GPS若崩溃或带来世界末日     DATE: 2017-05-28 16:40

从科罗拉多斯普林斯市外约10英里处的施里弗空军基地的一个指挥中心进行操作,7名20来岁的空军士兵负责保障全球金融市场、国际商务、美国电网、所有电信线路的安全,确保世界各地的优步司机甚至能够找到最为偏远的餐馆。

空军航天司令部的这些训练有素的军事人员保护着美国赖以提供地面导航的31颗卫星。他们的办公室是世界各地的大约40亿人每天都使用的全球定位系统(GPS)的控制中心,从而使该中心可能成为任何国家所提供的最大规模的人道主义服务。

大多数人都把GPS视为使得谷歌地图上的标点移动的无所不在、但却看不见的系统。但是,由卫星和无数接收器组成的这个庞大网络的作用远非仅此而已。GPS信号为含有一块接收器芯片的任何设备提供来自卫星原子钟的持续和精确的时间信息。需要精确定时(包括同步电信)或对高速交易(包括华尔街交易)记录的任何任务都使用GPS。

多亏有了施里弗基地,GPS系统的物理设备的安全得到保障。但是,航天司令部和GPS的绝大部分安全工作都集中在GPS信号广播时对其加以保护方面。专家们说,问题是要保护接近接收器的信号。旨在破坏和操纵GPS信号的装置比以往任何时候都更加常见,也更具破坏性,常常使信号无法到达更广袤的地区。

但是,许多人认为,更为令人担忧的是,GPS仍然具有令人难以置信的脆弱性,容易遭受来自流氓国家或者想要给美国城市造成灾难的犯罪黑客的更严重的攻击。设想一下纽约市没有GPS的时刻——华尔街和金融市场陷于停顿、交通阻塞遍及全市。所有空中旅行、渡轮和火车停运。

航天司令部公共事务主任约翰·多里安上校说:“几年前,军方发表了一份题为《没有航天的日子》。报告虽仍然列为机密,但其梗概却是,根本没有这种事情。包括GPS在内的航天能力融入我们所做的一切事情之中。人们依靠这种无所不在的能力。”

假如GPS崩溃会如何

纽瓦克自由国际机场的官员知道,这种能力消失的情形是什么样的。2009年底,该机场正在测试一种用来改善飞机进出港流动的称为“智能之路”的新的空中交通管制技术。这种系统十分出色,因而自由机场最终购买了该系统。但是,当他们对其加以测试时,机场发现问题大了:该系统冷不防就会停止工作。

官员们检查了设备,但设备完好。经过3个月的调查,美国联邦通信委员发现了罪魁祸首:加里·伯查克。此人就职于用GPS系统进行车辆跟踪的一家工程技术公司。但是,联邦通信委员会的事故报告说,伯查克不希望他的雇主经常监督他的工作。因此,他在分配给他的卡车上安装了一个GPS干扰仪。他每天都开车路过该机场,因此每天,他的干扰仪都干扰“智能之路”系统的GPS接收器。他最终被抓获,并被罚款3.2万美元。

美国国土安全部说,这种电子干扰是GPS面临的最常见的国内威胁。研制干扰探测器的英国Chronos技术公司联合创始人查尔斯·库里说,这是一个全球范围的问题。在2012到2013年进行的一项研究中,该公司在伦敦发现了每月多达100起的干扰事件。库里说,今天,这个问题只会越来越严重。

库里说:“我们的一位客户是移动运营商。他刚刚采用GPS系统,开始责怪设备(中断)。但是,我们向他说明了干扰是人为的。圣诞节、节礼日或周末等公共假日期间不发生电子干扰。”

不仅仅是司机试图逃避老板的监视。在德国,据报道,司机利用干扰器躲避基于GPS的收费系统。墨尔本出租车司机利用干扰器欺骗一个把闲置时间最长的出租车列为重点的调度系统。库里曾经遇到一位顾客报告说,他抓到一名干扰信号的牧师,以阻止堂区居民在礼拜期间使用手机。

