世界經(jīng)濟(jì)依賴GPS運(yùn)轉(zhuǎn) 要有備用的系統(tǒng)

    在計(jì)時(shí)系統(tǒng)出錯(cuò)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(guó)通信和國(guó)防承包商Microsemi負(fù)責(zé)市場(chǎng)和業(yè)務(wù)拓展工作，他收到了一封有關(guān)公司設(shè)備錯(cuò)誤報(bào)告的電子郵件。他很少一天內(nèi)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(bào)告與Microsemi為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS）打造的定時(shí)接收器有關(guān)。GPS定位是一種無(wú)處不在的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，當(dāng)初是專為美國(guó)軍方而設(shè)計(jì)的，如今已經(jīng)出現(xiàn)在了我們所有人口袋中的智能手機(jī)上面。GPS定位不只是用于地圖。它也是一種巨大的星載時(shí)鐘。地球上的計(jì)算機(jī)都用它來(lái)確定時(shí)間，準(zhǔn)確到十億分之一秒。那些計(jì)算機(jī)之間在時(shí)間上哪怕是出現(xiàn)微乎其微的分歧，一切的運(yùn)轉(zhuǎn)都會(huì)隨之崩潰。
　　正是由于這種差異，Microsemi的定時(shí)接收器瘋狂地發(fā)出錯(cuò)誤消息。巴克納說(shuō)，“正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，這些東西幾年都不會(huì)引起警報(bào)。而當(dāng)它頻繁出錯(cuò)的時(shí)候，人們就會(huì)完全不知所措。”在接下來(lái)的11個(gè)小時(shí)里，手機(jī)信號(hào)塔失去了連接，美國(guó)警方和消防站報(bào)告通信錯(cuò)誤，BBC無(wú)線電信號(hào)被中斷，跟蹤地球軌道上的小行星的望遠(yuǎn)鏡失靈。
　　根本原因就是GPS網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了故障。當(dāng)操作31顆衛(wèi)星的美國(guó)空軍關(guān)閉了一顆舊衛(wèi)星，并將其數(shù)據(jù)庫(kù)值調(diào)零時(shí)，它意外地引起數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)微小的錯(cuò)誤，從而扭曲了數(shù)據(jù)。在巴克納的電子郵箱開(kāi)始要爆之時(shí)，幾顆衛(wèi)星在傳輸糟糕的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，運(yùn)行速度慢了1370萬(wàn)分之一秒。
　　每一顆衛(wèi)星都有幾個(gè)原子鐘，原子鐘通過(guò)跟蹤其核心電子從一個(gè)能態(tài)躍遷到另一個(gè)能態(tài)的頻率來(lái)測(cè)量時(shí)間。然后，衛(wèi)星將這些數(shù)據(jù)連同它們?cè)谲壍郎系奈恢眯畔鬏數(shù)降厍?。在地面上，你手機(jī)里的GPS接收器依靠那些計(jì)算的穩(wěn)定性來(lái)確定你在哪里，最近的一家餐館在哪里，等等。
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　　依賴于GPS
　　自從美國(guó)國(guó)防部2000年開(kāi)始向公眾提供GPS定位服務(wù)以來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)變得依賴于GPS。全球有20億個(gè)GPS接收器正在使用，據(jù)歐洲的衛(wèi)星導(dǎo)航機(jī)構(gòu)估計(jì)，到2022年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到70億。與通訊行業(yè)一樣，銀行、航空、電力、云計(jì)算和電視廣播等行業(yè)領(lǐng)域也都需要持續(xù)的GPS定時(shí)。緊急服務(wù)部門和軍隊(duì)也是如此。美國(guó)國(guó)土安全部已認(rèn)定16個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施部門為“關(guān)鍵部門”，其中14個(gè)部門依賴GPS。
