太陽風暴對短波電子裝備性能的影響及應對措施

王世凱，柳文，李鐵成

（中國電波傳播研究所，山東青島266107）

太陽風暴對短波電子裝備性能的影響及應對措施

王世凱，柳文，李鐵成

（中國電波傳播研究所，山東青島266107）

目的掌握太陽風暴對短波電子裝備性能的影響及應對措施，為系統設計提供參考。方法分析太陽風暴的表現形式，并從作用距離、目標檢測、定位精度等方面給出太陽風暴對短波超視距雷達、短波通信等裝備的影響。結果電離層SID、電離層暴可造成短波通信中斷，短波通信可用頻段變窄。電離層強吸收可降低天波超視距雷達作用距離和目標定位精度，電子濃度、電離層虛高快速變化影響超視距雷達檢測性能和定位精度，負相電離層暴使天波超視距雷達可用頻段嚴重變窄。地球磁暴期間，電磁場突變產生的強電壓和電流有可能燒毀用于天、地波超視距雷達的電子設備。電離層非規則現象對超視距雷達有嚴重影響。結論太陽風暴對電子裝備性能有利有弊，要分別對待。系統設計時應充分考慮太陽風暴的影響，在出現太陽風暴時，采取針對性措施降低其影響。

電離層；太陽風暴；超視距雷達；短波通信

現代高科技武器電子裝備性能要求越來越高，傳播環境對武器裝備性能的影響不容忽視，除了正常的傳播環境外，太陽風暴是一種避不開的異常環境。文中重點闡述了如何認識太陽風暴，太陽風暴對武器電子裝備的影響包括哪些方面，以及如何應對太陽風暴等技術問題。

1 太陽風暴及對電離層的影響

太陽風暴是指太陽上的劇烈爆發活動及其在日地空間引發的一系列強烈擾動。太陽爆發活動是太陽大氣中發生的持續時間短暫、規模巨大的能量釋放現象[1—2]。

太陽風暴發生后，通常以三種方式向行星際空間噴射能量和物質。針對電離層環境，每一個打擊波造成的影響是不同的，太陽風暴的攻擊手段及時間如圖1所示。

圖1 太陽風暴的攻擊手段及時間

首先是超強的電磁輻射，包括X射線、紫外線、射電輻射等在內的輻射以光速傳播，大約8.3 min后到達地球。主要攻擊目標是向日面電離層環境，攻擊能持續幾十分鐘甚至2 h以上。突增的紫外線和X射線在向日面的地球上空60～90 km處被大氣吸收，直接引起電離層D層的電子密度快速增加，同時D層的高度發生變化。在強太陽風暴期間，該層電子密度增加可達10倍以上，會引起一系列的騷擾現象，如短波突然中斷、吸收突然增強、突然相位異常、突然頻率漂移等，統稱為電離層突然騷擾。

其次是太陽高能粒子，它們以遠超聲速的速度傳播，幾十分鐘后到達地球。主要攻擊目標包括空間飛行器和高緯電離層環境，能持續幾小時到幾十小時。此時地球磁場不再是密不透風的，而是在高緯有個缺口，引起地面50～90 km高度范圍內的電子密度增加，導致高頻無線電波的吸收增強。吸收主要出現在高緯地區，然后逐漸向較低緯度延伸，持續時間為1～60 h，也稱為極蓋吸收。

最后是日冕物質拋射，它攜帶的大量物質和磁場以每秒幾百至幾千公里的速度傳播，幾十小時后到達地球。能攻擊大范圍的地球磁層和電離層環境，持續幾十小時至幾天，產生全球性的電離層電子密度的異常變化，即電離層暴。電離層暴有正暴、負暴和雙相暴等多種形態。其中，正暴是指電離層電子密度和總電子含量的增加，負暴或負相暴是指它們的減小，雙相暴是指增加和減小交替出現。電離層暴的形態與季節和緯度等因素有關。在高緯地區主要出現負暴，在低緯地區主要出現正暴。在中緯地區，冬天正暴居多，負暴則多出現在夏天。

2 對短波通信系統影響的綜合評估[3]

2.1 電離層SID、電離層暴可造成短波通信中斷

電離層突然騷擾（SID）期間，日照面電離層D層的電子濃度突然增加，從而造成高頻（HF）信號的嚴重吸收，甚至可引起突然短波消失（SWF）。SWF持續時間一般從幾分鐘到2 h。

