兰德:构建更具弹性的国家定位导航与授时能力

2021年5月17日,兰德公司发布《对更具弹性的国家定位、导航与授时(PNT)能力的分析》报告,研究美国如何构建更具弹性的国家PNT能力,重点探讨是否需要对其PNT体系核心——“全球定位系统”(GPS)进行备用能力投资。报告评估了GPS系统面临的一系列现实威胁,分析了GPS系统中断对国家PNT能力的影响,以及投资GPS系统备用能力的必要性,得出主要结论如下。

一、GPS系统作为美PNT体系核心正面临多种现实威胁

现代经济、军事、技术、社会等各领域广泛依赖PNT能力,GPS系统在美国PNT体系中一直发挥着关键作用,已成为大多数人心目中PNT的代名词。有证据表明,GPS系统正面临多种现实威胁:较大规模的威胁包括针对太空系统的核战争、太阳风暴等极端天气、大规模网络入侵等;较小规模的威胁则包括对局部地区或部分城市GPS信号的干扰或欺骗等。大多数威胁可能会干扰或破坏GPS信号数小时到数天时间,而少数的大规模威胁可能会影响GPS的功能长达数月甚至数年。

二、GPS系统中断对美总体PNT能力影响有限

一是GPS系统远非美PNT体系的唯一组成部分。虽然GPS系统是美国国家PNT体系的核心部分,但远不是其唯一组成要素。早在美国家航空航天局2008年发布的《国家PNT体系结构研究》报告中,美国家PNT体系就被构想为由不同卫星系统组成,包括地面授时传输系统、星跟踪系统、分布式时钟等。如今,可用的PNT相关技术更加广泛,包括欧洲“伽利略”卫星系统,集成到芯片上的原子钟等。

二是美已广泛应用多种替代性和补充性PNT能力。在美国,已有多种替代性和补充性PNT能力投入应用,同时还在研发其他相关技术。国家PNT体系的多样性,增强了应对GPS系统中断的能力。在某些区域,对于某些功能(如城市地区的粗略定位等),现有PNT体系几乎完全可以应对GPS系统中断的风险。

三是“应急”技术提高了美PNT体系的总体稳健性。“应急”技术(如手动路线图导航等)的发展,使PNT体系在全美范围内的稳健性得到提高。当GPS中断导致难以采用自动化方式执行任务时,还可采用手动策略,尽管此时执行任务的效率或有效性会有所下降。此外,下一代智能手机无线电导航功能、下一代车辆计算机视觉技术等新兴技术的出现,将进一步提高PNT体系的稳健性。

四是美已拥有多种强大的反GPS欺骗手段。美目前已拥有多种方法,可通过实施全面监控,来检测敏感应用程序中的PNT欺骗手段。尽管并不总能实施这种全面监控,但这属于系统设计或监管方面的问题,并不是因为缺少GPS替代信号。

五是GPS系统中断所产生的损失并非不可承受。GPS中断所产生的损失虽然真实,但在采用现有替代方案和补充技术的条件下,其估算结果并没有设想得那么高,反而低得惊人。即使是可能影响整个国家的较大规模中断,每天也只产生数千万至数亿美元的损失,而较小规模的干扰或欺骗场景(可能影响到重要城市很大的一部分),每天仅产生数百万美元的损失,况且重大破坏通常都不会维持数天以上。

三、美政府目前没有必要对GPS备用系统进行大规模投资

一是对GPS系统来说并没有完美的备用系统。某些天基PNT系统与GPS系统较为类似,如欧洲的“伽利略”卫星系统。在某些情况下,如GPS仅遭到网络攻击欺骗或破坏时,这些卫星系统或许可以作为GPS很好的替代系统。但是在一些特殊情况下,如发生太阳风暴时,这些卫星系统也将无法使用,因为它们与GPS系统存在相似的弱点。地面PNT系统虽然与GPS系统有不同的弱点,但其区域覆盖范围不如GPS系统。因此,GPS系统并没有完美的备用系统,任何单一的备用系统方案都仅能缓解部分的GPS系统中断影响。

二是政府并不值得对GPS备用系统进行大量投资。从过去实际发生的GPS干扰事件来看,尽管用户会感受到一些影响,但通常都能应对,并不会造成灾难性后果。除非爆发核战争,GPS卫星直接成为目标并被摧毁,否则任何事件都不可能使美国整个GPS系统中断数天以上,这种情况发生的概率极低。而且,考虑到GPS系统中断所产生的损失最多在每天数千万至数亿美元之内,且任何单一备用系统也仅能弥补部分损失,因此并不值得政府对其备用系统进行大量投资。

三是已开展的一项公私合作计划将为重要城市提供GPS备用系统。当前,美国联邦政府已参与了一项名为“第一网络”的公私合作计划,该计划中的一个项目就是为重要城市的用户提供“增强型911系统”,作为GPS备用系统。未来,在该备用系统所覆盖的地区内,几乎所有使用GPS信号的经济活动都将拥有替代信号,可减轻GPS信号中断带来的影响。

四、对维持美国稳健且有弹性的国家PNT能力的几点建议

一是应继续开发新的PNT系统为GPS的运行提供补充。目前来看,虽然联邦政府没有必要在GPS备用系统上进行大规模投资,但是,发展一些“经过时间检验的、稳健的GPS备用方案”还是有必要的。因此,政府可以继续开发一些新型PNT系统,在GPS系统运行时实现与其的互补效益,但并不主要用作GPS中断时的备用系统。

二是应将国家PNT体系的分散性和多样性视为优势。不同类型PNT系统所面临的威胁各不相同。例如,地面备份系统受到天基威胁的可能性较小,而GPS系统则面临较大的天基威胁。通常情况下,PNT系统的部署位置越集中,或在物理上的局限性越大,就越容易受到攻击。蜂窝基站、Wi-Fi信号等技术的多样化发展,以及备份时钟等PNT系统的分散化部署,有助于降低国家PNT体系的整体风险。因此,应当把国家PNT体系的分散性和多样性视作是一种优势,而非劣势。

三是应尽量避免当前和未来的系统对GPS过度依赖。国家依赖PNT能力的各类重要系统应谨慎进行系统设计,尽可能避免其对GPS系统产生过度依赖。这种依赖关系会增加GPS系统中断带来的风险。例如,运输系统如果仅设计为依靠GPS单一数据源进行导航,就很容易受到GPS欺骗信号的干扰。对于此类系统的设计,数据的完整性和真实性验证至关重要,应尝试采用来自不同传感器或来源的数据。

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