太陽耀斑對無線電導(dǎo)航通信的影響

摘 要：太陽耀斑是太陽最劇烈的活動，其噴射的X射線和高能粒子可對無線電導(dǎo)航和通信系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響.分析了太陽耀斑爆發(fā)后，影響無線電導(dǎo)航通信系統(tǒng)的機理和過程.耀斑可造成無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位精度下降甚至失效、無線電通信噪聲和誤碼率增大甚至通信中斷.提出了降低太陽活動對導(dǎo)航和通信影響的一些應(yīng)對措施.

關(guān)鍵詞：太陽耀斑;電離層;無線電;導(dǎo)航;通信

中圖分類號：TN961""""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1000-2367（2025）01-0151-06

人們很早就發(fā)現(xiàn)，太陽上存在太陽黑子.當太陽黑子增多時，太陽往往出現(xiàn)閃光——太陽耀斑爆發(fā).太陽耀斑是太陽活動最劇烈的形式［1］.耀斑爆發(fā)時，太陽會突然噴射出大量的X射線和其他高能粒子（“太陽風(fēng)”）.按照在地球附近測量的X射線峰值流量F，太陽耀斑級別由低到高一般可分為：A級、B級、C級、M級、X級［2-3］，詳見表1.2024年已發(fā)生多次X級的太陽耀斑事件.北京時間2024-10-03 20：18，太陽爆發(fā)X9.0（F=9.0×10-4 W/m2）級耀斑，刷新第25太陽活動周（2019-12）以來的最強記錄.大的太陽耀斑噴射的高能粒子沿磁力線進入地球兩極附近，電離大氣層中不同成分的氣體分子，形成絢麗多彩的極光.然而，這美麗的背后卻隱藏著殺機！

1989-03-13，加拿大魁北克省大面積長時間停電；2003-10-19至2003-11-07，發(fā)生了短波通信中斷，歐美日的多顆衛(wèi)星發(fā)生不同程度損壞，我國的“神舟五號”飛船留軌艙運行高度明顯降低；2022-02-04，馬斯克創(chuàng)建的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）發(fā)射的低軌星鏈衛(wèi)星因空氣密度突然增大而墜毀40余顆［4］.這些事件均由太陽耀斑造成.太陽風(fēng)主要會對地球大氣電離層、地球磁場產(chǎn)生直接影響，從而影響電波傳播和電子設(shè)備，還會對外太空的電子設(shè)備以及生物產(chǎn)生直接影響，但在通過大氣層后對中低緯度地區(qū)地表設(shè)備、生物及環(huán)境的直接影響很小.本文著重分析太陽耀斑對無線電導(dǎo)航定位和通信系統(tǒng)的影響，解釋其發(fā)生的過程和機理，并介紹減少這些影響的一些應(yīng)對措施.

1 大氣層分層結(jié)構(gòu)及無線電導(dǎo)航通信中的電波傳播環(huán)境

1.1 大氣層分層結(jié)構(gòu)

大氣層是指圍繞地球的氣體層.它由多種氣體成分混合而成，受地球引力作用被吸引并保持在地球周圍.地球的大氣層是維持生命和氣候的重要保護屏障.根據(jù)溫度變化和其他特性，地球大氣在垂直方向上可以大致分為5層（見圖1）［5-6］.從地面向上分別為：對流層、平流層、中間層、熱層以及散逸層［7］.大氣層中存在一個離子和自由電子濃度較高的區(qū)域，分布在中間層和熱層.它們被統(tǒng)稱為電離層（ionosphere），對無線電導(dǎo)航和通信有重要作用.

電離層的大氣電離方式主要為光化電離和碰撞電離.在不同的高度，大氣層的氣體成分不同，吸收的輻射頻率不同，再加上溫度、大氣運動、大氣電流和電場以及地磁場等因素，使整個電離層成分層結(jié)構(gòu)［8］.依據(jù)電子濃度通常將電離層由下到上分為D層、E層和F層［9］.由于太陽輻射差異，電離層電子濃度的晝夜及季節(jié)變化明顯.