SWF期間，短波信道中斷，短波通信徹底不能工作。例如1989年3月上旬發生的一系列的耀斑爆發和劇烈的“太陽風暴”典型事件，引起了一系列的電離層突然騷擾、極蓋區吸收和電離暴事件，造成了39次短波通訊騷擾，其中有24次是全球性的中斷。2001年3月19日發生的電離層暴，到21日9時，中國大陸及太平洋西岸大面積電離層負暴覆蓋，導致短波通信中斷數小時。2005年1月20日發生的一次X7.9級耀斑爆發，造成大面積短波無線電信號強吸收和信道中斷，其中北京地區信號中斷1個多小時。2006年12月13日北京時間10:30左右，太陽發生一次X3級耀斑爆發，我國各地均發生突然電離層騷擾（SID），廣州、海南、重慶等電波觀測站短波信號從10:20起發生全吸收，信號全部中斷。此次耀斑爆發，直接造成了我國北京、河北、陜西、山西、新疆等地對海南、上海、北京、拉薩方向的短波廣播信號中斷。我國對外廣播的部分電路也受到了不同程度的影響，造成昆明對南亞地區9 MHz以上廣播頻率、喀什對南美地區7 MHz以上廣播頻率、西安對東南亞、南亞和中亞地區9 MHz以上廣播頻率和長春對東南亞地區15 MHz以上廣播頻率中斷。直到13:30左右信號才基本恢復正常。

2.2 電離層暴造成短波通信可用頻段變窄

電離層負相暴期間，電離層F2層最大電子濃度的相對變化一般為－20%～－60%，強電離層暴可達到－100%以上。由于負相暴電離層電子濃度減小，相應臨界頻率降低，直接導致短波通信最高可用頻率（MUF）顯著下降。同時，負相暴擾動期間，伴隨電離層吸收增加，使得最低可用頻率（LUF）增加，這兩方面結合導致HF通信可用頻段嚴重變窄。例如2001年3月21日發生一次較大的電離層暴，這次電離層騷擾是由一次不大的太陽“日冕物質發射(CME)”事件引起的。中、高緯度地區電離層F層的臨界頻率嚴重降低，下降幅度普遍超過50%。2001年4月3日早晨5︰51分(北京時間)，太陽表面發生一次25年來最強烈的X-射線爆發，持續時間約30 min左右。到12點時，最低可用頻率已接近最高可用頻率，可通頻段十分狹小。例如蘭州至新鄉的可通頻段只有2.4 MHz，重慶至新鄉的可通頻段只有1.7 MHz，廣州至新鄉的可通頻段只有3.1 MHz，滿洲里至新鄉的可通頻段只有3.7 MHz。

由于可用頻段變窄，高頻信道用戶都集中在一段窄頻段內工作，造成信道異常擁擠，干擾嚴重，通信環境惡劣，也嚴重影響通信效果。此外，如果HF通信系統在該窄頻段性能不理想（如發射機效率、收發天線的方向性增益等在該頻段不理想），則對通信的影響尤為嚴重。

2.3 地球磁暴對短波通信系統設備的影響

地球磁暴期間，地磁場的突然變化可在高壓輸電系統、電纜線等長導體內產生強電流和高電壓，這種強電流和高電壓可能燒毀變壓器，造成停電。電磁場突變產生的強電壓和電流也有可能燒毀用于HF通信、超視距雷達、電子戰和技術偵察等電子設備。

2.4 電離層暴影響短波通信質量

無論是正相、負相和雙相電離層暴，電離層電子濃度都將出現快速變化。電離層暴期間，電離層F2層最大電子濃度的相對變化一般為±20%～±60%，強電離層暴可達到100%以上。這種快速變化導致HF信號相位隨機抖動，造成頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落，從而使通信誤碼率增加。對于近距離或超遠距離通信鏈路而言，這種影響較中等距離通信更為嚴重。

2.5 極蓋吸收對短波通信的影響

極蓋吸收（PCA）發生在高緯地區，通常在地磁緯度大于64°的區域，出現概率相對較小。主要影響高緯地區的短波通信，或者是穿越高緯地區的短波通信。其主要表現是由于電離層吸收嚴重，可使通信信噪比下降，影響通信性能，甚至造成通信中斷。

