GPS周計數即將于2019年4月6日24點發生翻轉，還有3周多的時間，一些GPS接收機可能會因此而發生故障，本文將說明原因、影響以及如何排查接收機是否存在漏洞和應對措施。
2018年4月，民用GPS服務接口委員會（CGSIC）宣布，美國國土安全部發布了一份題為“使用GPS獲取時間的所有方和運營方”的備忘錄，這份文件的目的是幫助讀者理解2019年4月6日將要發生的GPS周計數翻轉會對從GPS設備中計算得出的世界時間產生怎樣的影響。感興趣的GPS用戶可通過本文最后的“閱讀原文”鏈接獲取相關技術資料和備忘錄，了解2019年4月6日-2019年4月7日GPS周計數翻轉歸零時，自己的設備會受到哪些潛在的影響。
“周計數翻轉”的消息同時也出自美國民用GPS服務接口委員會（CGSIC）的預警通知，其本質上是對GPS系統服務一次較為重要但常規的例行預警。
周計數翻轉的影響會有哪些？
如果您的車輛或設備需要依賴GPS接收機，那么您現在就應當排查是否會受到GPS周計數翻轉問題的影響。
如果您面臨此類問題，您會發現接收機開始表現出些許異樣，尤其是在今年4月初始。接收機輸出的數據可能突然回跳至之前的時間，在授時和導航數據中添加已經過時近20年的時戳。
這個問題不會對接收機導航或計算精確時間的能力造成影響，無論是日級別還是微秒級別。但它所創建的周、月和年時戳會出現嚴重錯亂，對依賴這些級別GPS數據的任何系統和應用造成嚴重的影響。
例如，車隊管理系統中所用的GPS跟蹤器本來可用于跟蹤交貨情況，但這一問題會突然開始輸出時戳日期為20年前的位置數據，因此很可能導致系統發生錯誤，甚至徹底崩潰。
很明顯，這種情況并不完全等同于GPS接收機的千年蟲，但兩者有一些類似之處。好消息是，只要預留足夠的時間實施有效的針對措施和解決方案，便可容易地檢查接收機是否會受到影響。
但首先，我們要找出問題的根源是什么。
GPS周計數翻轉到底是什么？
周計數翻轉問題是一個已知的問題，出現的原因是GPS處理數據中周元素的方式，而這些數據正是構成導航信號的基本組成部分。GPS在每條時間消息中使用一個10位的域對周計數進行編碼，也就是說，GPS最多只能處理1024周（19.7年），每個這樣的時期在GPS術語中被稱為一個“歷元”（epoch）。
在每個1024周的歷元結束時，接收機會將周數重置為零并重新開始計數。
第一顆GPS衛星于1980年1月6日使用，這意味著GPS時間的第一個歷元一直持續到了1999年8月21日。我們現在已接近第二個歷元的結束點，即2019年4月6日。也就是說，在此日期之后，那些未對周計數重置處置問題進行編程的GPS接收機上，很可能會遇到翻轉問題。
翻轉可能發生在2019年4月6日當天或之后
之所以與千年蟲不同，原因之一就是影響不一定只會在翻轉當日顯現。事實上，受影響的接收機更可能在2019年4月6日之后很長時間才會開始輸出有錯誤的數據。
這是因為許多接收機制造商一直在尋求使其接收機默認壽命最大化，因此其實施的1024周大限是從固件編寫之日算起，而非當前GPS歷元的起始日期。
事實上，這意味著較老的GPS接收機會在翻轉問題發生前正常運行近20年，如果所實施的固件屬于這種類型，即使GPS歷元發生變化，也不會出現任何問題。
例如，當第二個GPS歷元于1999年8月26日開始時，2005年1月制造的接收機固件編碼的中樞日期為2005年1月 + 1024周，這意味著它將穩定工作至2025年8月。下圖顯示的便是硬件編碼的中樞日期是如何工作的：
示例：如果以這種硬件方式編碼的某臺設備開發于2001年7月14日（第2個歷元中第97周），其正常工作的時間為1024周，那么在2021年2月（第3個歷元的98周）該設備可能突然顯示日期為2001年7月14日。
GPS現代化計劃是一項正在進行的價值數十億美元的工程，其目的是升級全球定位系統（GPS）的各項特性和總體性能。升級的特性還包括全新的民用和軍用GPS信號。為了改善周計數翻轉方面的問題，消息類型（CNAV和MNAV）使用了13位的域來代表GPS周數，而如果是采用13位域的新型GPS接收機就根本不會存在1024周歷元的問題。
周計數翻轉問題過去也曾發生過
我們已經深入了解了硬件編碼的中樞日期如何在歷元翻轉日之后制造問題。2017年11月，美國海軍天文臺公布了一份可能受到影響的歷史接收機部分清單，而這些接收機會分別于2014年12月、2016年2月、2016年8月和2017年7月出現功能異常。