干扰与诈骗
虽然干扰在美国是非法的,但却没有阻止几十家中国制造厂商把安装在汽车上的装置运到美国。这些装置只有其所插入的打火机端口大小,价格仅为40美元。马丁·法加曾经是空军副部长,目前就职于定位、导航与授时咨询委员会,该委员会是联邦政府有关GPS系统问题的咨询机构。他说:“出售这些装置的人们说,这些装置仅仅在几码范围内发挥作用。可以说,在这一距离上,购买这种装置的人将能够对其加以隐藏。但实际情况是,其中大多数人能在几英里范围内干扰GPS系统,这就造成了问题。”

能够误导GPS接收器、使之误报信息的诈骗装置也并非价格特别昂贵。在2015年的“欧洲黑帽”黑客会议上,来自中国电子商务巨头阿里巴巴集团的团队演示了这种装置可以在花费不到300美元的情况下完成组装。

美国海岸警卫队海洋运输系统前主任达纳·高沃德说:“如果你意识到一个很小的干扰器所能造成的损害,那么就考虑一下安装在气球上飞越城市上空的稍大的干扰器所能造成的影响。”

高沃德和法加分别是弹性导航与授时基金会的会长和副会长。该组织倡导加强GPS安全的政策。几年来,他俩都越来越担心电子干扰袭击可能造成的破坏。使他们的担忧更为可信的是,美国军方报告说,在最近入侵克里米亚期间,俄罗斯利用电子干扰设备给乌克兰的防御系统造成混乱。此外,韩国宣称,朝鲜利用电子干扰破坏韩国的GPS信号接收。

电子干扰并不是GPS专家所担心的唯一威胁。卫星并没有超出物理攻击威胁的范围。2007年,中国成功地试验了一枚能够在轨道上击落卫星的反卫星导弹。多里安上校说,其他国家也正在开发类似的技术。但截至目前,物理攻击还仅仅是一种新出现的威胁。简单的人为失误可能是目前最大的风险。

专家们说,2014年4月2日凌晨1时,格洛纳斯系统(俄罗斯的GPS替代系统)中的每一颗卫星都开始广播乱码,而不是定位信号,这是人为失误所致。这种广播持续了11个小时。

由此造成的混乱期间,阿尔特斯定位系统公司首席执行官尼尔·范坎斯对业内同行《GPS世界》记者说:“我们接到世界各地的顾客电话。他们遇到格洛纳斯系统的中断,我们建议顾客在接收器上关闭格洛纳斯系统的跟踪。关于格洛纳斯系统卫星何时恢复正常服务的问题,我们没有任何更好的信息。如果你有,请告诉我!”

尽管如此,GPS系统从来都没有此类人为问题。这是它要比格洛纳斯或者欧洲新的伽利略协议更受欢迎的一个关键原因。航天司令部引以为自豪的是它在防止人为失误方面的训练。空军的GPS办公室主任斯蒂芬·惠特尼上校说:“在国际会议上,我们所遇到的其他提供商和系统提出的问题归结为,大家都试图弄清我们是怎么做的。显然,GPS系统仍然是全球导航系统方面的黄金标准。”

但人类就是人类。设想一下,一场失误偷偷溜过。依靠GPS系统授时的大多数民用系统都拥有备份系统。海军去年10月成为头条新闻,因为它宣布,自从1998年第一次,它将开始训练海军战士在GPS系统遭遇攻击或者中断情况下利用天文导航系统。

多里安上校说,随着太空竞争日益激烈和新的故意的物理威胁出现,空军正在考虑调整航天司令部的人员编制政策。目前,施里弗基地的GPS团队可能会在几年内调用到其他岗位,从而使编制内人员的平均年龄降低到惊人的23岁。未来的工作团队将保留经验丰富的人员以备随时调用。

空军还在加强GPS系统的信号。GPS系统的安全一直受到较低功率信号的限制。信号强度越弱,其功率就越容易过大,因而有可能对GPS系统进行干扰,甚至利用地面传输设备编造虚假的广播。