D層主要受光化學(xué)反應(yīng)控制，在夜間消失，其電子濃度相對較小，中性分子比例極大，電子與中性分子的頻繁碰撞導(dǎo)致電波能量轉(zhuǎn)移，所以電離層對電波的吸收效應(yīng)主要發(fā)生在此區(qū)域；E層的電離過程主要受光化學(xué)反應(yīng)和發(fā)電機效應(yīng)控制［10］，其電子濃度與太陽活動呈現(xiàn)正相關(guān)，在夜間電子濃度會降低1～2個數(shù)量級；F層是電離層中電子濃度最大的層，高度在150 km以上，可細分為F1和F2.F1層主要受光化學(xué)反應(yīng)控制，主要在夏季白天時間內(nèi)出現(xiàn)；F2層主要受電離、擴散和地球磁場控制，電子和原子成分的碰撞和復(fù)合概率較低，所以該層在夜間也存在.F2在赤道附近的電子濃度比臨近地磁緯度的電子濃度低而呈現(xiàn)“雙駝峰”結(jié)構(gòu)［8］.電離層對導(dǎo)航和通信系統(tǒng)有重要影響，具體表現(xiàn)為對信號的反射、折射、吸收和擾動.這些影響程度與電離層的高度、電子濃度和太陽活動的強度相關(guān).

1.2 無線電導(dǎo)航通信中的電波傳播環(huán)境

無線電波是指0.03 Hz～3 000 GHz的電磁波（頻率大于3 000 GHz的電磁波則為紅外線、可見光、紫外線等）.無線電波被廣泛用于通信、導(dǎo)航和雷達等領(lǐng)域.無線電波的頻率不同，其傳播特性、可利用的帶寬以及應(yīng)用領(lǐng)域也不同.根據(jù)ITU（International Telecommunication Union）電波頻率的劃分［11］和《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，將無線電波各個頻段和主要應(yīng)用匯總為表2.為確保全球覆蓋和不同環(huán)境下的可靠通信，導(dǎo)航和通信會使用多個頻段.例如，UHF電波（300～3 000 MHz）用小型天線就能和發(fā)送、接收設(shè)備進行通信，UHF特別適合以手機為代表的各種移動通信終端，其中，700～2 500 MHz頻段的電波主要用于手機等移動通信領(lǐng)域，2 500 MHz以上頻率的電波主要用于雷達和無線電導(dǎo)航等.0.3～3 00 GHz的電波統(tǒng)稱微波，其波長相對較短，穿透性強，能穿透電離層、云霧、雨、植被甚至物質(zhì)內(nèi)部，是宇宙探測、遙感技術(shù)、衛(wèi)星通信等的重要技術(shù)手段.

在大氣自由空間中，無線電波傳播損耗較小，主要有如下傳播方式［12］.地波傳播：沿著地球表面?zhèn)鞑サ倪^程；對流層傳播：在對流層與平流層中傳播；電離層傳播：在電離層中的傳播；地-電離層波導(dǎo)傳播：在以低電離層下緣和地面為兩壁，構(gòu)成的同心球殼形波導(dǎo)中傳播［13］.

在水中，無線電波傳播頻率越高，衰減越快.如果希望將電磁波信號送到深水中，就需要適當降低頻率，因此，VLF在對潛通信方面有重要作用.

電離層作為近地空間環(huán)境重要的組成部分，其各個分層都對無線電波的傳播有著重要的影響.其中，D層會吸收LF、MF和HF波的能量.在白天，D層作為地-電離層波導(dǎo)的上邊界，會影響在其中傳播的VLF信號；E層可以反射HF，此外，由于電離層的不規(guī)則性，會對VHF和SHF產(chǎn)生散射［14］；地面臺站之間的遠距離短波通信及天波雷達成像系統(tǒng)主要靠F層對無線電波的反射來實現(xiàn)［8］.

空間天氣對電波信號的影響通常起源于太陽，太陽活動周期會影響大氣層的電離情況，進而影響無線電波的傳播.太陽耀斑引發(fā)的大氣層擾動主要通過增加電離層的電離程度和引發(fā)電離層風(fēng)暴，對電波傳播產(chǎn)生顯著影響.主要影響包括高頻通信中斷、導(dǎo)航系統(tǒng)精度下降、信號閃爍和衛(wèi)星通信干擾.這些影響會對全球范圍內(nèi)的通信和導(dǎo)航系統(tǒng)造成不利影響［15］.

