太阳扰动对导航系统的影响.docx

太阳扰动对导航系统的影响甄卫民信息产业部电子第二十二研究所摘要：目前正值太阳活动的高峰期，大量导航系统对于由太阳风带到地球的太阳扰动的破坏的保护相当脆弱，首先是高能带电粒子能导致卫星暂时异常或永久性破坏在这次太阳活动高年期间，现代宇航飞船和卫星可能要冒很大的风险此外，相应产生的电离层扰动能够引起穿越电离层和电离层反射信号的异常变化和相位漂移，而带来定位误差，甚至造成GPS接收机、甚低频导航定位系统和超视距雷达系统无法接收到正常信号人们现在已对太阳风及其与地球磁场之间的相互作用，有了充分的了解，可以统计地预测太阳活动对导航系统的影响现已具备有先进的设备手段检测和跟踪这些活动，但还不能准确预报单个太阳活动时间来保护卫星和修正误差人们最近已发现了太阳的长期变化，表明扰动出现的次数和对导航系统影响的严重性都增加了1. 日地物理太阳辐射的等离子流被称做太阳风，它对地球的磁场有很大的影响，虽然它是连续的，但其流量大小和速度的变化很大地磁场使太阳风能量的绝大多数偏离地球，留下一个低密度的空腔，称为磁层然而，入射能量的一小部分由于一种叫做磁重联的过程而被磁层获取磁重联将地磁场在内部与以太阳起源的弱磁场（也称做行星际磁场桰MF）连接在一起，而IMF是被太阳风流拖至地球的。

这个过程以逆向平行磁场方式工作效果最佳这是因为地磁场相对南向风流呈现为一个北向场，当IMF指向南时，由磁层获取的部分入射能量变得很大太阳风的平均功率流密度是5X10-2Wm-2,它入射在一块大约为3X1016m2的面积上这样入射在地球磁场的功率大约是1.5X1015W，在最好情况下大约其2%（约3X1013W）能量被磁层获取其中约2/3返回到行星际空间，但其它1/3存留在上大气层（通过极光卵中大尺度流体）和磁层内部（通过离子沉降机制）中被极光电流的加热引起的上层大气中的风和成份变化，将向全球传播这些调制改变了电离层中电离速率，因此改变了电离层电子密度和总电子含量的分布粒子加速机制引起被捕获在地磁场中高能离子流量的上升，这些粒子对卫星具有很大的危险，因为绝大多数卫星都处于这个区域从太阳风流获取能量大小的一个很好的指标是地磁起伏的大小，其量化指数如Ap,Kp等我们现在知道许多类型的太阳扰动，以及它们是如何导致地磁活动及伴随的对地球的电离层和辐射环境的影响效应在日冕物质抛射（CME）时太阳辐射出大量物质，每个CME携带1013千克量级的物质（这个量级可与由太阳风造成的物质损失的总量约每天1014千克相比），以每秒350Km的速度行进，并带有1024J的能量。

CME的出现率随11年太阳活动周期的变化上升和下降（太阳活动强弱由太阳黑子数度量）在太阳黑子最小期，CME大约每4天出现一次，但在太阳黑子最大期，上升为一天两次CME向各个方向抛射所以仅对地球有部分影响，粗略讲，太阳黑子最小期CME平均两个星期击中地球一次，太阳黑子最大期间上升到平均每周四次击中地球在地面用日冕观测仪看，朝着地球行进的事件具有“晕”型特征1997年1月SOHO卫星上的设备也观测到这样一个事件，这是第一次从太阳开始全程跟踪这样一个扰动，直到电离层和磁层内部，使人们得以详细研究其效应朝着地球方向的CME仍然很难预测当它们击中地球，引起的地磁活动被归为不可重现一类另一类主要的地磁扰动是可重现的，后者的出现主要是由于地球与靠近太阳赤道的太阳大气层中的日冕洞辐射出的快速太阳风流重复性相交会造成的，（这种太阳风流主要出现在太阳活动周期的下降期）CME和这种快速太阳风流使行星际介质变形CME能从太阳光球带来很多冷密等离子体此外，靠近太阳黑子的太阳耀斑产生X射线，它能使低电离层和沉降到靠近极区上层大气中的高能粒子升高扰动对地球的效应关键依赖于IMF的取向，这是因为它决定了被太阳风获取并停留在地球高空大气中的那部分入射能量。