2017年,空军准备发射最新一代的GPS III卫星。这些卫星将使信号强度增大,为美军使用的内部频率加密,使之更难以受到干扰。但消费者和其他国家不能使用这一加密信号。新卫星的功率依然很低,因而专家们认为,攻击者仍将有阻碍GPS系统的能力。

GPS系统备份计划
包括高沃德、法加、库里和被公认为GPS系统之父的斯坦福大学教授布拉德·帕金森在内的大多数专家都认为,保护GPS系统的最好方法是建立在该系统中断的任何时候都自动提供信号延续的一个备份系统。用于这一目的的基础设施已经建立起来。

在GPS问世以前,船只的导航使用美国在二战期间开发的罗兰系统(远程导航的简称)。该系统像GPS系统一样,把地面广播站用于类似的跟踪目的。

随着卫星导航系统的应用,罗兰系统失宠。但是,称为电子罗兰的一个现代化版本将提供导航与授时应用方面的充分准确性,以便在更为准确的GPS系统的中断得到调查和丧失作用的时候填补空白。

英国和韩国都把罗兰系统用作GPS系统的备份。美国在2010年预算中差一点就提供了一项罗兰备份系统的拨款。但是,作为削减开支的措施,行政机构的管理与预算办公室在最后取消了罗兰系统的拨款。该办公室认为,罗兰系统与GPS系统的相似性使之变成一项重复服务。该办公室没有对要求其发表评论的请求做出反应。

就削减开支的措施而言,这并不是一项重大举措。GPS系统每年使美国花费大约10亿美元。而罗兰系统在其在美国大陆地区提供服务的头20年内的花费也不到这一数额的一半。帕金森博士说:“这是最经济的解决方案。而我们不加以采用简直是笑话。”

大多数专家一致认为,把罗兰系统用作备份会对干扰GPS系统起到威慑作用。罗兰系统拥有更强的信号,因为它可以依靠常规电厂。因此,使之下线是困难得多的事情。由于这种附加功率,该系统能够提供另外一些好处。比如用户在室内难以接收GPS信号,而罗兰系统则能够穿透最坚固的建筑物。

自从罗兰系统备份第一次从预算中取消以来,高沃德一直为恢复该系统进行游说。但他认为,国会把该系统的低费用与其作为次要问题混为一谈。高沃德说:“我在国会的一次会议上说:‘我们只花4000万美元就能获得解决办法。’国会议员加拉门迪开玩笑说:‘我们不处理这样小的数字。’”他说,这位加州民主党众议员从此以后就成了电子罗兰系统的积极支持者,甚至协助通过了为此提供拨款的一项法案。

高沃德说,经常有国际GPS组织与他接触,问为什么美国不在这一问题上发挥带头作用。采用罗兰系统的潜能正在悄悄溜走,在法国和挪威,这种潜能已经消逝,因为这2个国家都于去年年底关闭了罗兰系统,改用伽利略卫星导航。伽利略系统在诈骗与电子干扰面前具有与美国系统的相同漏洞。

虽然施里弗空军基地的航天司令部人员已经证明,他们有能力确保提供GPS服务的卫星的安全,但GPS系统之父帕金森却说,确保维护GPS系统的真正途径是寻求法律上的解决方案。他说,如果立法机构签署阻止一个有效的备份系统的立法,这个无所不在的导航系统仍然处于风险之中。“保障GPS系统所面临的最大威胁也许是政策制定者签署不该签署的文件。”(编译/尹宏义)

GPS卫星发射
2014年美国成功发射“阿特拉斯5”火箭,携带全球定位卫星。

太空卫星定位系统展开比拼。

新闻背景
7月16日,美国宇宙神-5火箭成功发射了美国空军的第10颗GPS-2F导航卫星,第11颗GPS-2F卫星的发射预计不早于今年10月30日,最后一颗GPS-2F卫星预计将在2016年2月发射。届时,目前最先进的美国GPS-2F导航卫星将全部发射完毕。