　　其他的一些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在研究當(dāng)中，或者有備用的系統(tǒng)：Galileo?（由歐盟運(yùn)作）、GLONASS（俄羅斯）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（中國(guó)）。不過(guò)，只有俄羅斯的系統(tǒng)號(hào)稱擁有全球覆蓋范圍。
　　大多數(shù)的關(guān)鍵服務(wù)和金融市場(chǎng)都有備用方案——它們自己的原子鐘，或者是連接工具。但其中一些備用系統(tǒng)也依賴于GPS定時(shí)，可能只能持續(xù)運(yùn)行幾分鐘?！癎PS是整個(gè)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的一個(gè)失敗的地方，”加州民主黨人約翰·加拉門迪（John Garamendi）說(shuō)。作為眾議院軍事委員會(huì)和交通與基礎(chǔ)設(shè)施委員會(huì)的成員，他多年來(lái)一直在就這方面的風(fēng)險(xiǎn)提出警告。
　　破壞巴克納的早餐時(shí)光的連續(xù)11個(gè)小時(shí)的混亂，不過(guò)是問(wèn)題的冰山一角。畢竟，那是大意的錯(cuò)誤所致，而不是針對(duì)GPS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同攻擊。然而，自那以后，美國(guó)政客們?cè)诒Ｗo(hù)該系統(tǒng)方面卻幾乎沒(méi)有什么作為。
　　除了加拉門迪以外，非營(yíng)利組織Resilient Navigation&Timing Foundation的負(fù)責(zé)人德納·高厄德（Dana Goward）也在高調(diào)呼吁填補(bǔ)GPS的缺陷。該組織成立于2013年，獲國(guó)防承包商和相關(guān)公司的支持。高厄德曾是海岸警衛(wèi)隊(duì)的一名直升機(jī)飛行員，當(dāng)被問(wèn)及GPS大范圍中斷意味著什么時(shí)，他毫不含糊地指出，這就像在9·11事件發(fā)生前無(wú)視強(qiáng)化飛機(jī)駕駛艙艙門的警告，或者在卡特里娜颶風(fēng)來(lái)襲前無(wú)視新奧爾良脆弱的防洪堤的警報(bào)：“人們將會(huì)死亡。”
　　施里弗空軍基地是太空作戰(zhàn)中隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“2SOPS”）的所在地，在科羅拉多斯普林斯以東幾英里。2SOPS在一個(gè)房間運(yùn)作GPS網(wǎng)絡(luò)，房間外有兩個(gè)密碼門、一位武裝警衛(wèi)、車道上阻止車輛駛?cè)氲恼系K物、以及三個(gè)鐵絲網(wǎng)圍欄。
　　6月的一天，在運(yùn)營(yíng)中心，八名身著制服的航空兵和兩名民用承包商正準(zhǔn)備進(jìn)行“預(yù)通過(guò)”（pre-pass）——這是一項(xiàng)常規(guī)測(cè)試，旨在確保衛(wèi)星能夠正常通信。每個(gè)航空兵都有機(jī)密工作或者機(jī)密工作的許可，訪客也要通過(guò)背景檢查。
　　“預(yù)通過(guò)SV 15！”衛(wèi)星系統(tǒng)操作員說(shuō)。
　　“C/L1-8步驟4，注意聽(tīng)指令準(zhǔn)備預(yù)通過(guò)。”中心主管回答道。
　　“現(xiàn)在系統(tǒng)處于活躍狀態(tài)，SV 15，CAPE A字符串，SSO 1，DIEGO的交替可見(jiàn)性，VSOH/NAV/MOD/GBD，沒(méi)有適用的CIFs/TPs?！毙l(wèi)星系統(tǒng)操作員說(shuō)。
