世界經(jīng)濟依賴GPS運轉(zhuǎn) 要有備用的系統(tǒng)

    在計時系統(tǒng)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(fù)責(zé)市場和業(yè)務(wù)拓展工作，他收到了一封有關(guān)公司設(shè)備錯誤報告的電子郵件。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。
　　那些投訴報告與Microsemi為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）打造的定時接收器有關(guān)。GPS定位是一種無處不在的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，當(dāng)初是專為美國軍方而設(shè)計的，如今已經(jīng)出現(xiàn)在了我們所有人口袋中的智能手機上面。GPS定位不只是用于地圖。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，準(zhǔn)確到十億分之一秒。那些計算機之間在時間上哪怕是出現(xiàn)微乎其微的分歧，一切的運轉(zhuǎn)都會隨之崩潰。
　　正是由于這種差異，Microsemi的定時接收器瘋狂地發(fā)出錯誤消息。巴克納說，“正常運轉(zhuǎn)的情況下，這些東西幾年都不會引起警報。而當(dāng)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(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)星的美國空軍關(guān)閉了一顆舊衛(wèi)星，并將其數(shù)據(jù)庫值調(diào)零時，它意外地引起數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)微小的錯誤，從而扭曲了數(shù)據(jù)。在巴克納的電子郵箱開始要爆之時，幾顆衛(wèi)星在傳輸糟糕的計時數(shù)據(jù)，運行速度慢了1370萬分之一秒。
　　每一顆衛(wèi)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(tài)躍遷到另一個能態(tài)的頻率來測量時間。然后，衛(wèi)星將這些數(shù)據(jù)連同它們在軌道上的位置信息傳輸?shù)降厍?。在地面上，你手機里的GPS接收器依靠那些計算的穩(wěn)定性來確定你在哪里，最近的一家餐館在哪里，等等。
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　　依賴于GPS
　　自從美國國防部2000年開始向公眾提供GPS定位服務(wù)以來，全球經(jīng)濟的運轉(zhuǎn)變得依賴于GPS。全球有20億個GPS接收器正在使用，據(jù)歐洲的衛(wèi)星導(dǎo)航機構(gòu)估計，到2022年這個數(shù)字將達到70億。與通訊行業(yè)一樣，銀行、航空、電力、云計算和電視廣播等行業(yè)領(lǐng)域也都需要持續(xù)的GPS定時。緊急服務(wù)部門和軍隊也是如此。美國國土安全部已認(rèn)定16個基礎(chǔ)設(shè)施部門為“關(guān)鍵部門”，其中14個部門依賴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?（由歐盟運作）、GLONASS（俄羅斯）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（中國）。不過，只有俄羅斯的系統(tǒng)號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，可能只能持續(xù)運行幾分鐘?！癎PS是整個現(xiàn)代經(jīng)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(chǔ)設(shè)施委員會的成員，他多年來一直在就這方面的風(fēng)險提出警告。
　　破壞巴克納的早餐時光的連續(xù)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(wǎng)絡(luò)的協(xié)同攻擊。然而，自那以后，美國政客們在保護該系統(tǒng)方面卻幾乎沒有什么作為。
　　除了加拉門迪以外，非營利組織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GPS的缺陷。該組織成立于2013年，獲國防承包商和相關(guān)公司的支持。高厄德曾是海岸警衛(wèi)隊的一名直升機飛行員，當(dāng)被問及GPS大范圍中斷意味著什么時，他毫不含糊地指出，這就像在9·11事件發(fā)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(fēng)來襲前無視新奧爾良脆弱的防洪堤的警報：“人們將會死亡?！?br /> 　　施里弗空軍基地是太空作戰(zhàn)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(wǎng)絡(luò)，房間外有兩個密碼門、一位武裝警衛(wèi)、車道上阻止車輛駛?cè)氲恼系K物、以及三個鐵絲網(wǎng)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(zhǔn)備進行“預(yù)通過”（pre-pass）——這是一項常規(guī)測試，旨在確保衛(wèi)星能夠正常通信。每個航空兵都有機密工作或者機密工作的許可，訪客也要通過背景檢查。
　　“預(yù)通過SV 15！”衛(wèi)星系統(tǒng)操作員說。
　　“C/L1-8步驟4，注意聽指令準(zhǔn)備預(yù)通過?！敝行闹鞴芑卮鸬?。
　　“現(xiàn)在系統(tǒng)處于活躍狀態(tài)，SV 15，CAPE A字符串，SSO 1，DIEGO的交替可見性，VSOH/NAV/MOD/GBD，沒有適用的CIFs/TPs?！毙l(wèi)星系統(tǒng)操作員說。
　　2SOPS通常每24小時向每一顆衛(wèi)星發(fā)送一次新的導(dǎo)航信息，以確保準(zhǔn)確無誤。他們利用一個由位于全球各地的11個天線組成的網(wǎng)絡(luò)。期間，該團隊根據(jù)航空兵每隔1.5秒鐘發(fā)來的導(dǎo)航和定時信號，監(jiān)測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，這種重復(fù)性的工作可能會讓人變得漫不經(jīng)心?！爸貜?fù)性工作會讓人志得意滿?！彼f道，“你需要集中注意力，以確保避免問題悄然發(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)星的運轉(zhuǎn)。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(dǎo)彈摧毀了它的一顆老化的氣象衛(wèi)星，之后五角大樓開始將這些衛(wèi)星本身視為潛在的被攻擊目標(biāo)。據(jù)說，朝鮮、伊朗和俄羅斯也開發(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)星運營相關(guān)的培訓(xùn)。