2.6 大尺度電離層行擾對短波通信的影響

電離層行擾是暴時極區激發的、向赤道方向以600～700 m/s速度水平傳播的大氣重力波擾動。周期為30 min至幾小時，東西向水平尺度可達幾千公里，傳播上千公里后波形變化不大。它可發生使F2層偏離正常值20%～30%的擾動，嚴重改變無線電波的傳播環境。大尺度電離層行擾（TID）造成通信信號的多徑時延散布和多普勒散布增加，造成短波數字通信碼間串擾和時間選擇性衰落，最終使誤碼率增加。

2.7 Es層對短波通信的影響

強太陽風暴期間，有可能出現強Es(突發E層)，即E區的突發不均勻體，其高度多在90~120 km之間的區域，厚度可達幾百米到數公里，水平尺度可達數百米至上千米，出現的時間不定。在沒有太陽風暴時，Es也會經常出現，在存在Es的情況下，如果不能選擇合適的通信頻率避開電離層F模式單獨利用Es通信或避開Es模式單獨利用F模式通信，則多徑傳播效應明顯，造成數字通信的碼間串擾，增加誤碼率。

3 對天/地波超視距雷達影響的綜合評估

3.1 對天波超視距雷達的影響

天波超視距雷達利用電離層反射實現超遠距離目標的預警探測，配備電波環境診斷分系統，實現電離層的實時探測，為雷達提供工作頻率和坐標變換系數等參數。

3.1.1 電離層SID、電離層暴[4—7]

SWF期間或強吸收期間，HF信道中斷，此時電波環境診斷分系統垂直探測的回波、返回散射探測回波、斜向探測信號都將消失殆盡，而干擾和無線電噪聲監測接收電平也將顯著下降，雷達也將收不到任何回波信息，整個系統完全處于不能工作的狀態。SID發生前后垂測圖的變化如圖2所示。

3.1.2 電離層強吸收

即使沒有出現SWF，SID造成的HF信號強吸收對天波超視距雷達的影響也特別嚴重，它將大大減小天波超視距雷達作用距離。SID期間，電離層吸收較平靜時一般能增加7~40 dB，考慮到天波超視距雷達信號傳播的雙程吸收，雷達作用距離可降低3~100倍。同時，電波環境診斷分系統的垂測、斜測、返回散射探測信號也由于電離層的強吸收而極弱，不能有效提取所需的各種信息，造成一系列的不利影響。如各種電離圖的智能判讀、電離層參數的反演、區域電離層的重構、頻率選擇、傳播效應修正等，最終影響天波超視距雷達目標定位精度。

3.1.3 電子濃度、電離層虛高快速變化

電離層暴變期間導致電離層電子濃度的快速起伏變化，對天波雷達回波信號造成嚴重相位污染，可使天波超視距雷達無法進行有效地相干積累，明顯降低目標回波的雜噪比，影響目標檢測，特別是對于海面低速目標的檢測，影響更為嚴重。除此之外，電離層電子濃度的顯著變化造成沿傳播路徑TEC的變化，電波傳播時延相應也產生明顯變化，電波環境診斷分系統提供的參數無法適應這種快速變化，導致目標定位精度變差。按電子濃度的變化20%~60%范圍計算，可造成PD變換誤差為幾十公里，甚至上百公里。

電離層暴變時，F2層最大電子濃度高度hmF2通常為正相，有時電離層實際高度變化僅20 km，但垂直探測虛高變化達到600 km。例如1989年3月12—16日電離層暴變期間，0°經度鏈附近9個觀測臺站在本地時間的清晨或夜間，各站的虛高同時發生突然增長，最大增長幅度可達150%，120°E經度鏈附近9個臺站也在本地時清晨發生虛高突然增大，最大增幅可達90%。在這種情況下，垂測電離圖反演電離層參數將產生極大的誤差，最終影響探測目標的定位精度。同時，由于虛高突增，斜傳播的群時延也發生極大的變化，經估計，假設電離層實際高度變化僅20 km，垂直探測虛高變化達到600 km，可能造成PD變換誤差至少在150 km以上。

電子濃度的變化還可使F2層反射的短波信號發生頻率突然偏高，然后減小，這種現象稱為突然頻率偏移（SFD）。SFD可使天波雷達檢測的目標多普勒頻率出現突變，SFD持續時間較長的情況下，將導致跟蹤目標的丟失或造成航跡形成困難。

3.1.4 電離層負相暴

負相電離層暴使天波超視距雷達可用頻段嚴重變窄，這與短波通信中的頻段變窄類似。造成HF信道異常擁擠，干擾嚴重，工作環境惡化，將嚴重影響天波超視距雷達性能。

3.1.5 電離層非規則現象[4—5,8]

