GPS周期翻转影响及应对措施

GPS周期翻转影响及应对措施

苏凡伟1阮鑫2肖磊3

关键词：GPS周期翻转；周计数；定位授时

1.GPS周计数翻转的由来及影响

1.1GPS周计数翻转的由来

GPS导航电文中由于周计数（WN）以及周内时（TOW）构成的电文编排不足，导致在导航电文只预留整GPS周计数的二进制10Bit数据上限为1023的周期量，在GPS得实际周数达到1024时，GPS整周计数将翻转为0并重新开始计数，进而造成部分GNSS设备工作异常，出现时间错误等问题发生。部分接收机GPS周数从1980年1月6日协调时零点开始起算，达到GPS周计数最大值计数量时，周计数自动跳回GPS周零时，GPS周计数加1，。

依次推论，当GPS实际周计数为2037（整周计数为1013）距离2048周，即2019年4月7日GPS零时，GPS整周计数将从1023翻转为0，翻转GPS整周计数翻转时间发生在1999年8月22日GPS零时。全球各大卫星系统周数翻转情况情况见表一。

表一全球各大卫星系统周数翻转情况汇总

1.2GPS周计数翻转的影响

作为一个全球性的导航定位授时系统，GPS系统在设计之初就建立了一套相应的时间系统，被称作GPS时，而GPS时起点对应UTC时间（世界协调时间）的1980年1月6日0时。为了达到授时的目的，GPS系统通过导航电文信号不断向使用设备广播当前时刻所对应的GPS时，系统设计人员通过周计数（WN）和周内秒（TOW）来共同表示当前时刻距离GPS初始时刻的时间差，从而结合闰秒得到当前UTC时刻，完成授时。

由于GPS周计数翻转导致接收机的输出时间返回到大约19年前，导致依赖GPS授时的任何系统和应用都可能会造成影响，可能会导致空管雷达信号数据混乱，引起数据中断、目标航迹与计划联系不正常，同时对于气象设备也存在影响，由于周计数翻转导致时间周跳，气象设备之间信息传输无法自动对接，造成气象预报困难，影响飞行调度，导致不必要的安全隐患。还有GPS周数翻转处理的接收机用来授时也会对一些自动化运作的基础设施领域产生影响，比如电力、通信和金融领域所用的BITS系统，如果BITS系统只参考了GPS授时信号，则会造成BITS系统的时间跳变，可能就会造成系统瘫痪，影响大众使用。

2.我国现有GPS定位技术应用现状

2.1GPS定位技术的发展

GPS卫星导航定位技术于上世纪80年代末引入中国，目前主要在大地测量（测绘勘探）、海上渔业和车辆定位监控、手机移动端等领域都具有广泛的应用。在全球GPS应用领域中手机移动端应用所占的比重最大，占总数的60%以上。1996年~1997年间GPS车辆跟踪系统大面积铺开，主要应用领域在公安、金融等部门在全国40个城市铺开使用，同时建立成熟公安、金融车辆跟踪系统，从而提高GPS在车辆跟踪系统增长的势头。

我国现在拥有世界上最大发展潜力的卫星导航应用市场，也催生和一大批附加值产业。随着我国经济的不断深入发展，手机移动端的卫星定位导航技术应用率极高，应运而生的企业如“高德、滴滴”等一系列移动端导航企业，也促进我国GPS芯片的制造工艺，根据GPS测量技术具有测量的快速、高效、准确的特点也广泛应用于军事、大地测量、摄影测量、工程测绘、野外考察探险、土地利用调查等相关领域。

2.2GPS定位技术的实际应用

在工程测绘中，借助GPS测静态测量和RTK技术，可以快速对地形进行动态定位，提升工程测绘的准确性。已现如今的国土地形地貌测绘来说，使用GPS设备测量可以节约大量的人力资源，显著提高工作效率，GPS测绘技术也不受天气影响，可以对不同物体多角度定位进行地区测量任务。随着GPS测量技术的不断研究深入，工程测绘中使用的GPS技术接收机已经开始向小型化、简单化以及自动化进行多方向发展，只要相关的技术人员通过GPS接收设备进行自动观测，就可以获取准确的三维目标。

目前随着智慧城市发展热潮的兴起，智能交通系统中GPS定位功能具有核心关键作用，大大促进行业的告诉发展，使用GPS技术将车流主干道的平均车流速进行测量，可以更好地对道路车辆进行勘测。智慧交通之中的无人驾驶技术也是包含很多领域，GPS技术可以对车辆行驶过程中的运动状态进行检测，对车辆控制系统中的变量有效的控制，GPS+RTK技术结合的方式，可以准确测量车辆运动行驶轨迹，通过结合车辆周围传感器，可以优化无人驾驶系统自主可控功能。

3.应对GPS周期翻转应对措施

3.1GPS周期翻转措施

为了有效的规避GPS周期翻转给使用设备带来的影响，我们可以从以下两个方面进行解决：一方面：GPS接收机使用方应该提前联系GPS接收机供应方，咨询相关设备是否存在GPS周期翻转带来的授时错误问题，如果存在上述现象，应GPS供应方要求更新使用仪器的固件；另一方面，作为GPS使用方进行仪器授时操作时，应提前做好预案和仿真测试，排除固件隐患。

对于一般的普通用户及时和GPS供应方联系，询问是否存在隐患、何时会出现，及时跟新固件是最有效的途径。对于专业用户，利用GPS信号接收模拟器进行数据模拟测试，对设备进行测试时间进行调节，设置到2019年4月6日之后的任意时刻，反复测试GPS接收机是否会受到周数翻转影响。国内很多公司已经开始了GPS周期翻转的测试，例如司南公司使用模拟器进行测试，将GPS设备设置场景起始时间为2019年4月6日23：50分（2019年4月7日0时为跨2048周时间），调节到相应输出强度，接入不同司南的设备中测试，查看设备是否工作正常。

3.2我国北斗定位技术存在的周期翻转问题

我国的北斗导航定位系统也存在BD周数翻转的相关问题，因此我国在设计的北斗定位系统时就提前考虑到GPS周数翻转周期短和一般GNSS接收机使用寿命情况，将其周计数设计使用13bit，翻转周期为8192周，大概是160年，从而有效规避了BD周期翻转问题。但是，所有卫星导航系统周数翻转问题，是必然情况，只是翻转周期的长短问题，合理对设计周期算法时解决用户接收机周期翻转问题的有效途径，设计成为没有bug的万年历。

4.小结

GPS周期翻转无法避免，这是使用GPS系统设计初期就已经存在的问题，合理的对用户设备进行常规模拟测试，提前联系设备厂家是否需要更新固件是有效规避GPS周期翻转问题的最佳方式，同时也对我们现有的BD系统存在的周期翻转问题提出了算法设计完善的要求。通过不断的实践操作，才能更好的应对GPS卫星定位系统周期翻转给使用设备带来的影响。