GPS定位最快仅需几秒
在许多美国电影中,间谍或被追踪的人身上被植入装有GPS的芯片,这些人无论走到哪里,都能被准确地定位。这并不是天方夜谭。自1978年10月6日美国第一颗GPS卫星上天以来,已有多颗各种类型的GPS导航卫星被发射。GPS是军民两用卫星导航系统,但优先为军方服务。

从海湾战争开始到现在,美国的一切军事行动几乎都与卫星定位系统有关。其中在军事上至少有5项重要用途:为舰艇、飞机等武器平台提供导航定位服务;协助武器系统实现精确打击;帮助部队规划进攻线路;支持人员救援行动;提高卫星自主定轨能力。

不过,导航卫星的军用与民用在技术原理上并不存在本质区别,但军用导航卫星更强调信号的保密性、抗干扰能力和定位精度。

GPS导航星座由24颗工作卫星和数颗备份卫星组成。这些卫星运行在6个等间隔的、倾角为55°的近圆形轨道平面上,每个轨道平面上有4颗工作卫星。采用这种方式,可保证任何地点的用户随时能同时接收至少4颗卫星播发的测距信号和星历表数据,从而获得准确的三维坐标、速度和时间信息。一次定位仅用几秒到几十秒。

2010年开始陆续发射的12颗GPS-2F卫星有不少重大改进。它使用了先进的原子钟,系统误差仅为每天8纳秒;增加了一个抗干扰的军事信号,且导航信号功率可调,因而具有更强的抗干扰能力;采用了星间链路和自主导航新技术,使卫星能自主运行60~180天;设计寿命达12~15年,可降低成本;抗核打击能力也有所提高。简言之,GPS-2F
为GPS星座带来的新能力,使美国许多武器如虎添翼,精确打击能力进一步提高。

“导航战”已拉开大幕

美军GPS卫星导航系统在伊拉克战争中遇到了干扰机的干扰,标志着“导航战”序幕已经拉开。现在,随着GPS在战争中的巨大作用不断显现,美军对GPS的依赖越来越强,对GPS的抗干扰能力也越来越担心。为了保证美国军队能可靠使用GPS,同时防止敌对国家在战时使用,美国决定开展“导航战”。

美国“导航战”的核心内容:一是保证GPS导航系统正常运行,友军能充分利用GPS导航的优势;二是不让敌方使用自己的导航信息;三是阻止敌方导航卫星系统的正常运行。
摧毁或使敌方卫星导航系统瘫痪目前有以下手段:干扰GPS接收机接收信号,破坏地面台站,使用反卫星武器。地面台站的任务是跟踪和监视GPS卫星,实施对卫星轨道控制及参数修正,保证卫星导航的数据质量。所以,通过攻击敌人地面台站,可使卫星的星历无法更新,从而影响卫星发布的导航信号精度。用反卫星武器来直接摧毁导航卫星,可切断发布导航信息的信号。

发展成本低廉的干扰机,同样能达到最大的破坏效果,这也是弱国对付强国,特别是对导航卫星依赖严重的国家的有效手段。伊拉克就抓住了这一点,在伊拉克战争中用从俄罗斯购买的GPS干扰机,干扰美国卫星制导炮弹,使它们没有打到预定的地点,误炸事件也屡有发生。

不过,用微波武器或其它强力干扰信号制造强烈的背景干扰,使用户无法获得卫星导航信号,是目前GPS最大的天敌。因为GPS精确制导武器现已成为最具威慑力的武器,是武器效果的倍增器,但假如导弹突然失去所依赖的卫星导航信息,天知道它会飞向何处。

虽然卫星导航定位系统非常复杂、昂贵,但GPS干扰设备技术非常简单,研制它毫无困难。能在16千米半径内使GPS发生偏差的干扰机或诱骗机,可以用零售商店就能买到的零件制作出来,而其费用还不到400美元。