2 太陽耀斑對無線電導(dǎo)航和通信系統(tǒng)的影響分析

2.1 太陽耀斑對近地環(huán)境影響概述

太陽耀斑是太陽表面上一種極為強烈的爆發(fā)現(xiàn)象，通常伴隨著巨大的能量釋放，表現(xiàn)為太陽色球?qū)幽承﹨^(qū)域的突然增亮，通常與太陽黑子活動緊密相關(guān).太陽黑子和太陽耀斑活動有約11 a的周期規(guī)律［16-17］（見圖2）.耀斑爆發(fā)時，太陽會突然噴射出大量的X射線和高能粒子等，X射線以光速約8.3 min到達地球；高能粒子速度相對較慢，1～3 d后到達地球附近［18］.綜合文獻［7］和空間環(huán)境預(yù)報中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，繪制太陽耀斑影響近地環(huán)境時間序列示意圖如圖3所示.耀斑爆發(fā)后，黑子區(qū)域的磁活動可能會持續(xù)幾分鐘到幾十分鐘不等.在短暫時間里，耀斑可釋放相當于十萬至百萬次強火山爆發(fā)釋放的能量.

太陽耀斑爆發(fā)出的大量X射線、高能粒子流、可見光和紫外線等會對地球磁層和大氣產(chǎn)生影響，擾亂近地空間的相對平靜環(huán)境.高能粒子和X射線輻射會對電子設(shè)備和衛(wèi)星等造成損壞，釋放的帶電粒子和磁場擾動與地球的磁場相互作用，引發(fā)磁暴和地磁擾動，會對地磁導(dǎo)航和磁傳感器等系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，甚至損壞電力設(shè)備和通信設(shè)備［19］.當耀斑爆發(fā)時，大量空氣分子被電離，導(dǎo)致電離層D層電子濃度突然增加，等效反射高度迅速降低，造成電離層突然騷擾（sudden ionospheric disturbance，SID），導(dǎo)致依賴電離層反射的無線電波的傳播受到干擾，進而影響無線電通信、導(dǎo)航和定位系統(tǒng).此外，耀斑爆發(fā)時還伴隨著一系列現(xiàn)象，如電磁輻射增強、日冕物質(zhì)拋射和極光活動等.

2.2 太陽耀斑對地面（波）導(dǎo)航和通信的影響

地波傳播是無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ囊环N方式，其效果受到地面導(dǎo)電性、頻率和發(fā)射功率等因素的影響.低頻（30～300 kHz）和中頻（0.3～3 MHz）無線電波波長較長，能夠繞過障礙物，穿透能力強，地面吸收較小，所以地波傳播主要適用于低頻和中頻頻段，廣泛應(yīng)用于中波廣播、Loran-C系統(tǒng)和我國“長河二號”遠程（脈沖相位差）導(dǎo)航系統(tǒng).

由太陽耀斑引起的電離層擾動對于地面上的移動通信系統(tǒng)影響較小，但可能對長波和中波頻段的傳播產(chǎn)生影響.這種影響可能會改變地球大氣層的電導(dǎo)率，導(dǎo)致信號強度變化，尤其是在高緯度地區(qū)較高頻段的地波傳播.M級以上的耀斑可造成短波通信噪聲和誤碼率增大，可用通信頻率減少，甚至通信中斷.

2.3 太陽耀斑對天波通信和導(dǎo)航的影響

天波傳播是指無線電波通過地球電離層的折射或反射傳播.相對地波傳播，天波傳播信號不穩(wěn)定，但可以實現(xiàn)有效的遠距離通信.主要應(yīng)適用于高頻（HF）頻段，通常在3～30 MHz，常用于短波廣播、業(yè)余無線電、軍事通信、遠距離航空和海事通信.

短波通信會穿過電離層的D層，在E層和F層反射.太陽耀斑爆發(fā)時，D層對短波的吸收作用增大，會導(dǎo)致短波廣播覆蓋范圍減小，可靠性下降，信號減弱、中斷.會產(chǎn)生天波導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性降低、無法收聽短波廣播等影響.

