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移动世界。
罗兰

领先图像©Mechanik / Adobe Stock

没人能预见它的到来。但是一点一点地,混乱席卷了整个国家。

它开始于轻微的混乱。当人们开车经过他们的出口时,交通变慢了,让谷歌地图刷新得分神。交通灯不同步。交通堵塞和事故使街道拥挤不堪。有人想打911,但电话断了。

当街道上发生交通堵塞时,其他的电网也开始停止运转。一天之内,三分之一的无线网络已经退化。股票市场冻结了。电涌和限电现象遍布全国各地。保险丝烧断,变压器着火。人们试图囤积食物和卫生纸,但商店不接受信用卡,自动取款机也关闭了。

是什么导致了这场灾难?全球定位系统(GPS)突然变暗——事实证明,这并不难做到。但是一个叫罗兰的老式地面无线电导航系统可能是我们的救命之恩。

系统的一个小故障

一个周日的早晨,宝琳·库克(Pauline Cook)在一号公路上开车,突然她的GPS导航应用程序显示她从一个地方到另一个地方疯狂地跳跃。

“哇,”她一边打开地图一边想。这就像在航行的船上,却不知道自己身在何处。你必须回到过去的做事方式。”

值得庆幸的是,库克的车里总是有一张纸质地图。作为一名退休的海岸警卫队船长,她从未完全依赖GPS导航。尽管这项技术已经进步了很多,但她非常清楚它有多么脆弱。

“我们对这些东西了解得越多,就越意识到GPS并不总是在那里。”

波林做饭

“我们对这些东西了解得越多,就越意识到GPS并不总是在那里,”她说。

事实证明,像库克这样的小事故发生得如此频繁,以至于大多数时候都没有人注意到它们:GPS信号冻结,但几秒钟后,又恢复正常。有个电话掉线了,但我们把这归咎于"信号不好"然后再打回去。通常,它是。

但专家表示,这些神秘的故障正变得越来越普遍。他们认为,这是犯罪分子干扰世界上最重要的导航和定时系统问题日益严重的迹象。

这一问题促使库克加入了弹性导航和定时基金会,该基金会提倡GPS的后备系统。

被干扰的信号听得清清楚楚

全球定位系统(GPS)是一种全球导航和计时系统,它依靠来自31颗卫星的无线电信号。卫星向地球上的接收器提供位置和时间信息。但库克表示,对整个系统至关重要的信号很容易被“欺骗”或“干扰”中断。

干扰会随意干扰GPS信号。任何一个带着20美元和一个汽车打火机的人都能发出一个矛盾的信号。这种小型“干扰器”天线(尽管是非法的)在互联网上很容易买到。由于干扰源难以追踪,干扰机在卡车司机、偷车贼和任何不想被发现的人当中都很流行。

例如,在2013年,新泽西州卡车司机被发现使用了非法干扰器,这样他的雇主就无法追踪他开着公司的卡车去了哪里。但当他在纽瓦克机场附近开车时,干扰器干扰了引导飞行员最后进场的GPS系统。卡车司机最终被抓住,因为他无意中把干扰器留在了停着的卡车上,让联邦通信委员会对他的位置进行三角定位并抓住他。

2014年,大西洋中部的一个集装箱港口停止操作由于受干扰的GPS信号而被困了七个小时。由于大多数港口都依赖GPS进行集装箱运输等操作,港口几乎被关闭。几年后,政府给了海岸警卫队50万美元研究干扰干扰,因为他们“会导致严重的问题用于船舶导航、港口安全以及态势感知。”

GPS专家洛根•斯科特(Logan Scott)表示:“有很多(干扰)动机,通常是犯罪或与家庭虐待有关的。顾问。小偷可以使用干扰器让偷来的高端汽车无法追踪。2009年的司法部报告说每13个跟踪者受害者中就有一个被GPS或其他监控跟踪,有些受害者使用干扰器来隐藏自己。斯科特说,这些事件正变得越来越普遍。

另一种类型的干扰,称为“欺骗干扰”,使用假信号以错误的位置欺骗GPS接收器。

2016年2月,黑海沿岸港口的GPS被欺骗了。在几个月的时间里,船只的GPS定位系统会漂移数千英里到内陆,通常会到达机场。这是第一波涉及船只和飞机的干扰主要在武装冲突地区附近。

更重要的是,在战争中,敌人有可能用反卫星武器或大规模欺骗完全摧毁GPS。即使没有人类的干预,大太阳耀斑可能会造成巨大的干扰——不仅仅是GPS,而是所有以无线电为基础的通信。

“我认为人们对现代信息战中的GPS有一些基本的担忧。如果有人能够抓住控制,整个系统可能会崩溃,”斯科特说。

支持一个国家的微弱信号

大多数人认为GPS是一种导航工具。但GPS专家表示,它的主要用途实际上是作为一种计时设备——从保持电网运行到股票市场交易,它在任何事情上都发挥着关键作用。

“全球定位系统是美国乃至整个国际社会计时系统的核心,”斯科特说,“总有一个时间戳过程,需要一个非常完整的时间戳过程。如果你说的是手机——为了在周围开车,能够从一个信号塔传递到另一个信号塔——这些信号塔必须同步并计时到大约10微秒。这个时间点通常来源于GPS。”