　　2SOPS通常每24小時(shí)向每一顆衛(wèi)星發(fā)送一次新的導(dǎo)航信息，以確保準(zhǔn)確無(wú)誤。他們利用一個(gè)由位于全球各地的11個(gè)天線組成的網(wǎng)絡(luò)。期間，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)航空兵每隔1.5秒鐘發(fā)來(lái)的導(dǎo)航和定時(shí)信號(hào)，監(jiān)測(cè)GPS網(wǎng)絡(luò)的異常狀況和缺陷。領(lǐng)導(dǎo)2SOPS的陸軍中校斯蒂芬·托特（Stephen Toth）說(shuō)，這種重復(fù)性的工作可能會(huì)讓人變得漫不經(jīng)心?！爸貜?fù)性工作會(huì)讓人志得意滿?！彼f(shuō)道，“你需要集中注意力，以確保避免問(wèn)題悄然發(fā)生的情況?！?br /> 　　各種擾亂衛(wèi)星的因素
　　除了數(shù)據(jù)庫(kù)中的一些雜散數(shù)字以外，還有很多東西可以打亂衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)。比如太陽(yáng)耀斑和太空碎片，或許，還包括敵對(duì)的外國(guó)勢(shì)力。2007年，中國(guó)用一顆導(dǎo)彈摧毀了它的一顆老化的氣象衛(wèi)星，之后五角大樓開(kāi)始將這些衛(wèi)星本身視為潛在的被攻擊目標(biāo)。據(jù)說(shuō)，朝鮮、伊朗和俄羅斯也開(kāi)發(fā)了衛(wèi)星摧毀武器。為了防范黑客攻擊，2SOPS增設(shè)了網(wǎng)絡(luò)防御操作員的職位，軍方正在拓展與衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)相關(guān)的培訓(xùn)。
　　今年6月，特朗普總統(tǒng)出人意料地在國(guó)家太空委員會(huì)的一次會(huì)議上宣布，他打算創(chuàng)建一支太空部隊(duì)。這會(huì)是美軍的第六分支，用以補(bǔ)充空軍。不過(guò)，國(guó)防部長(zhǎng)并不贊同，該舉可能很難獲得國(guó)會(huì)的批準(zhǔn)。國(guó)會(huì)去年就拒絕過(guò)這樣的提議。但美國(guó)面臨的威脅并不難想象，而且美國(guó)對(duì)它們準(zhǔn)備不足。對(duì)于俄羅斯戰(zhàn)機(jī)與美國(guó)戰(zhàn)機(jī)在敘利亞上空過(guò)于接近，或者美國(guó)海軍艦艇在中國(guó)海域擱淺的情況，有協(xié)議和國(guó)際協(xié)議規(guī)定該如何應(yīng)對(duì)，但要是遇到外國(guó)衛(wèi)星的活動(dòng)看上去可能存在敵意的情況，該怎么應(yīng)對(duì)呢？這方面并沒(méi)有什么規(guī)則手冊(cè)可供參考。
　　在接收器方面，GPS定位信號(hào)弱到可以被手機(jī)基站上的鴿子屎所遮蓋——或者不法分子使用容易獲得的硬件設(shè)備就能實(shí)施干擾。盡管市面上的數(shù)百種信號(hào)干擾設(shè)備在大多數(shù)國(guó)家都是違禁設(shè)備，但歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)署過(guò)去兩年共計(jì)記錄到了大約5萬(wàn)起蓄意干擾事件，其中多數(shù)是因?yàn)榭ㄜ囁緳C(jī)和網(wǎng)約車司機(jī)想要在休息時(shí)間向雇主隱藏自己的位置。據(jù)推測(cè)，2016年7月和8月，在馬尼拉的尼諾阿基諾國(guó)際機(jī)場(chǎng)，40多架客機(jī)因?yàn)槭艿礁蓴_而在即將降落到跑道時(shí)失去了GPS定位信號(hào)。所有的飛機(jī)都依靠肉眼觀察安全著陸，但當(dāng)?shù)氐奶鞖獠⒉豢偸悄敲蠢硐搿?br /> 　　在地面上陰險(xiǎn)的策略是GPS電子欺騙，即使用惡意軟件廣播虛假信號(hào)，比如讓飛機(jī)上的接收器誤以為它在某個(gè)地方，但實(shí)際上它在另一個(gè)地點(diǎn)上。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的航空工程學(xué)教授托德·漢弗萊斯（Todd Humphreys）表示，這種欺騙手段“肯定會(huì)對(duì)Uber車輛、Waymo自動(dòng)駕駛汽車、亞馬遜的送貨無(wú)人機(jī)以及其他設(shè)備的運(yùn)作產(chǎn)生不利影響”。
