稱作北斗時(BDT),采用國際單位制秒為基本單位連續累計,不閏秒,起始時刻對應UTC的2006年1月1日0時0分0秒。同樣的,有限的數據位總會存在最大值,只是翻轉周期的長短問題,因此我國的北斗衛星導航系統也存在整周計數翻轉。

北斗系統目前處于北斗二號和北斗三號并存階段,存在4種導航電文,分別是D1、D2、B-CNAV1、B-CNAV2,所有導航電文的周計數都采用13比特表示。不要小看這比GPS傳統信號多出來的3比特,這13比特表示翻轉周期為8192周,大約為157年,也就是說,從現在算起,首次北斗導航系統的WN翻轉將發生在大約144年后。

D1電文子幀1

D2電文子幀1

B-CNAV1子幀2

B-CNAV2 信息類型10

如何知道自己的接收機是否會受到翻轉影響

根據自然資源部2019年3月25日發布的《關于免費提供“GPS周計數翻轉”檢測技術服務的公告》,國內GPS接收機用戶可以聯系自然資源部所屬中國測繪科學研究院國家測繪地理信息計量站,為用戶免費提供“GPS周計數翻轉”檢測技術服務。當然,接收機用戶還可以聯系廠家確認,有衛星導航模擬器的專業用戶還可以自己模擬產生GPS信號對接收機進行周數翻轉測試。

對生活的影響

GPS授時技術很多讀者也許感到陌生,但其已深入到人們生活的方方面面,尤其電力、金融、通信、民航等領域的基礎設施,均對GPS授時有一定的依賴性,若是未做好GPS周翻轉的應對措施,將對人們的生活產生重大影響。

中科院空天信息研究院衛星導航接收機團隊,在衛星導航授時領域發展多年,研制的授時接收機采用相關算法不受GPS周數翻轉影響,能夠準確對用戶進行準確授時,授時穩定度優于3ns(1δ),頻率準確度和頻率穩定度均優于4*10-13。

那么,我們還敢不敢坐飛機了?

針對GPS周數翻轉問題,民航相關部門已做好了應對措施,我國西北空管局、浙江空管分局、海南空管分局等相關民航部門已經按照《全球定位系統(GPS)周數翻轉事件影響空管運行安全的風險通告》以及中國民用航空空中交通管理局《安全風險通告》(ATMB-2019-02)的要求進行安全隱患排查。

最后,建議大家本周日別睡懶覺,打開自己的手機,或導航儀的GPS,看看運氣如何,也可以看看新聞,看看有沒有奇妙的事情發生。

來源:中國科學院空天信息研究院

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