如果IMF是北向的，扰动事件将击中地球，但不会造成伤害但对南向IMF并非如此，IMF取向确定了太阳扰动的有效性不幸的是，我们仍然没有方法对即将到来的事件的IMF取向进行遥测太阳地球物理现象可对很多系统造成损害，从通信系统、导航系统、广播系统直到输油管线和电力输送系统下面在第二节，我们重点讨论入射到磁层的增强的高能粒子流造成的卫星系统异常，第三节我们重点讨论相应的全球电离层扰动对无线电导航和定位系统的影响，第四节小结2. 太阳扰动造成的卫星异常在磁暴出现期间，由地磁场从太阳风中提取的能量迅速增加提取能量的一部分增加了高能粒子的流量，特别是高能电子的流量这些高能粒子使得卫星的工作环境变得异常恶劣，使其非常易受损害差动带电：带电粒子流能使卫星中的某一部分带电量较其它部分大很多，它可导致卫星表面大放电这可通过仔细设计卫星的表面形状来减少其影响单事件扰动带电粒子产生的卫星电子设备内部的电离有时会引起系统工作异常它们通常是“软”损坏，可通过对受破坏的星上软件的重装来恢复闭锁当单事件扰动（SEU）弓|起不必要的电流时，可能造成卫星电子设备不可恢复的“硬”损坏可以通过较好地星体设计以限制不需要的电流环流的大小。

微电子元件的电力效应半导体内部的高能粒子及其引起的电流可通过欧姆加热和晶格降级造成器件损坏深绝缘体带电持续暴露在高能电子流量中可导致在深绝缘体上自由电子的积累，当其累积速度超过其泄露速度时，可能会导致危险的放电事件卫星轨道下降极光卵中的粒子沉降增强了电喷流，导致了上层大气的全球加热，这就增加了给定高度的电子密度，同时增加了对卫星的摩擦拖拽力，引起其轨道下降以上效应的出现频率和严重性随着太阳活动周期而变化，现在是2001年,正是第23个太阳黑子活动周期的峰年（自有记录以来）太阳活动上升期（97年左右）开始就陆续报道卫星受太阳扰动损害的事件1997年1月，电视卫星Telstar401在一次日冕物质抛射（CME）事件中失效，该事件从太阳到地球的全过程被SoHo卫星跟踪1998年5月的一次太阳爆发事件中，两颗卫星被彻底损坏，另一颗卫星受损，彻底损坏的的卫星是Equator-S（有讽刺意味的是，它正是一颗用于研究太阳地球环境和磁暴的科学探测卫星）和Galaxy4（一颗同步通信卫星）后者的失效造成大范围通信中断和4500万用户的通信服务的中断这些效应对空间飞行体影响的严重性依赖于多种因素，包括空间飞行体的设计、构造和其飞行轨道。

军用GPS卫星系统被设计为较高的标准以适应于较恶劣的环境，另外与同步卫星轨道及其转移轨道不同，GPS卫星的轨道未经过最大的辐射损害区要使卫星获得较长的使用寿命，就要求电子设备具有较强的抗辐射能力、一定的屏蔽防护措施和备份设备，这相应地带来发射重量、电源耗费及成本等一系列的问题3. 电离层扰动对导航定位系统的影响电离层分布在地面六十公里以上至几个地球半径的高度范围内，依高度从下往上可分为D、E、F几个区域，在白天F区又可细分为F1、F2区电离层中电子密度随高度分布变化达四个量级，最大电子密度出现在F区，对应的等离子频率叫做F区临界频率除了高度分布外，电离层中电子密度从高纬向低纬明显增加，低纬电离层电子密度强且异常变化最为剧烈，其重要原因是低纬赤道地区的水平地磁场与地球其他地区相比最强，且该地区接受的太阳辐射能量最多在地磁场赤道两边，电子密度形成南北两个双峰结构，分别位于南北磁纬15度左右形成的原因主要是赤道上空的等离子体受电场和磁场的作用向上漂移，将赤道上空的电子输送到它的两侧据在我国低纬地区观测的结果，在夏季,F区电子密度的北峰在广州一带，在秋、冬、春三季，F区电子密度的北峰将向广州以北移动。

