GPS周计数翻转事件临近，如何应对？

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GPS周计数即将于2019年4月6日24点发生翻转，还有3周多的时间，一些GPS接收机可能会因此而发生故障，本文将说明原因、影响以及如何排查接收机是否存在漏洞和应对措施。

2018年4月，民用GPS服务接口委员会（CGSIC）宣布，美国国土安全部发布了一份题为“使用GPS获取时间的所有方和运营方”的备忘录，这份文件的目的是帮助读者理解2019年4月6日将要发生的GPS周计数翻转会对从GPS设备中计算得出的世界时间产生怎样的影响。感兴趣的GPS用户可通过本文最后的“阅读原文”链接查阅这份备忘录，了解2019年4月6日-2019年4月7日GPS周计数翻转归零时，自己的设备会所受到哪些潜在的影响。

“周计数翻转”的消息同时也出自美国民用GPS服务接口委员会（CGSIC）的预警通知，其本质上是对GPS系统服务一次较为重要但常规的例行预警。

GPS周计数翻转到底是什么？

周计数翻转问题是一个已知的问题，出现的原因是GPS处理数据中周元素的方式，而这些数据正是构成导航信号的基本组成部分。GPS在每条时间消息中使用一个10位的域对周计数进行编码，也就是说，GPS最多只能处理1024周（19.7年），每个这样的时期在GPS术语中被称为一个“历元”（epoch）。

在每个1024周的历元结束时，接收机会将周数重置为零并重新开始计数。

第一颗GPS卫星于1980年1月6日使用，这意味着GPS时间的第一个历元一直持续到了1999年8月21日。我们现在已接近第二个历元的结束点，即2019年4月6日。也就是说，在此日期之后，那些未对周计数重置处置问题进行编程的GPS接收机上，很可能会遇到翻转问题。

周计数翻转的影响会有哪些？

如果您的车辆或设备需要依赖GPS接收机，那么您现在就应当排查是否会受到GPS周计数翻转问题的影响。

如果您面临此类问题，您会发现接收机开始表现出些许异样，尤其是在今年4月初始。接收机输出的数据可能突然回跳至之前的时间，在授时和导航数据中添加已经过时近20年的时戳。

这个问题不会对接收机导航或计算精确时间的能力造成影响，无论是日级别还是微秒级别。但它所创建的周、月和年时戳会出现严重错乱，对依赖这些级别GPS数据的任何系统和应用造成严重的影响。

例如，车队管理系统中所用的GPS跟踪器本来可用于跟踪交货情况，但这一问题会突然开始输出时戳日期为20年前的位置数据，因此很可能导致系统发生错误，甚至彻底崩溃。

很明显，这种情况并不完全等同于GPS接收机的千年虫，但两者有一些类似之处。好消息是，只要预留足够的时间实施有效的针对措施和解决方案，便可容易地检查接收机是否会受到影响。

好消息是，手机基本不受影响。

翻转可能发生在2019年4月6日当天或之后

之所以与千年虫不同，原因之一就是影响不一定只会在翻转当日显现。事实上，受影响的接收机更可能在2019年4月6日之后很长时间才会开始输出有错误的数据。

这是因为许多接收机制造商一直在寻求使其接收机默认寿命最大化，因此其实施的1024周大限是从固件编写之日算起，而非当前GPS历元的起始日期。

事实上，这意味着较老的GPS接收机会在翻转问题发生前正常运行近20年，如果所实施的固件属于这种类型，即使GPS历元发生变化，也不会出现任何问题。

例如，当第二个GPS历元于1999年8月26日开始时，2005年1月制造的接收机固件编码的中枢日期为2005年1月 + 1024周，这意味着它将稳定工作至2025年8月。下图显示的便是硬件编码的中枢日期是如何工作的：

示例：如果以这种硬件方式编码的某台设备开发于2001年7月14日（第2个历元中第97周），其正常工作的时间为1024周，那么在2021年2月（第3个历元的98周）该设备可能突然显示日期为2001年7月14日。