電離層非規則現象也與太陽及地磁活動有一定的關系，特別是大尺度的TID。沿南北向傳播的大尺度TID將嚴重影響天波超視距雷達定位精度，對于南北向傳播的TID而言，探測目標的方位偏差將顯著增加，最大可達到6°~7°。電波環境診斷分系統提供的PD變換系數和方位修正系數不能適應TID的變化，在TID傳播速度較快、幅度較大的情況下，雷達接收到的同一目標的群路徑信息、方位信息都存在很大的起伏變化，目標多普勒信息也較電離層平靜時期不穩定。在這種情況下，雷達對檢測目標形成航跡將很困難。

圖2 SID期間垂測電離圖的變化

對于天波超視距雷達而言，Es主要影響其作用距離，強遮蔽Es可使天波超視距雷達作用距離縮減到2000 km以內。

3.2 對地波超視距雷達的影響

電離層污染導致雷達性能下降。地波超視距雷達正常工作時，由于其收發天線的非理想性，除了絕大部分能量以地波方式沿海面傳播外，還有部分能量可能通過天波傳播，形成電離層回波污染，電離層回波污染是影響其探測性能的一個重要因素。遭電離層污染的典型雷達多普勒譜圖如圖3所示，目標回波信號淹沒在電離層污染譜中，對目標檢測造成極大困難。

圖3 遭電離層污染的地波超視距雷達多普勒譜圖

電離層暴期間電離層電子濃度的快速變化造成的電離層污染對地波超視距雷達檢測性能造成嚴重影響。Es反射回波剛好落在地波超視距雷達有效探測距離之內，將對地波超視距雷達產生電離層污染，可嚴重影響其檢測性能[9—10]。SWF對HF地波傳播基本上沒有什么影響，相反，由于HF天波信號的突然消失，使得地波超視距雷達沒有天波信號的干擾或干擾大幅降低，這種情況對地波超視距雷達的目標檢測極為有利。負相電離層暴導致的信道變窄對地波超視距雷達有利，其一是電離層污染減少，其二是工作信道HF干擾較少。

4 對短波電子戰裝備影響的綜合評估

電離層突然騷擾SID造成的HF信號強吸收或SWF，對電子戰系統的影響特別嚴重，其最顯著的影響之一是使電子干擾作用距離大大減小。同時，強吸收造成嚴重的吸收衰落，由于衰落的影響，在99.3%的時間內，接收點的場強比中值要低20~40 dB，而最大衰落深度能達到60 dB。如此嚴重的衰落效應使得到達干擾目標的干擾功率在很多時候都衰落掉了，無法有效實施對目標的干擾，使其處于癱瘓狀態。SWF期間，高頻信道中斷，HF電子干擾系統失去其工作能力。

負相電離層暴使HF電子干擾系統可用頻段嚴重變窄，甚至使短波信道中斷。電離層暴期間發生的電離層強吸收可大大減小電子干擾系統的作用距離。

大尺度電離層行擾TID造成電離層大尺度的傾斜。這種傾斜使得電磁波偏離大圓面傳播，從而使HF電子干擾系統無法對目標實施精確打擊，甚至會適得其反，干擾己方目標。

5 對短波技偵裝備影響的綜合評估

電離層突然騷擾期間，電離層強吸收使被偵聽信號信噪比降低，效果差，甚至無法正常工作。電離層負相暴使技偵系統的可用頻段變窄，高頻率信號將穿透電離層，而低頻段的信號由于電離層的強吸收而在接收端收不到信號。電離層正相暴期間導致電子濃度增加，電波傳播的群時延相對于平靜時期將增加數百公里，對單站定位系統造成數百公里的定位誤差。

無論正相暴還是負相暴，電離層電子濃度的隨機起伏都將造成測向信號波前擾動，造成來波真實方向的改變。對單站測向的準確性和有效性造成嚴重影響，從而對整個技偵網的交匯定位精度造成嚴重影響，也會造成信號來波仰角起伏、跳變較電離層平靜時期更加劇烈。大尺度電離層行擾TID造成電離層大尺度的傾斜，這種傾斜使得電磁波偏離大圓面傳播，由此產生測向誤差，由于TID造成的測向誤差有時可達到7°~8°。