　　今年6月，特朗普總統(tǒng)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(chuàng)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，國防部長并不贊同，該舉可能很難獲得國會的批準(zhǔn)。國會去年就拒絕過這樣的提議。但美國面臨的威脅并不難想象，而且美國對它們準(zhǔn)備不足。對于俄羅斯戰(zhàn)機與美國戰(zhàn)機在敘利亞上空過于接近，或者美國海軍艦艇在中國海域擱淺的情況，有協(xié)議和國際協(xié)議規(guī)定該如何應(yīng)對，但要是遇到外國衛(wèi)星的活動看上去可能存在敵意的情況，該怎么應(yīng)對呢？這方面并沒有什么規(guī)則手冊可供參考。
　　在接收器方面，GPS定位信號弱到可以被手機基站上的鴿子屎所遮蓋——或者不法分子使用容易獲得的硬件設(shè)備就能實施干擾。盡管市面上的數(shù)百種信號干擾設(shè)備在大多數(shù)國家都是違禁設(shè)備，但歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)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(shù)是因為卡車司機和網(wǎng)約車司機想要在休息時間向雇主隱藏自己的位置。據(jù)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定位信號。所有的飛機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 /> 　　在地面上陰險的策略是GPS電子欺騙，即使用惡意軟件廣播虛假信號，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(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(shè)備的運作產(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，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(zhǔn)時間，所有人都會注意到?！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)的運作制造混亂而稍稍地將時間調(diào)前或者調(diào)后，會引發(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，都可能會驚動主宰高頻交易世界的算法，進而引發(fā)市場出現(xiàn)大規(guī)模的拋售。
　　對于五角大樓來說，敵對的勢力發(fā)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(biāo)，將它帶離預(yù)定路線，進而完成對其的劫持，美國國土安全部官員們看后震驚不已。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，防范電子欺騙并不是它的職責(zé)，2SOPS只是負(fù)責(zé)維護GPS網(wǎng)絡(luò)的信號，而不是確保接收器能夠讀取準(zhǔn)確的信息。然而，沒有其他的政府機構(gòu)負(fù)責(zé)減少信號干擾和電子欺騙的影響。開發(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。國土安全部說，它向關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的運營商提供支持和專業(yè)的技術(shù)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(yè)來確保他們有備用計劃。
　　在游說者高厄德看來，這是不現(xiàn)實的。他表示：“我們接觸過的各個行業(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行業(yè)都無法承受任何重要時段的任何重大破壞。”他補充道，企業(yè)的態(tài)度似乎是一種同歸于盡的態(tài)度：“我不會受到譴責(zé)?？哲娀蛘畷艿阶l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(dāng)年，這塊被隔離的地方用于導(dǎo)彈測試。如今，在現(xiàn)場的185座建筑中，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。在里面，六名員工穿著長及小腿的外套、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試后也能獲批發(fā)射。這些測試?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)計壽命為15年，比當(dāng)前的一代長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)超過了它們的預(yù)期壽命。GPS 3衛(wèi)星還提供強烈8倍的信號，這使得它更難被干擾，其定位準(zhǔn)確度也達到原來的三倍。但它們?nèi)匀狈κ袌錾系膬煞N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，用于檢測攻擊，并證明信號和導(dǎo)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采訪討論GPS漏洞問題，但采訪在預(yù)定時間的前一天取消了。一位發(fā)言人說，取消采訪是“出于對當(dāng)前的環(huán)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(dāng)中”。
　　還是有備用系統(tǒng)靠譜些
　　加拉門迪說，雖然如果政府采用更好的加密技術(shù)會有所幫助，但相比之下，減少世界經(jīng)濟對GPS的依賴會來得更加安全。多年來，他一直在推動聯(lián)邦政府建立一個名為“增強型遠(yuǎn)距離無線電導(dǎo)航系統(tǒng)”（eLoran）的陸基無線電網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)eLoran網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
　　美國在建立備用系統(tǒng)方面一直都沒有什么實質(zhì)性的行動，盡管軍方官員早在1997年便向國會議員簡要介紹了GPS的脆弱性。2008年，喬治·布什（George W. Bush）的國土安全部團隊宣布建立eLoran系統(tǒng)的計劃，但第二年，由于深受經(jīng)濟衰退困擾，巴拉克·奧巴馬（Barack Obama）將相關(guān)經(jīng)費從他的預(yù)算案中移除，此后該計劃再也沒有出現(xiàn)過。特朗普政府的國土安全部定位、導(dǎo)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(yīng)該在開始評估eLoran是否為最佳選擇之前，先確定備用系統(tǒng)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(fā)經(jīng)費并入軍事開支法案。他說，“純粹是聯(lián)邦機構(gòu)不愿承擔(dān)新的任務(wù)?！比绻麄儾荒敲醋龅脑挘敲刺乩势盏奶詹筷爩砗芸赡軙霈F(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。并不是說他非常樂于看到這種情況。