GPS 成了全球现代经济的基础，人类急需一个备份计划

在时间断断续续的那一天，Duke Buckner正在特拉维夫万丽酒店享受早餐，一边望着外面的城市码头。Buckner在美国通信与防务承包商Microsemi公司负责营销与商业开发，最近他收到了一份公司设备的错误报告邮件副本。任何一天收到一份以上这样的报告都属于罕见情况。但在2016年1月26日的那天早上，报告把他的邮件都塞满了。这让他连早餐都给忘了。

投诉跟Microsemi的GPS（全球卫星定位系统）定时接收机有关，这项无所不在的卫星导航技术是给美国军方打造的，但后来却落入到寻常百姓家。GPS不仅仅只是给地图用的。它还有一种巨大的星载时钟。地球上所有的计算机都要用它来确定时间，精度要准确到10亿分之一秒。当这些计算机之间产生最轻微的分歧时，情况就会崩溃。

Microsemi的定时接收机疯狂地发送错误消息仅仅是因为这样一种时间上的不相符。Buckner说：“正常操作下，这些事情好几年都不会产生告警一次。所以当这种情况大量发生时，大家都不知道该怎么办。”在接下来的11的小时里，基站失去了连接，美国经常和消防站报告通信错误，BBC广播信号中断，跟踪地球轨道上的小行星的天文望远镜也掉线了。

问题的根源是GPS网络的一个bug。当这31颗卫星的运营方——美国空军将一颗较老的卫星退役并且将其数据库的值清零时，意外引入了一个细微的错误到苏巨亏里面，令数字发生了偏移。等到Buckner的收件箱开始爆炸时，已经有好几颗卫星在传输错误的定时数据，使得时间慢了1370万分之一秒。

每一颗卫星都携带了几个原子钟，这些原子钟是用来测量时间的。方法是跟踪其内核中的电子从一种能态跳跃到另一种能态的频度。然后卫星再传输这一数据，以及自己在轨道的位置给地球。而在地面上，你手机里面的GPS接收机要靠那些超精密的计算的一致性来确定你在哪里，最近的好吃的越南粉在哪里等。（是的，爱因斯坦粉丝们，太空上的钟走时要比地球的慢一点的确是接收机的责任。）

自从2000年美国国防部开始向公众开放该服务以来，现在已经很大夸大全球经济对GPS的依赖。全世界现在约有20亿部GPS接收机，而据欧洲卫星导航机构的估计，这个数字到2022年将会达到70亿。除了电信业以外，银行、航空、公用电力、云计算业以及电视广播都需要源源不断的精确GPS定时。应急服务也离不开它，军事也是。美国国土安全部指定了16个板块的基础设施为“关键性”，其中有14个均离不开GPS的支持。

目前在用或者充当备份的卫星导航系统包括：伽利略（欧盟运营）、GLONASS（俄罗斯）以及北斗（中国）。但是只有俄罗斯的宣称覆盖了全球。

大多数关键服务以及金融市场都有备份——也许是他们自己的原子钟，或者链接到不那么精确的工具上。但其中一些备份需依赖GPS定时，而且可能只能持续几分钟。作为白宫军事委员会以及交通运输与基础设施委员会的成员，加州民主党议员John Garamendi多年来一直在对其危害提出警告，他说：“GPS是整个现代经济的单点故障。（GPS一旦出问题）手机、ATM机都工作不了。”

对于这种危害的可能程度来说，毁了Buckner早餐的那11个小时的混乱只是冰山一角。这毕竟只是一次无心的错误，而不是对GPS网络的集中攻击。但美国的政客一直以来在保护该系统的事情上几乎毫无作为。

除了Garamendi以外，呼吁要修补GPS漏洞声音最大的另一个人是Dana Goward，他管理着Resilient Navigation和Resilient Navigation and Timing Foundation这两个非盈利组织（成立于2013年，由防务合同商与相关公司资助）。Goward是前海岸警卫队的直升机飞行员，在被问到大规模的GPS中断会意味着什么时，他并没有躲闪。他说，这就好比911前忽视加固驾驶舱门的警告，或者在卡特里娜飓风前无视有关新奥尔良腐朽不堪的堤岸一样：“会死人的。”。

