世界依賴GPS運轉：萬一出錯怎麼辦？要有備用系統

（原標題：The World Economy Runs on GPS. It Needs a Backup Plan）

網易科技訊 7月31日消息，彭博社撰文指出，全球經濟的運轉頗為依賴GPS，需要有備用的系統。該小型衛星網路很容易受到各種各樣的干擾，而它一旦出錯，全球計算機系統就會崩潰，後果可想而知。

以下是文章主要內容：

在計時系統出錯的那一天，杜克·巴克納（Duke Buckner）在以色列特拉維夫的Renaissance Tel Aviv酒店享用早餐。他在美國通信和國防承包商Microsemi負責市場和業務拓展工作，他收到了一封有關公司設備錯誤報告的電子郵件。他很少一天內收到一封以上這樣的郵件，但在2016年1月26日的早上，他的電子郵箱被它們擠爆了。他忘了吃早餐。

那些投訴報告與Microsemi為全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）打造的定時接收器有關。GPS是一種無處不在的衛星導航技術，當初是專為美國軍方而設計的，如今已經出現在了我們所有人口袋中的智能手機上面。GPS不只是用於地圖。它也是一種巨大的星載時鐘。地球上的計算機都用它來確定時間，精確到十億分之一秒。那些計算機之間在時間上哪怕是出現微乎其微的分歧，一切的運轉都會隨之崩潰。

正是由於這種差異，Microsemi的定時接收器瘋狂地發出錯誤消息。巴克納說，「正常運轉的情況下，這些東西幾年都不會引起警報。而當它頻繁出錯的時候，人們就會完全不知所措。」在接下來的11個小時里，手機信號塔失去了連接，美國警方和消防站報告通信錯誤，BBC無線電信號被中斷，跟蹤地球軌道上的小行星的望遠鏡失靈。

根本原因就是GPS網路發生了故障。當操作31顆衛星的美國空軍關閉了一顆舊衛星，並將其資料庫值調零時，它意外地引起資料庫出現微小的錯誤，從而扭曲了數據。在巴克納的電子郵箱開始要爆之時，幾顆衛星在傳輸糟糕的計時數據，運行速度慢了1370萬分之一秒。

每一顆衛星都有幾個原子鐘，原子鐘通過跟蹤其核心電子從一個能態躍遷到另一個能態的頻率來測量時間。然後，衛星將這些數據連同它們在軌道上的位置信息傳輸到地球。在地面上，你手機里的GPS接收器依靠那些超精確計算的穩定性來確定你在哪裡，最近的一家餐館在哪裡，等等。

依賴於GPS

自從美國國防部2000年開始向公眾提供GPS服務以來，全球經濟的運轉變得極其依賴於GPS。全球有20億個GPS接收器正在使用，據歐洲的衛星導航機構估計，到2022年這個數字將達到70億。與通訊行業一樣，銀行、航空、電力、雲計算和電視廣播等行業領域也都需要持續精確的GPS定時。緊急服務部門和軍隊也是如此。美國國土安全部已認定16個基礎設施部門為「關鍵部門」，其中14個部門依賴GPS。

其他的一些衛星導航系統正在研究當中，或者有備用的系統：Galileo?（由歐盟運作）、GLONASS（俄羅斯）和北斗衛星導航系統（中國）。不過，只有俄羅斯的系統號稱擁有全球覆蓋範圍。

大多數的關鍵服務和金融市場都有備用方案——它們自己的原子鐘，或者是連接不那麼精確的工具。但其中一些備用系統也依賴於GPS定時，可能只能持續運行幾分鐘。「GPS是整個現代經濟的一個失敗的地方，」加州民主黨人約翰·加拉門迪（John Garamendi）說。作為眾議院軍事委員會和交通與基礎設施委員會的成員，他多年來一直在就這方面的風險提出警告。

破壞巴克納的早餐時光的連續11個小時的混亂，不過是問題的冰山一角。畢竟，那是大意的錯誤所致，而不是針對GPS網路的協同攻擊。然而，自那以後，美國政客們在保護該系統方面卻幾乎沒有什麼作為。

除了加拉門迪以外，非營利組織Resilient Navigation&Timing Foundation的負責人德納·高厄德（Dana Goward）也在高調呼籲填補GPS的缺陷。該組織成立於2013年，獲國防承包商和相關公司的支持。高厄德曾是海岸警衛隊的一名直升機飛行員，當被問及GPS大範圍中斷意味著什麼時，他毫不含糊地指出，這就像在9·11事件發生前無視強化飛機駕駛艙艙門的警告，或者在卡特里娜颶風來襲前無視新奧爾良脆弱的防洪堤的警報：「人們將會死亡。」