2.4 太陽耀斑對地-電離層波導(dǎo)通信和導(dǎo)航的影響

地-電離層波導(dǎo)傳播是指無線電波在地面和電離層形成的波導(dǎo)之間多次反射向前傳播［20］，適用于甚低頻（VLF）和低頻（LF）導(dǎo)航和通信.它在長距離的無線電導(dǎo)航（如Omega和Alpha甚低頻導(dǎo)航系統(tǒng)）、軍事潛艇通信、電離層探測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用.盡管設(shè)備復(fù)雜且成本較高，但其波長長、衰減小、可以進行超遠距離傳輸?shù)忍攸c，使其在特定場景下具有不可替代的重要作用［21］.

當太陽耀斑噴射的X射線引起D層電離度突然增大，低電離層有效的反射高度下降.帶來甚低頻和低頻信號相位發(fā)生突然變化，這種現(xiàn)象稱為相位突然異常（sudden phase anomaly，SPA），可使得VLF和LF導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度降低.實驗證明，用SPA現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)太陽耀斑，比用短波中斷現(xiàn)象更為靈敏［11］.在極區(qū)，太陽耀斑引發(fā)的極光活動會增加電磁干擾，進一步影響地-電離層波導(dǎo)傳播的信號.極區(qū)電離層劇變會導(dǎo)致導(dǎo)航和通信信號在極區(qū)的可用性和可靠性大幅下降.

2.5 太陽耀斑對衛(wèi)星導(dǎo)航和通信的影響

衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星通信是現(xiàn)代科技中不可或缺的兩大領(lǐng)域，各自發(fā)揮著重要作用，同時又能相互補充和協(xié)同工作.衛(wèi)星導(dǎo)航和通信主要使用微波頻段，因為微波具有良好的穿透性、高帶寬和抗干擾能力.這些特性使其非常適合用于長距離和高質(zhì)量的信號傳輸.衛(wèi)星導(dǎo)航提供精確定位和授時服務(wù)，廣泛應(yīng)用于交通、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域.衛(wèi)星通信利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)微波無線電波，從而實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信，覆蓋范圍廣，可以滿足電視廣播、電話通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枨?

太陽耀斑爆發(fā)引起的電離層擾動和地磁暴引發(fā)的空間天氣效應(yīng)會極大程度上影響衛(wèi)星導(dǎo)航和通信系統(tǒng).在通信方面，對L（1～2 GHz）波段和S（2～4 GHz）波段的通信衛(wèi)星影響較大，電離層和地磁層的劇烈變化可能導(dǎo)致微波通信鏈路的臨時中斷，影響衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)傳輸，尤其是低軌道衛(wèi)星.電離層擾動可以改變微波信號的傳播速度和方向，使依賴微波信號的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生測距偏差.

此外，持續(xù)的電離層擾動會導(dǎo)致微波信號的質(zhì)量下降，影響通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.為減輕對衛(wèi)星通信的影響，在電離層擾動期間，可以選擇受影響較小的頻率進行通信.

太陽耀斑引發(fā)的高能粒子還會直接造成衛(wèi)星電子設(shè)備損壞、信號干擾和衛(wèi)星軌道姿態(tài)失控等問題.

3 應(yīng)對措施

為減小太陽耀斑對無線電通信的影響，首先可以建立預(yù)警系統(tǒng).通過光學(xué)望遠鏡直接觀測太陽表面的變化和衛(wèi)星實時監(jiān)測X射線和高能粒子流量，實現(xiàn)對太陽活動的全面監(jiān)測；利用我國已有的電離層垂測站，可以從地面垂直向上發(fā)射調(diào)制的高頻無線電波，并在同一地點接收它的反射信號，測量出電波來回傳播的時間，從而獲得不同頻率的電離層時延，這樣能夠提前1～3 d更準確地預(yù)測太陽耀斑活動效應(yīng)和電離層變化；還可以通過監(jiān)測甚低頻信號相位變化，進行電離層騷擾預(yù)報.其次，在系統(tǒng)設(shè)計時可以配置系統(tǒng)冗余進行有效防范，比如使用多衛(wèi)星系統(tǒng)，確保在某顆衛(wèi)星受到影響時，其他衛(wèi)星能夠繼續(xù)提供通信服務(wù)，同時建立地面?zhèn)溆猛ㄐ畔到y(tǒng)，以應(yīng)對衛(wèi)星通信中斷的情況，確保重要通信的連續(xù)性.還可以采用差分法來提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度.