科泉市以东几英里之遥的Schriever空军基地是美国空军空间司令部第二空间作战中队（2SOPS）所在地，众所周知，他们就在两道密码门，一个武装警卫，可以从道路上升起来以阻止车辆进入的障碍，以及三道铁丝网围栏背后的一间房子里管理着GPS网络的运行。

6月的一天在运营中心，8名穿制服的航空兵以及2名平民承包商正准备进行“预通过”，这是为了确保卫星能通信的常规测试。每一位航空兵都有机密或者最高机密的许可，而访客必须经过背景调查。2SOPS的语言大量采用缩略语，这一点并不出奇。

卫星系统操作员说：“预通过SV 15！”

任务主管回应：“C/L1-8步骤4待命预通过。”

系统操作员说：“现在激活，SV 15，CAPE A串，SSO 1，可选可视性在DIEGO，VSOH/NAV/MOD/GBD，没有适用的CIF/TP。”

2SOPS通常会利用部署在全球由11跟天线组成的网络，每24小时中继一次新的导航消息给每颗卫星，以确保其精确度。在这中间，这支部队会利用精确导航以及航空兵每1.5秒发送给卫星的定时信号监控GPS网络的异常与缺陷。2SOPS 的负责人Lieutenant Colonel Stephen Toth说，这是重复性工作，但是有不小心的风险：“伴随重复性的是自满。你需要密切关注，确保不出篓子。”

除了数据库丢失一些数字以外，卫星还有很多东西会搞砸。太阳耀斑、太空碎片以及敌对外国势力。很多国家据说都发展了摧毁卫星的武器。为了避免被黑，2SOPS已经增加了网络防御操作员的职位，美国军方也在加强卫星操作员的相关培训。

今年6月，特朗普在会晤国家太空委员会（新成立的委员会，新到连网站都还没有的）给了众人一个惊讶，他宣布有意组建美国军方的第六军种——太空部队作为空军的补充。这遭到了美国国防部长的反对，并且赢得国会同意估计也很困难，因为去年已经否决过此类提案。但是威胁不难想象，而美国并未做好准备。尽管有一些协议与国际协定避免美俄战斗机在叙利亚上空靠得太近等，但是当外国卫星活动有可能做出敌意活动时的应对规则手册却是空白。

而在接收机一侧，基站上的一坨鸽子粪就足以减弱GPS信号——或者被恶意之人利用极易获得的硬件干扰。尽管大多数国家市面上的数百种接收机都是非法的，但据欧洲全球导航卫星系统局在过去两年的粗略统计，大概有5万起事件属于故意干扰，其中大部分都是卡车司机和共享乘车司机为了在休息期间对雇主隐藏自己位置而为。2016年7月和8月在菲律宾马尼拉国际机场跑道附近有超过40个航班失去GPS信号据信也是因为干扰。尽管那些航班最终均靠目视操作安全落地，但是天气可不会永远那么给面子的。

地面上最阴险的手法是GPS电子欺骗，利用恶意软件广播虚假信号，让接收机（比如飞机上的）以为自己在什么地方，或者以为现在是什么时候，但其实不是。德州大学航空航天工程学教授Todd Humphreys说，这类做法“肯定会被用到Uber、Waymo的无人车以及Amazon的送货无人机上。”

而在金融界，狡猾的欺诈手法会搞砸从便利店的信用卡读卡器到纽约证交所的一切。曾监管纽约证交所网络服务的Andrew Bach说：“如果你大幅改变参考时间的话，每个人都会注意到。但是大家担心的是，如果有人出于给金融业运行制造混乱的目的把时间稍微调前或调后一点该怎么办？”即便大多数华尔街公司都有自己的原子钟作为GPS定时的备份，但引入微小的异常会导致掌管全球高频交易的算法受惊，导致大规模的抛售。