施里弗空軍基地是第二太空作戰中隊（以下簡稱「2SOPS」）的所在地，在科羅拉多斯普林斯以東幾英里。2SOPS在一個房間運作GPS網路，房間外有兩個密碼門、一位武裝警衛、車道上阻止車輛駛入的障礙物、以及三個鐵絲網圍欄。

6月的一天，在運營中心，八名身著制服的航空兵和兩名民用承包商正準備進行「預通過」（pre-pass）——這是一項常規測試，旨在確保衛星能夠正常通信。每個航空兵都有機密工作或者最高機密工作的許可，訪客也必須要通過背景檢查。

「預通過SV 15！」衛星系統操作員說。

「C/L1-8步驟4，注意聽指令準備預通過。」中心主管回答道。

「現在系統處於活躍狀態，SV 15，CAPE A字元串，SSO 1，DIEGO的交替可見性，VSOH/NAV/MOD/GBD，沒有適用的CIFs/TPs。」衛星系統操作員說。

2SOPS通常每24小時向每一顆衛星發送一次新的導航信息，以確保準確無誤。他們利用一個由位於全球各地的11個天線組成的網路。期間，該團隊根據航空兵每隔1.5秒鐘發來的精確導航和定時信號，監測GPS網路的異常狀況和缺陷。領導2SOPS的陸軍中校斯蒂芬·托特（Stephen Toth）說，這種重複性的工作可能會讓人變得漫不經心。「重複性工作會讓人志得意滿。」他說道，「你需要集中注意力，以確保避免問題悄然發生的情況。」

各種擾亂衛星的因素

除了資料庫中的一些雜散數字以外，還有很多東西可以打亂衛星的運轉。比如太陽耀斑和太空碎片，或許，還包括敵對的外國勢力。2007年，中國用一顆導彈摧毀了它的一顆老化的氣象衛星，之後五角大樓開始將這些衛星本身視為潛在的被攻擊目標。據說，朝鮮、伊朗和俄羅斯也開發了衛星摧毀武器。為了防範黑客攻擊，2SOPS增設了網路防禦操作員的職位，軍方正在拓展與衛星運營相關的培訓。

今年6月，特朗普總統出人意料地在國家太空委員會的一次會議上宣布，他打算創建一支太空部隊。這會是美軍的第六分支，用以補充空軍。不過，國防部長並不贊同，該舉可能很難獲得國會的批准。國會去年就拒絕過這樣的提議。但美國面臨的威脅並不難想像，而且美國對它們準備不足。對於俄羅斯戰機與美國戰機在敘利亞上空過於接近，或者美國海軍艦艇在中國海域擱淺的情況，有協議和國際協議規定該如何應對，但要是遇到外國衛星的活動看上去可能存在敵意的情況，該怎麼應對呢？這方面並沒有什麼規則手冊可供參考。

在接收器方面，GPS信號弱到可以被手機基站上的鴿子屎所遮蓋——或者不法分子使用極容易獲得的硬體設備就能實施干擾。儘管市面上的數百種信號干擾設備在大多數國家都是違禁設備，但歐洲全球導航衛星系統署過去兩年共計記錄到了大約5萬起蓄意干擾事件，其中多數是因為卡車司機和網約車司機想要在休息時間向僱主隱藏自己的位置。據推測，2016年7月和8月，在馬尼拉的尼諾阿基諾國際機場，40多架客機因為受到干擾而在即將降落到跑道時失去了GPS信號。所有的飛機都依靠肉眼觀察安全著陸，但當地的天氣並不總是那麼理想。

在地面上最陰險的策略是GPS電子欺騙，即使用惡意軟體廣播虛假信號，比如讓飛機上的接收器誤以為它在某個地方，但實際上它在另一個地點上。德克薩斯大學奧斯汀分校的航空工程學教授托德·漢弗萊斯（Todd Humphreys）表示，這種欺騙手段「肯定會對Uber車輛、Waymo自動駕駛汽車、亞馬遜的送貨無人機以及其他設備的運作產生不利影響」。

在金融世界裡，哪怕是程度很小的電子欺騙活動，都有可能會搞砸從便利店的信用卡讀卡器到整個紐約證券交易所的一切。「如果你大幅改動基準時間，所有人都會注意到。」紐交所前網路服務負責人安德魯·巴赫（Andrew Bach）表示，「而人們擔心的是，如果有人為了給金融行業的運作製造混亂而稍稍地將時間調前或者調後，會引發什麼樣的後果？」儘管大多數的華爾街大公司都有部署自己的原子鐘，將其作為GPS定時的備用系統，但哪怕GPS只是出現極其細微的異常，都可能會驚動主宰高頻交易世界的演算法，進而引發市場出現大規模的拋售。

