太陽風暴對電離層及BDS用戶定位影響分析

姜 意，羅方妧，劉 宸，王 威，王宇譜

（北京衛星導航中心，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27 d自轉周在內的不同時間尺度的規則變化，還有瞬時的強烈爆發[1]。劇烈的太陽活動事件，如耀斑、日珥爆發、日冕物質拋射（corona mass ejection， CME）等，常引發X射線暴、粒子暴和等離子體物質的快速拋出，常稱之為太陽風暴。它們在地球空間引起各種效應，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）等參數會出現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，反之稱為負暴[6]。太陽活動使電離層發生顯著變化，是影響衛星導航定位信號完好性的重要因素和主要誤差源之一[7]。

協調世界時（coordinated universal time， UTC）2017年 9月 6日太陽爆發 2005年以來的最強耀斑，達到X9.3級。2017年9月8日地球磁場發生大地磁暴。2017年9月10日太陽再次爆發級別為X8.2級的耀斑。2017年 9月 12日至2017年 9月13日地球磁場發生小地磁暴。2017年9月14日地球磁場發生中等地磁暴。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到小高能電子暴水平。

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

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

1 B1、B3雙頻電離層VTEC的計算

根據衛星導航定位原理，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]，在此不作詳細介紹。

根據式（3），在BDS導航電文中已經給出了衛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[12]中 BDS的Klobuchar模型采用的映射函數，可將TEC轉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日分別發生強太陽風暴現象。分別選取北京、成都、三亞的實際觀測結果，利用接收的導航電文計算不同緯度地區在太陽風暴前后 8 d的 B1、B3雙頻電離層時延、BDS離層K8參數模型（BDS-K8）時延、電離層格網時延，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，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 太陽風暴對BDS衛星可用性影響

在太陽風暴期間，地球周圍的帶電粒子數量和能量增加。當航天器穿過這些高能環境時，會發生表面充電、內部擊穿放電和航天器與空間擊穿放電，以及深層充電等嚴重威脅航天器安全的現象；太陽高能粒子的轟擊還會導致單粒子事件，改變計算機的軟件指令，甚至導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，導致航天器軌道下降和壽命縮短；在強磁暴期間，同步軌道衛星會經常穿越地磁場反轉的區域，對于使用磁定位的衛星來說，姿態控制可能出現方向性錯誤。

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

從圖1至圖 3可以得出，北京地區在2017年9月8日雙頻電離層結果出現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日雙頻電離層結果出現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日雙頻電離層結果有明顯負暴。成都地區在2017年9月11日雙頻電離層結果出現明顯異常高峰，VTEC峰值比前后2 d均高出約60個TECU，2017年9月12日雙頻電離層結果有明顯負暴。三亞地區在 2017年 9月 7日、2017年 9月 8日和2017年9月13日雙頻電離層結果出現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果出現明顯異常波動。

太陽風暴期間8參數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 %。而電離層格網結果仍能較好地修正電離層延遲。同時，低緯度地區雙頻電離層結果整體沒有明顯擾動，但在2017年9月8日夜間出現明顯擾動。但整體BDS-K8模型改正效果一般，改正精度大約僅有60 %。

太陽風暴對中低緯度地區影響顯著，伴隨不同程

表1 UTC 2017-09-09—2017-09-13 BDS衛星可用性統計

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

4 太陽風暴期間各站定位情況

本文利用國際全球衛星導航系統服務（International Global navigation satellite system Service， IGS）提供的精密星歷和衛星鐘差以及電文中的電離層格網改正數和等效鐘差改正數，統計了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：三亞優于成都優于北京。

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，北京單頻基本導航結果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；單頻基本導航結果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；單頻基本導航結果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。

由上述結果可以發現，太陽風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日影響最為嚴重達到8 m左右。單頻增強模式使用了衛星播發的格網改正數，可有效減小電離層異常對定位精度帶來的影響。

5 結束語

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

1）本次太陽風暴對中低緯度電離層造成一定影響，電離層發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電離層 VTEC峰值升高約10～30個TECU，對成都地區影響不明顯。2017-09-10的太陽耀斑使得成都地區電離層 VTEC峰值升高約60個TECU，北京地區電離層VTEC峰值升高約10個TECU，對三亞地區影響不明顯。該次太陽風暴對區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。從實際定位結果可以看出，太陽風暴期間，雙頻模式定位結果穩定，明顯優于單頻基本導航模式。單頻基本導航模式使用 K8模型消除電離層延遲，太陽風暴期間，BDS-K8模型改正精度下降10 %～20 %左右，使得單頻基本導航模式結果U方向誤差較大，嚴重影響了用戶定位結果，3維定位性能平均下降3 m左右，2017-09-11影響最為嚴重達到8 m左右。單頻增強模式定位精度接近甚至優于雙頻結果。太陽風暴期間，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）太陽風暴對BDS 導航衛星可用性產生一定影響，尤其是GEO衛星。由于目前可視衛星較多，單個衛星故障對PDOP值影響較小。如果太陽風暴較強，多顆衛星同時故障，將對PDOP值造成較大影響。