GPS现代化计划是一项正在进行的价值数十亿美元的工程，其目的是升级全球定位系统（GPS）的各项特性和总体性能。升级的特性还包括全新的民用和军用GPS信号。为了改善周计数翻转方面的问题，消息类型（CNAV和MNAV）使用了13位的域来代表GPS周数，而如果是采用13位域的新型GPS接收机就根本不会存在1024周历元的问题。

周计数翻转问题有多严重？

许多用户在第一次发生事件的时候并没有寻求解决方案，这表明许多GPS接收机的用户根本不知晓问题的存在或没有意识到后果或影响。

这种情况并不是由于用户的疏忽。根据思博伦的经验，许多机构并不知道自己拥有多少台GPS接收机，或者不清楚GPS数据对于那些看似不相关的系统中发挥着怎样的作用。

由于各类机构拥有的GPS接收机越来越多，而且对其输出的数据也越来越依赖，周计数翻转之类的问题也就变得越发严重。因此，我们鼓励所有需要依赖GPS的用户，包括导航、定位或授时这样的应用，检查自己的接收机目前是否会受此次翻转事件的影响。

如何检查接收机是否受影响？

首先，联系接收机制造商了解所涉及的接收机使用的是10位，还是13位的周计数编码空间。如果是10位，应了解漏洞所在，确定固件中是否有经过编码的中枢日期。如果有，则应确定问题可能在何时显现。询问厂商是否提供固件更新，并确保以恰当的方式安装和测试新的固件。

其次，使用GPS模拟器来执行简单的测试，反复检查您的接收机是否会受影响。这一步操作起来非常简单，只需要在模拟的授时消息里将日期设置至未来19.7年后，并查看接收机报告中的周、月和年数据即可。如果数据有错误，或者新固件并未解决问题，那么您可以考虑升级为一台全新的13位接收机。

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周计数翻转问题并不是影响GPS接收机固件的惟一问题。美国空军（USAF）曾向GPS用户和设备制造商发出过另外一个问题的警告，称会影响到数以千计的接收机。

2017年9月21日，美国空军对全球定位系统进行了一次小规模的软件升级。在此之后不久，美国空军便收到了大量的报告，称有“数千台接收机”受到影响。

在一份12月7日致GPS用户和设备制造商的备忘录中，美国空军说：“鉴于大量的接收机受到了影响，两项标准作业流程在之后删除了软件更新。”弹性导航和授时基金会报告称，多数受影响的接收机均为在日本和韩国使用的第一响应方。

GPS卫星会广播一个与GPS时间相关的值（称为“数据发布，时钟”，缩写为IODC），是一个包含一至三位数的数字。从2017年9月21日起，数字更改为一至四位数。这项新方案已经写入2014年以后的新规格中。很明显，受影响的接收机开始在三天后陆续出现问题。

模拟在评估系统问题中的重要性

GPS模拟器可以帮助用户解决周计数翻转和IODC两方面的问题。在需要查看系统错误的影响效果时，使用真实天空或记录与回放模拟的效果都不好，因为它们无法为广播卫星导航信号的格式建立模型。

相比之下，出色的无线射频GNSS模拟器允许用户在ICD规格的范围内，对广播信号数据进行调整（例如模拟一次周计数翻转并在新时代中进行检查，也可以修改IODC的格式），甚至可以利用ICD规定范围之外输出内容来执行校验。

后者的重要性显而易见，这种作法是防范黑客的有效手段。例如，在某次事件中，黑客向GPS接收机发送了错误的星历数据，显示GPS卫星在地球表面的轨道上运行，因而导致部分接收机完全崩溃。

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来源：思博伦通信，卫星与网络（原标题：《【热点】GPS周计数翻转事件临近，如何应对？》版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 白杨 审核 / 白杨 杨长龙   

指导：万剑华教授