對於五角大樓來說，敵對的勢力發起電子欺騙活動也是一個威脅。在2012年的一次演示活動中，漢弗萊斯和同事給一架無人機提供了錯誤的GPS坐標，將它帶離預定路線，進而完成對其的劫持，美國國土安全部官員們看後震驚不已。一位知情人士說，俄羅斯軍隊能夠在敘利亞和黑海上空對無人機實施電子欺騙。

美國空軍表示，防範電子欺騙並不是它的職責，2SOPS只是負責維護GPS網路的信號，而不是確保接收器能夠讀取準確的信息。然而，沒有其他的政府機構負責減少信號干擾和電子欺騙的影響。開發相關的反電子欺騙防火牆以及維持它們的更新的重任，落在了像Microsemi這樣的企業身上。國土安全部說，它向關鍵基礎設施的運營商提供支持和專業的技術知識，但只有它們提出要求才會提供。該部門表示，主要依靠企業來確保他們有備用計劃。

在遊說者高厄德看來，這是不現實的。他表示：「我們接觸過的各個行業的人都認為這是政府的責任，除了核心的金融服務以外，我們所知道的任何一個行業都無法承受任何重要時段的任何重大破壞。」他補充道，企業的態度似乎是一種同歸於盡的態度：「我不會受到譴責。空軍或政府會受到譴責。那我為什麼要花錢去研發呢？」

新一代GPS衛星

在科羅拉多州沃特頓空軍基地以北一小時的車程距離處，洛克希德馬丁公司有一個可以追溯到1955年的基地。當年，這塊被隔離的地方用於導彈測試。如今，在現場的185座建築中，該公司最近建造了一個耗資1.28億美元、面積4萬平方英尺的潔凈室。在裡面，六名員工穿著長及小腿的外套、發罩和鞋套，這些裝備全都是防靜電的，不起毛的，他們正在組裝下一代GPS衛星。外面有武裝警衛守著。

美國空軍已經批准了第一顆GPS 3衛星的發射，洛克希德希望今年夏天另一顆衛星在潔凈室外的三層門後面完成真空測試後也能獲批發射。這些測試利用泵和冷空氣或熱空氣模擬外太空的環境，產生低壓和從-238F到302F範圍的溫度。

GPS 3衛星的設計壽命為15年，比當前的一代長25%。由於小心仔細的燃料管理，當前的一代GPS衛星已經遠遠超過了它們的預期壽命。GPS 3衛星還提供強烈8倍的信號，這使得它更難被干擾，其定位精確度也達到原來的三倍。但它們仍缺乏市場上的兩種最強的反電子欺騙技術——兩種技術本質上都是額外的安全層，用於檢測攻擊，並證明信號和導航消息是沒問題的。美國空軍太空司令部的兩名上校同意接受採訪討論GPS漏洞問題，但採訪在預定時間的前一天取消了。一位發言人說，取消採訪是「出於對當前的環境和某些問題的敏感性的考慮」，其中一種加密方法「目前正在研究當中」。

還是 有備用系統 靠譜些

加拉門迪說，雖然如果政府採用更好的加密技術會有所幫助，但相比之下，減少世界經濟對GPS的依賴會來得更加安全。多年來，他一直在推動聯邦政府建立一個名為「增強型遠距離無線電導航系統」（eLoran）的陸基無線電網路作為備用。它提供的信號會比GPS更加強，國會估計這將需要花費掉納稅人2億美元。韓國方面表示，到2020年它將實現eLoran網路覆蓋。

美國在建立備用系統方面一直都沒有什麼實質性的行動，儘管軍方官員早在1997年便向國會議員簡要介紹了GPS的脆弱性。2008年，喬治·布希（George W. Bush）的國土安全部團隊宣布建立eLoran系統的計劃，但第二年，由於深受經濟衰退困擾，巴拉克·奧巴馬（Barack Obama）將相關經費從他的第一個預算案中移除，此後該計劃再也沒有出現過。特朗普政府的國土安全部定位、導航和計時辦公室主任詹姆斯·普拉特（James Platt）表示，他的辦公室應該在開始評估eLoran是否為最佳選擇之前，先確定備用系統的要求。

面對這種局面，民主黨國會議員Garamendi試圖在沒有得到國土安全部支持的情況下將開發經費併入軍事開支法案。他說，「純粹是聯邦機構不願承擔新的任務。」如果他們不那麼做的話，那麼特朗普的太空部隊將來很可能會出現盲目飛行的情況——然後杜克·巴克納就可以賣出很多的原子鐘。並不是說他非常樂於看到這種情況。（樂邦）

本文來自網易科技報道，創業家系授權發布，略經編輯修改，版權歸作者所有，內容僅代表作者獨立觀點。[ 下載創業家APP，讀懂中國最賺錢的7000種生意 ]

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