世界经济依赖GPS运转 要有备用的系统

    在计时系统出错的那一天，杜克·巴克纳（Duke Buckner）在以色列特拉维夫的Renaissance Tel Aviv酒店享用早餐。他在美国通信和国防承包商Microsemi负责市场和业务拓展工作，他收到了一封有关公司设备错误报告的电子邮件。他很少一天内收到一封以上这样的邮件，但在2016年1月26日的早上，他的电子邮箱被它们挤爆了。他忘了吃早餐。
　　那些投诉报告与Microsemi为全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）打造的定时接收器有关。GPS定位是一种无处不在的卫星导航技术，当初是专为美国军方而设计的，如今已经出现在了我们所有人口袋中的智能手机上面。GPS定位不只是用于地图。它也是一种巨大的星载时钟。地球上的计算机都用它来确定时间，准确到十亿分之一秒。那些计算机之间在时间上哪怕是出现微乎其微的分歧，一切的运转都会随之崩溃。
　　正是由于这种差异，Microsemi的定时接收器疯狂地发出错误消息。巴克纳说，“正常运转的情况下，这些东西几年都不会引起警报。而当它频繁出错的时候，人们就会完全不知所措。”在接下来的11个小时里，手机信号塔失去了连接，美国警方和消防站报告通信错误，BBC无线电信号被中断，跟踪地球轨道上的小行星的望远镜失灵。
　　根本原因就是GPS网络发生了故障。当操作31颗卫星的美国空军关闭了一颗旧卫星，并将其数据库值调零时，它意外地引起数据库出现微小的错误，从而扭曲了数据。在巴克纳的电子邮箱开始要爆之时，几颗卫星在传输糟糕的计时数据，运行速度慢了1370万分之一秒。
　　每一颗卫星都有几个原子钟，原子钟通过跟踪其核心电子从一个能态跃迁到另一个能态的频率来测量时间。然后，卫星将这些数据连同它们在轨道上的位置信息传输到地球。在地面上，你手机里的GPS接收器依靠那些计算的稳定性来确定你在哪里，最近的一家餐馆在哪里，等等。
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　　依赖于GPS
　　自从美国国防部2000年开始向公众提供GPS定位服务以来，全球经济的运转变得依赖于GPS。全球有20亿个GPS接收器正在使用，据欧洲的卫星导航机构估计，到2022年这个数字将达到70亿。与通讯行业一样，银行、航空、电力、云计算和电视广播等行业领域也都需要持续的GPS定时。紧急服务部门和军队也是如此。美国国土安全部已认定16个基础设施部门为“关键部门”，其中14个部门依赖GPS。
　　其他的一些卫星导航系统正在研究当中，或者有备用的系统：Galileo?（由欧盟运作）、GLONASS（俄罗斯）和北斗卫星导航系统（中国）。不过，只有俄罗斯的系统号称拥有全球覆盖范围。
　　大多数的关键服务和金融市场都有备用方案——它们自己的原子钟，或者是连接工具。但其中一些备用系统也依赖于GPS定时，可能只能持续运行几分钟。“GPS是整个现代经济的一个失败的地方，”加州民主党人约翰·加拉门迪（John Garamendi）说。作为众议院军事委员会和交通与基础设施委员会的成员，他多年来一直在就这方面的风险提出警告。
　　破坏巴克纳的早餐时光的连续11个小时的混乱，不过是问题的冰山一角。毕竟，那是大意的错误所致，而不是针对GPS网络的协同攻击。然而，自那以后，美国政客们在保护该系统方面却几乎没有什么作为。
　　除了加拉门迪以外，非营利组织Resilient Navigation&Timing Foundation的负责人德纳·高厄德（Dana Goward）也在高调呼吁填补GPS的缺陷。该组织成立于2013年，获国防承包商和相关公司的支持。高厄德曾是海岸警卫队的一名直升机飞行员，当被问及GPS大范围中断意味着什么时，他毫不含糊地指出，这就像在9·11事件发生前无视强化飞机驾驶舱舱门的警告，或者在卡特里娜飓风来袭前无视新奥尔良脆弱的防洪堤的警报：“人们将会死亡。”