這些接收機仍然運行著第一個GPS歷元的初始固件，而該歷元本應在1999年便已結束。但由于它們的制造時間接近該歷元結束時，制造商得以分別實施2014、2016和2017的中樞日期，因此導致的問題會出現在該歷元結束近20年后。
如果這些接收機的用戶已經發現了問題，他們可以在接收機故障之前通過多種方式從制造商那里獲得固件更新。這樣便可創建更偏向未來的新中樞日期，或者以使用13位周計數編碼域的新型接收機來替代受影響的接收機，從而使問題得以解決。
周計數翻轉問題有多嚴重？
許多用戶在第一次發生事件的時候并沒有尋求解決方案，這表明許多GPS接收機的用戶根本不知曉問題的存在或沒有意識到后果或影響。
這種情況并不是由于用戶的疏忽。根據思博倫的經驗，許多機構并不知道自己擁有多少臺GPS接收機，或者不清楚GPS數據對于那些看似不相關的系統中發揮著怎樣的作用。
由于各類機構擁有的GPS接收機越來越多，而且對其輸出的數據也越來越依賴，周計數翻轉之類的問題也就變得越發嚴重。因此，我們鼓勵所有需要依賴GPS的用戶，包括導航、定位或授時這樣的應用，檢查自己的接收機目前是否會受此次翻轉事件的影響。
如何檢查接收機是否受影響？
好消息是，我們有方案檢查接收機是否會受到周計數翻轉問題的影響，這一過程分為兩個步驟：
首先，聯系接收機制造商了解所涉及的接收機使用的是10位，還是13位的周計數編碼空間。如果是10位，應了解漏洞所在，確定固件中是否有經過編碼的中樞日期。如果有，則應確定問題可能在何時顯現。詢問廠商是否提供固件更新，并確保以恰當的方式安裝和測試新的固件。
其次，使用GPS模擬器來執行簡單的測試，反復檢查您的接收機是否會受影響。這一步操作起來非常簡單，只需要在模擬的授時消息里將日期設置至未來19.7年后，并查看接收機報告中的周、月和年數據即可。如果數據有錯誤，或者新固件并未解決問題，那么您可以考慮升級為一臺全新的13位接收機。
思博倫的GPS系列模擬器可以幫助您執行這項測試。
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周計數翻轉問題并不是影響GPS接收機固件的惟一問題。美國空軍（USAF）曾向GPS用戶和設備制造商發出過另外一個問題的警告，稱會影響到數以千計的接收機。
2017年9月21日，美國空軍對全球定位系統進行了一次小規模的軟件升級。在此之后不久，美國空軍便收到了大量的報告，稱有“數千臺接收機”受到影響。
在一份12月7日致GPS用戶和設備制造商的備忘錄中，美國空軍說：“鑒于大量的接收機受到了影響，兩項標準作業流程在之后刪除了軟件更新。”彈性導航和授時基金會報告稱，多數受影響的接收機均為在日本和韓國使用的第一響應方。
GPS衛星會廣播一個與GPS時間相關的值（稱為“數據發布，時鐘”，縮寫為IODC），是一個包含一至三位數的數字。從2017年9月21日起，數字更改為一至四位數。這項新方案已經寫入2014年以后的新規格中。很明顯，受影響的接收機開始在三天后陸續出現問題。
模擬在評估系統問題中的重要性
GPS模擬器可以幫助用戶解決周計數翻轉和IODC兩方面的問題。在需要查看系統錯誤的影響效果時，使用真實天空或記錄與回放模擬的效果都不好，因為它們無法為廣播衛星導航信號的格式建立模型。
相比之下，出色的無線射頻GNSS模擬器允許用戶在ICD規格的范圍內，對廣播信號數據進行調整（例如模擬一次周計數翻轉并在新時代中進行檢查，也可以修改IODC的格式），甚至可以利用ICD規定范圍之外輸出內容來執行校驗。
后者的重要性顯而易見，這種作法是防范黑客的有效手段。例如，在某次事件中，黑客向GPS接收機發送了錯誤的星歷數據，顯示GPS衛星在地球表面的軌道上運行，因而導致部分接收機完全崩潰。
所有人都對GPS越來越依賴，了解此次周計數翻轉事件以及GNSS各種漏洞對設備正常功能的影響也變得更加重要。歡迎您識別下面的二維碼完成簡單注冊獲取相關技術資料并預約測試交流和演示時間，及時、隨時了解衛星定位、導航和授時系統方面的各類最新威脅和前沿的測試方法與解決方案。
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