电离层中的等离子体是由部分太阳辐射（远紫外线、a射线、p射线、X射线和宇宙射线）电离中性大气成分产生，因此电离层的电子密度有明显的日变化、季节变化太阳辐射有11年的周期变化，因此电离层电子密度有相应的11年的周期变化太阳黑子活动峰年，电离层电子密度大且其异常变化剧烈卫星导航的原理是卫星导航接收机接收卫星发射的导航测距信号，测量接收机到每颗卫星的距离，在已知卫星位置的前提下求解导航接收机的位置电离层的折射率与真空不同，其折射效应使卫星信号产生附加的时间延迟从而带来导航误差，称折射误差由于电离层一直存在，所以折射误差一直存在它随信号路径上的电离层电子总含量（电子密度沿路径的积分）变化而变化，它是卫星导航误差的主要误差源之一，可高达几十米甚至上百米由于折射误差带来的时间延迟与电波频率的平方成反比，双频GPS接收机可通过比较L1频率和L2频率信号之间的相对延迟去除电离层群延迟这种误差，对定位结果进行修正对单频接收机，只能通过电离层修正模型进行部分修正，但只能修正50%左右的误差除电离层的平稳规则变化外，太阳上的剧烈的能量和物质喷发如太阳风可引起全球性的电离层暴，导致电离层电子密度和电子总含量的变化，从而引起导航信号的折射误差乃至导航定位误差。

太阳活动和一定条件下大气层中出现的非线性不稳定性，可引起电离层电子密度的随机、快速的不均匀起伏变化，从而导致穿越电离层的无线电信号幅度和相位的快速起伏变化，称电离层闪烁低纬地区的电离层闪烁非常严重，电离层电子密度不均匀体的尺度从几十厘米到上千公里，它通常是由多种不稳定过程引起的结果它可能包括声重力波，其波长从几百到几千公里；碰撞瑞利一泰勒不稳定性；EXB梯度漂移不稳定性等；有比较复杂的空间尺度谱结构电离层闪烁另一个频繁出现的地区是高纬地区在低纬和中纬地区，白天闪烁出现较少较弱，闪烁主要出现在夜间，且出现较多较强太阳活动高年闪烁较强，太阳活动低年闪烁较弱电离层闪烁引起的信号幅度和相位的变化可对卫星导航接收机的工作带来不利影响，电离层闪烁对无线电信号影响程度与信号的频率有关，VHF,UHF波段闪烁最强，L波段次之，C波段闪烁较弱根据对随机介质中信号传播的模拟计算分析，较严重的闪烁可引起较大的测距误差，最大可接近折射效应引起的误差当闪烁特别严重时,信号幅度衰减到很小，可造成接收机的环路失锁，无法正常工作同样当相位衰落起伏较大时，由于接收机相位跟踪环路带宽的限制，可能会导致周跳出现和以相位测量为基础的定位系统出现误差，严重时也可能使接收机失锁。

我们在海口观测到的GPS的L频段信号幅度闪烁实例的最大幅度上下起伏达到了20dB闪烁越强,衰落电平低于接收门限的次数和频率就越高，对接收机的正常工作影响也越大当衰落超出了GPS接收机的最低门限值时，该颗卫星的信号就会失锁，失锁的时间通常取决于闪烁信号低于接收机接收门限的时间，但这个时间一般较短据统计，衰落电平低于接受门限的信号的持续时间只有1%超过了200ms这就说明通常很难察觉到到某颗卫星的较长时间的失锁另外，由于一般电离层闪烁发生在距地300公里以上的东西和南北上千公里的范围内，GPS接收机就很难出现空中所有卫星信号都受闪烁影响同时失锁的现象当然在太阳活动高年电离层闪烁出现较多较频繁的低纬赤道地区，时有GPS接收机受闪烁影响而较长时间失锁不能跟踪卫星信号的情况出现目前正值太阳活动高年，我国南方的广东、福建、台湾、海南及南海地区都是电离层闪烁高发地区，对卫星导航接收机的影响比较严重重则能引起接收机卫星信号失锁，一般可导致测量误差增大以上主要是讨论了电离层对无线电信号穿越电离层的卫星导航定位系统的影响，此外太阳活动引起的电离层扰动还影响通过电离层反射的短波（HF频段）超视距雷达的工作，太阳耀斑爆发后，x射线和紫外线辐射使整个电离层电子密度增加，可使D层电子密度增加10倍以上，此时短波信号几乎全部受到D层的吸收，造成通过电离层反射的短波（高频）超视距雷达无法工作，这种现象称为电离层突然骚扰，一般持续时间为几分钟到几个小时。