　　施里弗空军基地是太空作战中队（以下简称“2SOPS”）的所在地，在科罗拉多斯普林斯以东几英里。2SOPS在一个房间运作GPS网络，房间外有两个密码门、一位武装警卫、车道上阻止车辆驶入的障碍物、以及三个铁丝网围栏。
　　6月的一天，在运营中心，八名身着制服的航空兵和两名民用承包商正准备进行“预通过”（pre-pass）——这是一项常规测试，旨在确保卫星能够正常通信。每个航空兵都有机密工作或者机密工作的许可，访客也要通过背景检查。
　　“预通过SV 15！”卫星系统操作员说。
　　“C/L1-8步骤4，注意听指令准备预通过。”中心主管回答道。
　　“现在系统处于活跃状态，SV 15，CAPE A字符串，SSO 1，DIEGO的交替可见性，VSOH/NAV/MOD/GBD，没有适用的CIFs/TPs。”卫星系统操作员说。
　　2SOPS通常每24小时向每一颗卫星发送一次新的导航信息，以确保准确无误。他们利用一个由位于全球各地的11个天线组成的网络。期间，该团队根据航空兵每隔1.5秒钟发来的导航和定时信号，监测GPS网络的异常状况和缺陷。领导2SOPS的陆军中校斯蒂芬·托特（Stephen Toth）说，这种重复性的工作可能会让人变得漫不经心。“重复性工作会让人志得意满。”他说道，“你需要集中注意力，以确保避免问题悄然发生的情况。”
　　各种扰乱卫星的因素
　　除了数据库中的一些杂散数字以外，还有很多东西可以打乱卫星的运转。比如太阳耀斑和太空碎片，或许，还包括敌对的外国势力。2007年，中国用一颗导弹摧毁了它的一颗老化的气象卫星，之后五角大楼开始将这些卫星本身视为潜在的被攻击目标。据说，朝鲜、伊朗和俄罗斯也开发了卫星摧毁武器。为了防范黑客攻击，2SOPS增设了网络防御操作员的职位，军方正在拓展与卫星运营相关的培训。
　　今年6月，特朗普总统出人意料地在国家太空委员会的一次会议上宣布，他打算创建一支太空部队。这会是美军的第六分支，用以补充空军。不过，国防部长并不赞同，该举可能很难获得国会的批准。国会去年就拒绝过这样的提议。但美国面临的威胁并不难想象，而且美国对它们准备不足。对于俄罗斯战机与美国战机在叙利亚上空过于接近，或者美国海军舰艇在中国海域搁浅的情况，有协议和国际协议规定该如何应对，但要是遇到外国卫星的活动看上去可能存在敌意的情况，该怎么应对呢？这方面并没有什么规则手册可供参考。
　　在接收器方面，GPS定位信号弱到可以被手机基站上的鸽子屎所遮盖——或者不法分子使用容易获得的硬件设备就能实施干扰。尽管市面上的数百种信号干扰设备在大多数国家都是违禁设备，但欧洲全球导航卫星系统署过去两年共计记录到了大约5万起蓄意干扰事件，其中多数是因为卡车司机和网约车司机想要在休息时间向雇主隐藏自己的位置。据推测，2016年7月和8月，在马尼拉的尼诺阿基诺国际机场，40多架客机因为受到干扰而在即将降落到跑道时失去了GPS定位信号。所有的飞机都依靠肉眼观察安全着陆，但当地的天气并不总是那么理想。
　　在地面上阴险的策略是GPS电子欺骗，即使用恶意软件广播虚假信号，比如让飞机上的接收器误以为它在某个地方，但实际上它在另一个地点上。德克萨斯大学奥斯汀分校的航空工程学教授托德·汉弗莱斯（Todd Humphreys）表示，这种欺骗手段“肯定会对Uber车辆、Waymo自动驾驶汽车、亚马逊的送货无人机以及其他设备的运作产生不利影响”。
　　在金融世界里，哪怕是程度很小的电子欺骗活动，都有可能会搞砸从便利店的信用卡读卡器到整个纽约证券交易所的一切。“如果你大幅改动基准时间，所有人都会注意到。”纽交所前网络服务负责人安德鲁·巴赫（Andrew Bach）表示，“而人们担心的是，如果有人为了给金融行业的运作制造混乱而稍稍地将时间调前或者调后，会引发什么样的后果？”尽管大多数的华尔街大公司都有部署自己的原子钟，将其作为GPS定时的备用系统，但哪怕GPS只是出现细微的异常，都可能会惊动主宰高频交易世界的算法，进而引发市场出现大规模的抛售。