參 考 文 獻

［1］ANDREWS D G.An introduction to atmospheric physics［M］.2nd ed.Cambridge，Eng：Cambridge University Press，2010.

［2］曾洵文.基于深度學(xué)習(xí)的太陽黑子群磁類型識別與太陽耀斑爆發(fā)預(yù)報研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2022.

［3］ABED A K，QAHWAJI R，ABED A.The automated prediction of solar flares from SDO images using deep learning［J］.Advances in Space Research，2021，67（8）：2544-2557.

［4］LIN D，WANG W B，GARCIA-SAGE K，et al.Thermospheric neutral density variation during the \"SpaceX\" storm：implications from physics-based whole geospace modeling［J］.Space Weather，2022，20（12）：e2022SW003254.

［5］達尼洛夫.淺論高層大氣物理［M］.劉春林，譯.北京：科學(xué)出版社，1984.

［6］LAVERGNAT J，SYLVAIN M.Radio wave propagation［M］.Berlin：Springer，2008.

［7］熊皓.無線電波傳播［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000.

［8］周彩霞，吳振森.電離層波傳播［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2021.

［9］呂保維，王貞松.無線電波傳播理論及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［10］熊年祿，唐存琛，李行健.電離層物理概論［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，1999.

［11］Radio communication Study Group 3.Reference standard atmospheres（ITU-R P.835-3）［R］.［S.l.］：International Telecommunication Union，2004.

［12］《電子工業(yè)技術(shù)詞典》編輯委員會.電子工業(yè)技術(shù)詞典（電波傳播與天線）［M］.北京：國防工業(yè)出版，1977.

［13］晏裕春，蔣宇中，韓郁，等.應(yīng)用FDTD法分析甚低頻傳播特性［J］.艦船電子工程，2006，26（4）：133-136.

YAN Y C，JIANG Y Z，HAN Y，et al.Numerical simulation of the VLF propagation characteristic by applying FDTD method［J］.Ship Electronic Engineering，2006，26（4）：133-136.

［14］王嚴.電離層近垂直電波傳播特性研究［D］.北京：中國電子科技集團公司電子科學(xué)研究院，2021.

［15］張英輝.太陽耀斑對無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的影響［J］.大連海運學(xué)院學(xué)報，1992，18（4）：365-368.

ZHANG Y H.Impact of solar flares on radio navigation systems［J］.Journal of Dalian Maritime Academy，1992，18（4）：365-368.

［16］NGDC.Solar-Geophysical Data prompt reports（Data for May and June 2008）［R］.［S.l.：s.n.］：25.

［17］NGDC.Solar-Geophysical Data comprehensive reports（Data for August 2008）［R］.［S.l.：s.n.］：7.

［18］牛有田，樸金龍，蘇艷芳，等.中緯度地區(qū)粒子沉降和太陽耀斑對甚低頻傳播的影響分析［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，45（6）：31-36.

NIU Y T，PIAO J L，SU Y F，et al.Analysis of particle sedimentation and solar flares on VLF propagation in mid-latitude region［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2017，45（6）：31-36.

［19］TULUNAY Y K，BRADLEY P A.The impact of space weather on communication［J］.Annals of Geophysics，2009，47：941-942.

［20］辛楠.甚低頻電磁波在地：電離層波導(dǎo)中的傳播特性研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2019.

［21］WAIT A D.甚低頻無線工程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1973.

WAIT A D.Very low frequency wireless engineering［M］.Beijing：National Defense Industry Publishing，1973.

Effects of solar flares on radio navigation and communication

Abstract： Solar flares are the most intense activity of the Sun， and their ejected X-rays and high-energy particles can have a significant impact on radio navigation and communication systems. This paper analyzes the mechanisms and processes that affect radio navigation and communication systems after solar flares occur. Flares can cause a decrease in the positioning accuracy or even invalidity of radio navigation positioning systems， an increase in radio communication noise and error rate， and even communication interruption. Some measures are proposed to reduce the impact of solar activity on navigation and communication.

Keywords： solar flare; ionosphere; radio; navigation; communication