Es對技偵裝備的影響主要是降低其作用距離。此外，在半遮蔽Es情況下，多徑效應使得到達測向天線的電波呈現多個方向的波前，形成多波場干擾，引起接收信號的波前擾動，造成真實方向的改變，對測向的準確性和有效性造成嚴重影響。同時由于傳播路徑不唯一，經不同路徑傳播的電波到達偵收點的場強衰減量也不同，因此，根據接收信號場強判斷敵方目標屬性變得相當復雜。

6 太陽風暴的應對措施

在太陽風暴期間，采取相應的措施，可在一定程度上改善電子裝備性能。下面以高頻雷達為例進行說明。

6.1 對付SID攻擊的手段

1）適當提高系統發射功率。SID期間，雷達本身發射的無線電波吸收嚴重，其他高頻用戶也不可避免遭受這種強吸收。此時干擾減少，環境噪聲也有所降低，環境反而干靜，提高系統發射功率能有一定的效果。

2）盡可能提高工作頻率。無線電波頻率越高，吸收越小，因此可盡量使用高頻工作，減少電離層的吸收。頻率不能超過MUF，否則，不但起不到改善效果，反而什么也看不到了。

SID造成信道中斷的時間一般不會持續很長時間，而且只發生在白天，因此一旦發生SID，應當及時和有關部門溝通，調整當前的工作任務，做好下一步規劃。

6.2 對付電離層暴的手段

1）電離層負相暴期間，由于電子濃度降低，導致雷達最高可用頻率降低，同時可能伴隨吸收增加。此時可以從電波環境診斷分系統的探測結果中判斷是最高可用頻率降低還是電離層吸收增加，或二者兼而有之，然后可以針對具體情況，采取有效措施。如果最高可用頻率降低，則需要降低頻率工作，保證雷達發射的無線電波不至于穿透電離層，能夠覆蓋到要探測的區域，但頻率不能降低到最低可用頻率LUF以下；如果伴隨有電離層吸收增加，LUF也會增加，高頻用戶的可用頻段壓縮，此時信道擁擠，因此應該盡可能提高發射功率。

2）如果出現Es，可采取以下措施：當Es是半遮蔽時，對于近距離區域可適當降低工作頻率，有可能使無線電波不穿透Es進入F層，防止能量分流，提高目標檢測概率；當Es是全遮蔽時，為了能看到遠距離目標，可以盡可能地提高工作頻率，有可能使無線電波穿透Es進入F層，從而看到更遠的目標。

3）當出現電離層傾斜時，可適當調整工作頻率，因為同樣傾斜的情況下，不同頻率的作用距離是不同的，調整頻率對鎖定探測距離是有效的。

4）太陽風暴期間應盡可能縮短電波環境診斷分系統的工作周期，使其盡可能跟上快速變化的電離層，及時更新雷達工作頻率和其他參數，可有效改善雷達性能。

正確認識太陽風暴對短波電子裝備性能的影響及應對措施，對充分發揮武器裝備性能具有重要意義。

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Impacts of Solar Storm on Performance of Shortwave Electronic Equipment and Solutions

WANG Shi-kai,L IU Wen,LI Tie-cheng
(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

ObjectiveTo master impacts of solar storm on performance of shortwave electronic equipment and corresponding solutions and provide reference for system design.MethodsThe forms of solar storms were analyzed and influences of solar storm on shortwave beyond visual range radar,short wave communication,etc.were given from ranging coverage,object detection,positioning accuracy et al.ResultsThe ionosphere SID and ionospheric storm could interrupt shortwave communication and narrow shortwave spectrum of communication.Strong ionospheric absorption could decrease the sky-wave over-the-horizon radar range and target location accuracy and electron concentration.The inflated rapid change of the ionosphere affected the over-the-horizon radar detection performance and positioning precision.Negative phase ionospheric storm narrowed the available spectrum of the sky-wave over-the-horizon radar severely.During geomagnetic storms,strong electromagnetic field,mutation of voltage and current may burn electronic equipment for sky-ground wave over-the-horizon radar.Irregular phenomenon of ionosphere had serious influences on over-the-horizon radar.ConclusionThe solar storm is both advantageous and disadvantageous to performance of electronic equipment.It should be treated respectively.During system design,it is required to take full consideration on influences of solar storm and take corresponding measures to reduce influences of solar storm when it appears.

ionosphere;solar storm;over the horizon radar;shortwave communication

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.003

TJ07；TN011

A

1672-9242(2017)07-0012-06

2017-03-21；

2017-04-15

國家自然科學基金（61331012）

王世凱（1979—），男，河北人，碩士，高級工程師，主要從事電離層電波傳播及工程應用等方面的研究。