太陽風(fēng)暴對電離層及BDS用戶定位影響分析

姜 意，羅方妧，劉 宸，王 威，王宇譜

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

0 引言

地球高層大氣在太陽X射線和極紫外（X-ray and extreme ultraviolet， XUV）輻射的作用下被加熱、解離，還被部分電離形成了電離層。觀測研究表明，太陽XUV輻射具有包括約11年太陽黑子周和準(zhǔn)27 d自轉(zhuǎn)周在內(nèi)的不同時間尺度的規(guī)則變化，還有瞬時的強烈爆發(fā)[1]。劇烈的太陽活動事件，如耀斑、日珥爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射（corona mass ejection， CME）等，常引發(fā)X射線暴、粒子暴和等離子體物質(zhì)的快速拋出，常稱之為太陽風(fēng)暴。它們在地球空間引起各種效應(yīng)，如磁暴、電離層暴、熱層暴和高能粒子暴等[2]。伴隨著磁暴的發(fā)生，電離層總電子含量（total electron content，TEC）、電離層 F2層臨界頻率（foF2）等參數(shù)會出現(xiàn)幾小時至幾天劇烈的變化，這種變化被稱為電離層暴[3-5]。電離層暴有正暴和負(fù)暴之分，一般把暴時foF2（NmF2）相對寧靜時增大的情況稱為正暴，反之稱為負(fù)暴[6]。太陽活動使電離層發(fā)生顯著變化，是影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號完好性的重要因素和主要誤差源之一[7]。

協(xié)調(diào)世界時（coordinated universal time， UTC）2017年 9月 6日太陽爆發(fā) 2005年以來的最強耀斑，達(dá)到X9.3級。2017年9月8日地球磁場發(fā)生大地磁暴。2017年9月10日太陽再次爆發(fā)級別為X8.2級的耀斑。2017年 9月 12日至2017年 9月13日地球磁場發(fā)生小地磁暴。2017年9月14日地球磁場發(fā)生中等地磁暴。2017年9月6日至2017年9月12日期間，地球同步軌道高能電子通量達(dá)到小高能電子暴水平。

文獻(xiàn)[8]分析了2003年10月29日太陽耀斑期間，地磁場產(chǎn)生劇烈擾動，電離層電子濃度突然增加的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[9]提出了基于歷史周期項參數(shù)的電離層模型優(yōu)化方法，實現(xiàn)了利用較短時段太陽風(fēng)暴期間電離層穿刺點觀測數(shù)據(jù)擬合電離層模型振幅參數(shù)，顯著提升了太陽風(fēng)暴期間電離層模型改正精度。文獻(xiàn)[10]利用地球靜止軌道（geostationary Earth orbit， GEO）衛(wèi)星的靜地特性，對電離層電子濃度變化進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system， BDS）可以為我國區(qū)域的電離層監(jiān)測提供新的手段。

但當(dāng)前關(guān)于太陽風(fēng)暴對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及衛(wèi)星導(dǎo)航用戶的影響的研究并不多。本文通過分析太陽風(fēng)暴前后電離層的變化情況，從對BDS衛(wèi)星可用性的影響，對不同定位模式定位結(jié)果的影響等方面來綜合分析此次太陽風(fēng)暴對BDS定位帶來的影響。

1 B1、B3雙頻電離層VTEC的計算

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理，BDS偽距觀測方程可以表示為

式中：1P代表B1頻點的偽距觀測量；ρ為星地幾何距離；δtr為站鐘時間偏差；δts為星鐘時間偏差；TEC為觀測路徑上的總電子含量；dtrop為對流層延遲；為天線相位中心改正；dtides為潮汐改正；M1和1ε為B1頻點的多路徑延遲和噪聲；和分別為衛(wèi)星和接收機B1頻點的通道時延；M3和3ε為B1頻點的多路徑延遲和噪聲；和分別為衛(wèi)星和接收機 B3頻點的通道時延；f1和f3分別為 B1頻點、B3頻點的載波頻率。由于1P和3P存在噪聲，因此采用載波相位平滑偽距，平滑方法采用L4組合法平滑偽距[11]，在此不作詳細(xì)介紹。

根據(jù)式（3），在BDS導(dǎo)航電文中已經(jīng)給出了衛(wèi)星和接收機頻率間偏差，忽略多徑誤差和隨機噪聲影響的情況下，通過 B1、B3頻點的偽距觀測量就可以求得TEC。

利用文獻(xiàn)[12]中 BDS的Klobuchar模型采用的映射函數(shù)，可將TEC轉(zhuǎn)換為天頂方向電離層電子總含量（vertical total electron content， VTEC），即