　　对于五角大楼来说，敌对的势力发起电子欺骗活动也是一个威胁。在2012年的一次演示活动中，汉弗莱斯和同事给一架无人机提供了错误的GPS坐标，将它带离预定路线，进而完成对其的劫持，美国国土安全部官员们看后震惊不已。一位知情人士说，俄罗斯军队能够在叙利亚和黑海上空对无人机实施电子欺骗。
　　美国空军表示，防范电子欺骗并不是它的职责，2SOPS只是负责维护GPS网络的信号，而不是确保接收器能够读取准确的信息。然而，没有其他的政府机构负责减少信号干扰和电子欺骗的影响。开发相关的反电子欺骗防火墙以及维持它们的更新的重任，落在了像Microsemi这样的企业身上。国土安全部说，它向关键基础设施的运营商提供支持和专业的技术知识，但只有它们提出要求才会提供。该部门表示，主要依靠企业来确保他们有备用计划。
　　在游说者高厄德看来，这是不现实的。他表示：“我们接触过的各个行业的人都认为这是政府的责任，除了核心的金融服务以外，我们所知道的任何一个行业都无法承受任何重要时段的任何重大破坏。”他补充道，企业的态度似乎是一种同归于尽的态度：“我不会受到谴责。空军或政府会受到谴责。那我为什么要花钱去研发呢？”
　　新一代GPS卫星
　　在科罗拉多州沃特顿空军基地以北一小时的车程距离处，洛克希德马丁公司有一个可以追溯到1955年的基地。当年，这块被隔离的地方用于导弹测试。如今，在现场的185座建筑中，该公司最近建造了一个耗资1.28亿美元、面积4万平方英尺的洁净室。在里面，六名员工穿着长及小腿的外套、发罩和鞋套，这些装备全都是防静电的，不起毛的，他们正在组装下一代GPS卫星。外面有武装警卫守着。
　　美国空军已经批准了GPS 3卫星的发射，洛克希德希望今年夏天另一颗卫星在洁净室外的三层门后面完成真空测试后也能获批发射。这些测试利用泵和冷空气或热空气模拟外太空的环境，产生低压和从-238F到302F范围的温度。
　　GPS 3卫星的设计寿命为15年，比当前的一代长25%。由于小心仔细的燃料管理，当前的一代GPS卫星已经远远超过了它们的预期寿命。GPS 3卫星还提供强烈8倍的信号，这使得它更难被干扰，其定位准确度也达到原来的三倍。但它们仍缺乏市场上的两种反电子欺骗技术——两种技术本质上都是额外的安全层，用于检测攻击，并证明信号和导航消息是没问题的。美国空军太空司令部的两名上校同意接受采访讨论GPS漏洞问题，但采访在预定时间的前一天取消了。一位发言人说，取消采访是“出于对当前的环境和某些问题的敏感性的考虑”，其中一种加密方法“目前正在研究当中”。
　　还是有备用系统靠谱些
　　加拉门迪说，虽然如果政府采用更好的加密技术会有所帮助，但相比之下，减少世界经济对GPS的依赖会来得更加安全。多年来，他一直在推动联邦政府建立一个名为“增强型远距离无线电导航系统”（eLoran）的陆基无线电网络作为备用。它提供的信号会比GPS更加强，国会估计这将需要花费掉纳税人2亿美元。韩国方面表示，到2020年它将实现eLoran网络覆盖。
　　美国在建立备用系统方面一直都没有什么实质性的行动，尽管军方官员早在1997年便向国会议员简要介绍了GPS的脆弱性。2008年，乔治·布什（George W. Bush）的国土安全部团队宣布建立eLoran系统的计划，但第二年，由于深受经济衰退困扰，巴拉克·奥巴马（Barack Obama）将相关经费从他的预算案中移除，此后该计划再也没有出现过。特朗普政府的国土安全部定位、导航和计时办公室主任詹姆斯·普拉特（James Platt）表示，他的办公室应该在开始评估eLoran是否为最佳选择之前，先确定备用系统的要求。
　　面对这种局面，民主党国会议员Garamendi试图在没有得到国土安全部支持的情况下将开发经费并入军事开支法案。他说，“纯粹是联邦机构不愿承担新的任务。”如果他们不那么做的话，那么特朗普的太空部队将来很可能会出现盲目飞行的情况——然后杜克·巴克纳就可以卖出很多的原子钟。并不是说他非常乐于看到这种情况。