现代战争的“杀手锏”

研制GPS最初的目的就是为舰艇和飞机等提供导航定位服务。因为在远离发射台的海域、内陆或空域,只有卫星导航能使舰艇和飞机在全球任意区域得到全天候的导航服务。
正因如此,在战争中,配备GPS接收机的单兵能够准确地实施夜间机动作战;炮兵部队可利用GPS确定射击方位;坦克可利用GPS实施高速准确的机动及实现与加油车的快速对接;空军可利用GPS实现数千架次的空中机动,选择最佳飞行路线。卫星导航,已越来越成为现代战争能够制胜的“杀手锏”。

对于在异国他乡作战的部队,如果参战各分队间不能明确相互之间的位置,会造成进攻线路上的交叉、重叠或脱节,严重影响作战进程,甚至可能导致敌我不分,或者失败的命运。在各战区使用GPS接收机,可明确各自所处位置,规划出最有利的进攻线路,引导部队机动,召唤火力打击,迅速准确地完成攻击,使“不同时间、不同地点、同时到达”的联合作战思想得以实现。

GPS还能迅速而准确地实施救援行动,当执行任务的飞机被击落时,飞行员可通过佩戴装有GPS接收机的无线电发射机,使救援飞机马上捕获到呼救信号,并迅速将飞行员救出。

采用GPS制导的降落伞空投,与常规空投相比有很多优点:一是大大增强了空投的灵活性,飞行员只需飞近空投区投下物品即可离去,大大提高了飞行员及飞机的安全性;二是可在相对较高的高空进行投放却能确保空投精度,使飞机远离敌人地面火力攻击;三是落点准确。

精确打击现已成为现代战争的一个重要特征。GPS在军事上的最重要应用就是精确制导,它使弹药具有“百步穿针”之功。研究和实战表明,如果使弹药命中精度提高1倍,相当于使弹药数量增加3倍,或者TNT当量增大7倍。用卫星导航制导弹药不仅不需用地毯式轰炸,节省弹药,还大大减轻了附带损伤,做到只打击隐藏在桥梁和民宅附近的坦克,而不会损伤建筑物。

未来趋势
抗干扰 降成本

GPS系统是美国军事定位导航与授时能力的基础与核心,未来美国的军事定位导航与授时能力仍以GPS系统为主,由广泛分布于陆、海、空、天、网的自主导航能力、区域导航能力为补充的定位导航与授时体系提供,以满足未来强对抗战场环境下,对高精度定位导航的需求。

在伊拉克战争期间,伊拉克点燃石油以遮蔽目标,美军采用激光制导、红外制导和电视制导等精确打击武器都受到了极大的妨碍,而采用GPS制导的武器却丝毫不受影响。GPS制导武器能在各种恶劣环境中发挥独特作用,其特点是全天候、全天时、高精度工作。这样不仅使武器的命中率大为提高,也让“不接触作战”、“外科手术式打击”成为可能。

由于GPS能为美军提供最重要的、覆盖全球的高精度定位导航与授时能力,所以美国将继续提升GPS系统的服务性能,增强GPS系统的导航战能力,重点是抗干扰抗欺骗能力。下一步,美国将发射性能更高的GPS-3导航卫星。

目前,美军还在研发选择可用性抗欺骗技术,以装备未来美军更先进的GPS接收机,使GPS组合导航设备的抗干扰能力由目前最高50分贝提高到80分贝。另外,降低成本也是未来GPS的重要趋势,为此,美国拟采用“一箭双星”的方式来发射GPS-3,并研制GPS小卫星。

为了不让敌方使用自己的导航信息,美国对GPS导航信号采取加密、分级使用等手段。虽然美国通过公布民用导航信号格式来占领市场,但它对军用导航信号格式严格保密,不到关键时刻决不轻易使用,即便在海湾战争和“盟军”行动中,美国也仅仅使用民用导航信号。而且,美国国防部还具备随时降低GPS导航信号精度,甚至是中止发布GPS导航信号的能力。