　　在金融世界里，哪怕是程度很小的電子欺騙活動(dòng)，都有可能會(huì)搞砸從便利店的信用卡讀卡器到整個(gè)紐約證券交易所的一切。“如果你大幅改動(dòng)基準(zhǔn)時(shí)間，所有人都會(huì)注意到?！奔~交所前網(wǎng)絡(luò)服務(wù)負(fù)責(zé)人安德魯·巴赫（Andrew Bach）表示，“而人們擔(dān)心的是，如果有人為了給金融行業(yè)的運(yùn)作制造混亂而稍稍地將時(shí)間調(diào)前或者調(diào)后，會(huì)引發(fā)什么樣的后果？”盡管大多數(shù)的華爾街大公司都有部署自己的原子鐘，將其作為GPS定時(shí)的備用系統(tǒng)，但哪怕GPS只是出現(xiàn)細(xì)微的異常，都可能會(huì)驚動(dòng)主宰高頻交易世界的算法，進(jìn)而引發(fā)市場(chǎng)出現(xiàn)大規(guī)模的拋售。
　　對(duì)于五角大樓來(lái)說(shuō)，敵對(duì)的勢(shì)力發(fā)起電子欺騙活動(dòng)也是一個(gè)威脅。在2012年的一次演示活動(dòng)中，漢弗萊斯和同事給一架無(wú)人機(jī)提供了錯(cuò)誤的GPS坐標(biāo)，將它帶離預(yù)定路線，進(jìn)而完成對(duì)其的劫持，美國(guó)國(guó)土安全部官員們看后震驚不已。一位知情人士說(shuō)，俄羅斯軍隊(duì)能夠在敘利亞和黑海上空對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施電子欺騙。
　　美國(guó)空軍表示，防范電子欺騙并不是它的職責(zé)，2SOPS只是負(fù)責(zé)維護(hù)GPS網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，而不是確保接收器能夠讀取準(zhǔn)確的信息。然而，沒(méi)有其他的政府機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)減少信號(hào)干擾和電子欺騙的影響。開(kāi)發(fā)相關(guān)的反電子欺騙防火墻以及維持它們的更新的重任，落在了像Microsemi這樣的企業(yè)身上。國(guó)土安全部說(shuō)，它向關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)商提供支持和專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，但只有它們提出要求才會(huì)提供。該部門表示，主要依靠企業(yè)來(lái)確保他們有備用計(jì)劃。
　　在游說(shuō)者高厄德看來(lái)，這是不現(xiàn)實(shí)的。他表示：“我們接觸過(guò)的各個(gè)行業(yè)的人都認(rèn)為這是政府的責(zé)任，除了核心的金融服務(wù)以外，我們所知道的任何一個(gè)行業(yè)都無(wú)法承受任何重要時(shí)段的任何重大破壞。”他補(bǔ)充道，企業(yè)的態(tài)度似乎是一種同歸于盡的態(tài)度：“我不會(huì)受到譴責(zé)。空軍或政府會(huì)受到譴責(zé)。那我為什么要花錢去研發(fā)呢？”
　　新一代GPS衛(wèi)星
　　在科羅拉多州沃特頓空軍基地以北一小時(shí)的車程距離處，洛克希德馬丁公司有一個(gè)可以追溯到1955年的基地。當(dāng)年，這塊被隔離的地方用于導(dǎo)彈測(cè)試。如今，在現(xiàn)場(chǎng)的185座建筑中，該公司最近建造了一個(gè)耗資1.28億美元、面積4萬(wàn)平方英尺的潔凈室。在里面，六名員工穿著長(zhǎng)及小腿的外套、發(fā)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(wèi)星。外面有武裝警衛(wèi)守著。