式中：VTEC天頂方向電離層電子總含量；TEC為觀測路徑上的總電子含量；z為穿刺點的天頂距。

2 太陽風(fēng)暴對BDS電離層的影響

UTC 2017年9月6日和2017年9月10日分別發(fā)生強太陽風(fēng)暴現(xiàn)象。分別選取北京、成都、三亞的實際觀測結(jié)果，利用接收的導(dǎo)航電文計算不同緯度地區(qū)在太陽風(fēng)暴前后 8 d的 B1、B3雙頻電離層時延、BDS離層K8參數(shù)模型（BDS-K8）時延、電離層格網(wǎng)時延，如圖1至圖3所示。度的電離層擾動。同時，電離層變化與太陽活動的變化密切相關(guān)，但存在滯后性，一般滯后1～3 d[13-16]。

圖1 UTC 2017-09-07—2017-09-13北京電離層延遲

圖2 UTC 2017-09-07—2017-09-13成都電離層延遲

圖3 UTC 2017-09-07—2017-09-13三亞電離層延遲

3 太陽風(fēng)暴對BDS衛(wèi)星可用性影響

在太陽風(fēng)暴期間，地球周圍的帶電粒子數(shù)量和能量增加。當(dāng)航天器穿過這些高能環(huán)境時，會發(fā)生表面充電、內(nèi)部擊穿放電和航天器與空間擊穿放電，以及深層充電等嚴(yán)重威脅航天器安全的現(xiàn)象；太陽高能粒子的轟擊還會導(dǎo)致單粒子事件，改變計算機的軟件指令，甚至導(dǎo)致微芯片的物理損壞；空間天氣事件期間地球高層大氣會被加熱并膨脹，從而顯著增加對航天器的拖曳力，導(dǎo)致航天器軌道下降和壽命縮短；在強磁暴期間，同步軌道衛(wèi)星會經(jīng)常穿越地磁場反轉(zhuǎn)的區(qū)域，對于使用磁定位的衛(wèi)星來說，姿態(tài)控制可能出現(xiàn)方向性錯誤。

本次太陽風(fēng)暴于2017年9月6日至2017年9月12日產(chǎn)生高能電子暴，很可能對BDS GEO衛(wèi)星可用性造成了一定影響，除1號星外，其余GEO衛(wèi)星均受到不同程度的影響。具體可用性統(tǒng)計見表1。

從圖1至圖 3可以得出，北京地區(qū)在2017年9月8日雙頻電離層結(jié)果出現(xiàn)明顯異常高峰和波動，VTEC峰值比前后 2 d均高出約 20～30個 TECU。TECU是“total electron content units”的縮寫詞，表示總電子含量單位。1個 TECU等于 1016個電子/平方米。2017年9月13日雙頻電離層結(jié)果出現(xiàn)明顯異常高峰和波動，VTEC峰值比前后2 d均高出約 10個TECU，2017年9月9日至2017年 9月12日雙頻電離層結(jié)果有明顯負(fù)暴。成都地區(qū)在2017年9月11日雙頻電離層結(jié)果出現(xiàn)明顯異常高峰，VTEC峰值比前后2 d均高出約60個TECU，2017年9月12日雙頻電離層結(jié)果有明顯負(fù)暴。三亞地區(qū)在 2017年 9月 7日、2017年 9月 8日和2017年9月13日雙頻電離層結(jié)果出現(xiàn)明顯異常高峰和波動，VTEC峰值比前后 2 d均高出約 10個TECU；2017年9月8日夜間雙頻電離層結(jié)果出現(xiàn)明顯異常波動。

太陽風(fēng)暴期間8參數(shù)模型的改正精度大幅降低，個別時段其改正精度甚至低于30 %。而電離層格網(wǎng)結(jié)果仍能較好地修正電離層延遲。同時，低緯度地區(qū)雙頻電離層結(jié)果整體沒有明顯擾動，但在2017年9月8日夜間出現(xiàn)明顯擾動。但整體BDS-K8模型改正效果一般，改正精度大約僅有60 %。

太陽風(fēng)暴對中低緯度地區(qū)影響顯著，伴隨不同程

表1 UTC 2017-09-09—2017-09-13 BDS衛(wèi)星可用性統(tǒng)計

結(jié)合圖4中各站位置精度因子（position dilution of precision， PDOP）值情況，太陽風(fēng)暴造成的衛(wèi)星不可用，但由于目前可視衛(wèi)星較多，單個衛(wèi)星故障對PDOP值影響較小，并未明顯影響3個站的PDOP值。如果太陽風(fēng)暴較強，多顆衛(wèi)星同時故障，將對PDOP值造成較大影響。