国土安全部列出了18个关键的基础设施部门:其中15个依赖GPS。

国土安全部列出了18个关键基础设施扇区:其中15个扇区依赖全球定位系统(GPS)确保其正常运作。

令人惊讶的是,同样的技术,可以精确到厘米,或在40纳秒内的时间,依靠的信号不强于一个44.8瓦的灯泡,来自12552英里的空间。

事实上,GPS信号非常微弱,它发出的“噪音”比130亿年前宇宙大爆炸遗留下来的背景辐射还要小。宇宙的嗡嗡声——太阳和恒星的结合——要大得多。全球定位系统接收器的神奇之处在于,它们可以通过噪音探测到微弱的信号。这种微弱的信号可能会成为我们国家的致命缺陷。

对全球定位系统日益增长的不安

被称为“GPS之父”的工程师布拉德·帕金森是美国国防部在20世纪70年代推出全球定位系统时的首席设计师。2013年,帕金森公开露面警告他说,“对卫星导航和定时系统的依赖已经成为美国大部分地区的单一故障点,也是我们最大的、尚未解决的关键基础设施问题。”

他并不是一个人。一段时间以来,国会议员对GPS的担忧日益加剧,但寻找合适的GPS备份的努力一直滞后。2004年,布什总统制定了一项政策,要求运输部建立GPS备份能力。奥巴马总统重申了同样的政策。

但由于资金转移和官僚主义的拼凑,这项努力从未取得进展。2018年,参议员特德·克鲁兹(Ted Cruz)和埃德·马基(Ed Markey)赞助两党共同努力建立GPS(以及更广泛的全球卫星导航系统GNSS)的备份。

全球定位系统专家表示,它的主要用途是作为一种定时装置——从保持电网运行到股票市场交易,它在任何事情上都发挥着关键作用。

今年早些时候,特朗普总统签署了一份行政命令要求政府机构在180天内找到后备解决方案——根据另一位与弹性导航与时机基金会合作的退休海岸警卫队船长达纳·戈沃德(Dana Goward)的说法,这是一个雄心勃勃的最后期限。

“当我退休的时候,这是一个‘吊着的查德’,GPS基本上是美国关键基础设施的单一故障点——因为它不仅是导航,它对手机网络、互联网、银行交易和几乎所有的现代技术都是计时的,”Goward说。

他把GPS灾难比作9/11或卡特里娜飓风类型的事件,这导致了新的立法和加强的安全协议——在事后。他说政府还没有采取多少行动,因为我们还没有灾难性的改变动力。

最后,今年3月,政府官员在NASA的兰利研究中心(Langley Research Center)会面,观看了来自11家不同公司的竞标GPS备份技术演示程序。演示的目的是就美国政府应该投资哪种体系提出建议。三家公司,赫楞系统,UrsaNav,Serco-已经提议重新使用罗兰- c的高清版本,这是一种早于GPS的老式无线电导航系统。

老派正在卷土重来

在20世纪80年代,除了传统的纸质海图或地图和指南针导航,罗兰- c是最佳的导航选择。这是一个陆基无线电信标网络,定位在全国各地的大型发射塔上。出海的飞机和船只可以根据信标发出的两个或多个信号之间的时间间隔确定自己的位置。它的精确度可达几百英尺——远不及今天的GPS,因此,随着GPS的兴起,二战时期的技术被认为是过时的。

2010年,美国海岸警卫队不再要求对罗兰系统进行维护,美国关闭了这些系统的信标。有人说政府关闭罗兰是因为缺乏资金,也有人说是因为政治原因。但许多电视台仍然以某种形式存在,新的Loran或eLoran(“增强的Loran”)可能会卷土重来。

eLoran不是GPS的替代品。二维低频信号不能提供海拔数据,只能在区域内使用。但这些信号比GPS信号强130万倍。因此,它们不太容易受到欺骗或干扰的干扰。eLoran信号对信息进行编码,帮助人们识别发送者的位置和健康状况,为接收方提供有用的信息。

eLoran信号比GPS信号强130万倍。因此,它们不太容易受到欺骗或干扰的干扰。

研发eLoran系统的Ursanav公司总裁Steve Bartlet说:“我们很高兴美国政府已经承认存在问题,而且没有快速解决办法。”“我们需要一个后备系统,而且越早越好。”

Bartlet说,一个合适的eLoran计时系统需要4到6个发射机散布在美国大陆上,需要25到30个发射机导航。罗兰- c的鼎盛时期,有29个发射机。美国政府仍然拥有罗兰- c的大部分站点,其中少数站点仍然有天线。

“冠状病毒已经够糟糕的了。我们不需要再看到某种人为的技术灾难,”Bartlet说。包括俄罗斯、中国和沙特阿拉伯在内的几个国家都有Loran系统,韩国正处于eLoran系统的初始运行阶段,以支持他们的卫星导航系统。但随着11项新方案的提出,美国可能也不会落后太多。回顾过去可能是未来导航和定时的解决方案。

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