　　美國(guó)空軍已經(jīng)批準(zhǔn)了GPS 3衛(wèi)星的發(fā)射，洛克希德希望今年夏天另一顆衛(wèi)星在潔凈室外的三層門后面完成真空測(cè)試后也能獲批發(fā)射。這些測(cè)試?yán)帽煤屠淇諝饣驘峥諝饽M外太空的環(huán)境，產(chǎn)生低壓和從-238F到302F范圍的溫度。
　　GPS 3衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為15年，比當(dāng)前的一代長(zhǎng)25%。由于小心仔細(xì)的燃料管理，當(dāng)前的一代GPS衛(wèi)星已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它們的預(yù)期壽命。GPS 3衛(wèi)星還提供強(qiáng)烈8倍的信號(hào)，這使得它更難被干擾，其定位準(zhǔn)確度也達(dá)到原來(lái)的三倍。但它們?nèi)匀狈κ袌?chǎng)上的兩種反電子欺騙技術(shù)——兩種技術(shù)本質(zhì)上都是額外的安全層，用于檢測(cè)攻擊，并證明信號(hào)和導(dǎo)航消息是沒(méi)問(wèn)題的。美國(guó)空軍太空司令部的兩名上校同意接受采訪討論GPS漏洞問(wèn)題，但采訪在預(yù)定時(shí)間的前一天取消了。一位發(fā)言人說(shuō)，取消采訪是“出于對(duì)當(dāng)前的環(huán)境和某些問(wèn)題的敏感性的考慮”，其中一種加密方法“目前正在研究當(dāng)中”。
　　還是有備用系統(tǒng)靠譜些
　　加拉門迪說(shuō)，雖然如果政府采用更好的加密技術(shù)會(huì)有所幫助，但相比之下，減少世界經(jīng)濟(jì)對(duì)GPS的依賴會(huì)來(lái)得更加安全。多年來(lái)，他一直在推動(dòng)聯(lián)邦政府建立一個(gè)名為“增強(qiáng)型遠(yuǎn)距離無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)”（eLoran）的陸基無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)作為備用。它提供的信號(hào)會(huì)比GPS更加強(qiáng)，國(guó)會(huì)估計(jì)這將需要花費(fèi)掉納稅人2億美元。韓國(guó)方面表示，到2020年它將實(shí)現(xiàn)eLoran網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
　　美國(guó)在建立備用系統(tǒng)方面一直都沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的行動(dòng)，盡管軍方官員早在1997年便向國(guó)會(huì)議員簡(jiǎn)要介紹了GPS的脆弱性。2008年，喬治·布什（George W. Bush）的國(guó)土安全部團(tuán)隊(duì)宣布建立eLoran系統(tǒng)的計(jì)劃，但第二年，由于深受經(jīng)濟(jì)衰退困擾，巴拉克·奧巴馬（Barack Obama）將相關(guān)經(jīng)費(fèi)從他的預(yù)算案中移除，此后該計(jì)劃再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。特朗普政府的國(guó)土安全部定位、導(dǎo)航和計(jì)時(shí)辦公室主任詹姆斯·普拉特（James Platt）表示，他的辦公室應(yīng)該在開(kāi)始評(píng)估eLoran是否為最佳選擇之前，先確定備用系統(tǒng)的要求。
　　面對(duì)這種局面，民主黨國(guó)會(huì)議員Garamendi試圖在沒(méi)有得到國(guó)土安全部支持的情況下將開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)并入軍事開(kāi)支法案。他說(shuō)，“純粹是聯(lián)邦機(jī)構(gòu)不愿承擔(dān)新的任務(wù)。”如果他們不那么做的話，那么特朗普的太空部隊(duì)將來(lái)很可能會(huì)出現(xiàn)盲目飛行的情況——然后杜克·巴克納就可以賣出很多的原子鐘。并不是說(shuō)他非常樂(lè)于看到這種情況。