4 太陽風(fēng)暴期間各站定位情況

本文利用國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)（International Global navigation satellite system Service， IGS）提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差以及電文中的電離層格網(wǎng)改正數(shù)和等效鐘差改正數(shù)，統(tǒng)計了2017年9月6日至2017年9月13日北京、三亞、成都3個地區(qū)BDS B1頻點基本、B1頻點增強和B1、B3雙頻基本模式的定位情況、以及各地區(qū)PDOP值情況。如圖4、表2、表3和表4所示，定位精度由高到低大致為B1、B3雙頻基本，B1單頻差分，B1單頻。PDOP值情況：三亞優(yōu)于成都優(yōu)于北京。

圖4 北京、成都、三亞定位與PDOP情況

表2 北京BDS B1基本、B1增強、B1、B3雙頻基本模式定位情況（95 %）

續(xù)表2

表3 成都BDS B1基本、B1增強、B1、B3雙頻基本模式定位情況（95 %）

表4 三亞BDS B1基本、B1增強、B1、B3雙頻基本模式定位情況（95 %）

由表2至表4可以看出，除個別天外，北京單頻基本導(dǎo)航結(jié)果N方向誤差小于 1.9、E方向誤差小于1.7，U方向誤差小于5 m；單頻增強模式結(jié)果N方向誤差小于1.9，E方向誤差小于1.1，U方向誤差小于2.5 m；雙頻結(jié)果N方向誤差小于2，E方向誤差小于1.5，U方向誤差小于3.5 m。三亞雙頻結(jié)果N方向誤差小于0.7，E方向誤差小于1.5，U方向誤差小于3.8 m；單頻基本導(dǎo)航結(jié)果N方向誤差小于3.4、E方向誤差小于2，U方向誤差小于4 m；而單頻增強模式結(jié)果N方向、E方向誤差小于 1，U方向誤差小于2 m。成都雙頻結(jié)果N方向誤差小于0.7，E方向誤差小于1.5，U方向誤差小于3.8 m；單頻基本導(dǎo)航結(jié)果N方向誤差小于3.4、E方向誤差小于2，U方向誤差小于4 m；單頻增強模式結(jié)果N方向、E方向誤差小于1，U方向誤差小于2 m。

由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，太陽風(fēng)暴是通過影響單頻電離層修正來影響定位精度，對單頻基本模型定位精度的影響主要是在U方向上，2017年9月11日影響最為嚴(yán)重達(dá)到8 m左右。單頻增強模式使用了衛(wèi)星播發(fā)的格網(wǎng)改正數(shù)，可有效減小電離層異常對定位精度帶來的影響。

5 結(jié)束語

本文從太陽風(fēng)暴前后電離層變化、BDS衛(wèi)星可用情況、不同定位模式下偽距定位結(jié)果差異3個方面分析太陽風(fēng)暴對電離層以及 BDS用戶定位的影響，研究表明：

1）本次太陽風(fēng)暴對中低緯度電離層造成一定影響，電離層發(fā)生明顯的異常高峰和波動。2017-09-06的太陽耀斑使得北京和三亞地區(qū)電離層 VTEC峰值升高約10～30個TECU，對成都地區(qū)影響不明顯。2017-09-10的太陽耀斑使得成都地區(qū)電離層 VTEC峰值升高約60個TECU，北京地區(qū)電離層VTEC峰值升高約10個TECU，對三亞地區(qū)影響不明顯。該次太陽風(fēng)暴對區(qū)域電離層模型精度整體影響較大。

2）雙頻定位模式從理論上可以最大限度消除電離層延遲帶來的誤差。從實際定位結(jié)果可以看出，太陽風(fēng)暴期間，雙頻模式定位結(jié)果穩(wěn)定，明顯優(yōu)于單頻基本導(dǎo)航模式。單頻基本導(dǎo)航模式使用 K8模型消除電離層延遲，太陽風(fēng)暴期間，BDS-K8模型改正精度下降10 %～20 %左右，使得單頻基本導(dǎo)航模式結(jié)果U方向誤差較大，嚴(yán)重影響了用戶定位結(jié)果，3維定位性能平均下降3 m左右，2017-09-11影響最為嚴(yán)重達(dá)到8 m左右。單頻增強模式定位精度接近甚至優(yōu)于雙頻結(jié)果。太陽風(fēng)暴期間，用戶使用雙頻模式和單頻增強模式，可以有效減小電離層異常帶來的影響。

3）太陽風(fēng)暴對BDS 導(dǎo)航衛(wèi)星可用性產(chǎn)生一定影響，尤其是GEO衛(wèi)星。由于目前可視衛(wèi)星較多，單個衛(wèi)星故障對PDOP值影響較小。如果太陽風(fēng)暴較強，多顆衛(wèi)星同時故障，將對PDOP值造成較大影響。