受到敌意外国势力的电子欺骗也是五角大楼的担忧之一。2012年在一次演示中，Humphreys和他的同事就让国土安全部的官员震惊了一回。他们利用虚假的GPS坐标信号劫持了一架无人机，然后让它飞离预定的路径。据知情人士透露，俄罗斯军方就可以欺骗叙利亚及黑海上空的无人机。

美国空军说电子欺骗问题不是他们的责任，2SOPS的工作只是维护GPS网络的信号，而不是确保接收机能够精确地读到信号。但是也没有其他的政府机构对减轻干扰和欺骗影响负责。开发相关防欺骗防火墙并让其保持更新的事情被扔给了Microsemi这样的企业。DHS（美国国土安全部）说自己为关键基础设施操作员提供支持和专业技术，但只有在请求的时候才提供。该部门称大多数时候的由企业自行确保有备份计划。

按照Goward的说法，这是不现实的。他说：“我们交流过的所有行业每个人都认为这是政府的责任，而且我们知道除了核心金融服务业以外，没人能够顶得住持续相当一段时间的任何重大破坏。”补充道，企业的态度似乎是确保相互摧毁：“应该受到谴责的不应该是我。美国空军或者政府得背这个锅。所以为什么我要往里面砸钱呢？”

该空军基地以北1小时路程远的地方坐落着洛克希德马丁公司的一处设施，1955年设立的这个地方原本与世隔绝，是进行导弹测试的场所。今天，丹佛的郊区已经几乎逼近其5600英亩厂区的围栏。公司最近正在建设一个造价1.28亿美元，面积达40000平方英尺的洁净室。在里面，经过荷枪实弹的武装警卫之后，有5、6个工人穿着齐脚肚子的夹克，带着头罩，连鞋也被罩住，一幅抗静电不起毛的装束，他们正在装配新一代的GPS卫星。

美国空军已经批准第一颗GPS 3卫星的发射，洛克希德马丁预计，一旦在洁净室三层楼高的门背后完成真空测试。今年夏天另一颗也将获得批准。测试会利用泵和冷热空气，制造出低压以及范围在-150°到150°的温度，从而模拟外太空的条件。

GPS 3的设计寿命是15年，比目前这一代延长了25%的时间，不过得益于细致的燃料管理，现在这一代的实际运转时间已经大大超出预期寿命。GPS 3还可提供强度高8倍的信号，令其抗干扰能力更强，并让定位精度翻了3番。但是这些卫星仍然缺乏市面两种最强的防欺骗技术，那两种技术对于检测攻击以及验证码信号和导航信息是否合法是必不可少的额外安全层。在一次采访中，美国空军太空司令部的两名上校原本同意接受采访讨论GPS的漏洞问题，但后来又取消了。一位发言人称这一变更是“因为目前环境以及某些问题的敏感性。”，而且其中一种加密方法“目前正在检查中。”

虽说政府如果提供更好的加密技术的话会有帮助，但Garamendi说减少全球经济对GPS的依赖会更安全些。多年来他一直在推动美国联邦政府建立一个备份的陆基无线网络，名字叫做Enhanced Long-Range Navigation（eLoran，增强远程导航）。这个网络会提供比GPS更强的信号，美国国会估计那随人需要为此支付2亿美元。韩国称到2020年会实现eLoran覆盖。

但是美国在备份计划方面一直都没有做出认真努力，尽管军方曾在1997年向美国国会汇报过GPS的脆弱性问题。乔治·布什的国土安全部团队在2008年曾宣布过eLoran系统的计划，但是随后被奥巴马政府因为优先处理衰退问题的预算放弃，并在此后不再出现。国土安全部定位、导航以及定时负责人则称，在开始评估eLoran是否最佳选项之前，应该首先定义备份系统的需求是什么。

民主党国会议员Garamendi一直想要把这笔预算纳入军费当中，这样就不需要美国国土安全部的支持。他说：“联邦机构对于接受新任务总是存在组织性的抗拒。”如果他们不作为的话，特朗普的太空部队可能就会看不见东西——而Duke Buckner就能买很多的原子钟。这些都不是他特别感到兴奋的事情。