衛星導航系統空間環境保障鏈

竇長江，唐 云，楊睿峰，馬 煦

(北京衛星導航中心， 北京 100094)

衛星導航系統作為天地一體定位、導航、授時天基時空信息服務系統，包括空間段、控制段以及用戶段，已經成為信息社會萬物互聯、萬物感知、萬物智能的重大空間信息基礎設施。相比傳統無線電導航，基于空間環境固有特征提高衛星導航系統在軌空間環境保障能力，是確保衛星導航系統衛星在軌安全，提升系統運行和服務性能的迫切需求[1-2]。論文從構建衛星導航系統空間環境保障鏈的角度，重點研究了衛星導航系統空間環境保障需求、保障要素、保障模式和綜合效能等方面內容。

1 衛星導航系統空間環境對時空信息服務性能的影響分析

1.1 衛星導航系統空間環境固有特征

相對陸地以地形，海洋以水文，天空以氣候為其固有環境特征，太空是以強輻照為固有環境特征。對于衛星導航系統而言，時刻面臨著太陽風暴等各種典型空間環境事件影響。太陽大氣層一旦發生太陽風暴事件，短則幾分鐘，長則幾十分鐘，乃至幾十個小時，以光速傳播的電磁輻射、以近光速傳播的高能粒子和以每秒數百千米以上速度傳播的等離子體云，太陽風暴噴射的物質和能量就會抵達近地空間，引起地球磁層、電離層、中高層大氣等地球空間環境持續強烈擾動，顯著地改變衛星系統在軌空間環境和地面系統正常運行和使用環境[3]。

衛星導航系統衛星星座在軌運行軌道(包括GEO/IGSO/MEO衛星軌道)處于地球外輻射帶的中心及外帶外側，容易受太陽輻射粒子、地磁俘獲粒子、銀河宇宙線、電離層擾動以及地磁活動影響，影響程度與空間環境的擾動程度密切相關，如圖1所示。因此重大空間環境事件將顯著改變衛星導航系統衛星星座(包括GEO/IGSO/MEO衛星軌道)在軌運行軌道空間環境，尤其中軌道MEO衛星，從而引起導航衛星在軌異常，影響導航衛星信號的可用性和精度。

1.2 衛星導航系統空間環境對于時空信息服務性能的影響

根據衛星導航系統空間環境的固有特性，空間環境對衛星導航系統時空信息服務性能的影響主要體現為衛星導航信號可用性非計劃中斷或精度性能下降，通常包括以下幾種異常類型，其中由于一起典型空間環境事件引起衛星導航信號可用性和用戶定位精度異常如圖2～圖4所示。

圖4 空間環境事件引起用戶定位精度異常

1) 衛星導航信號可用性長期非計劃中斷。重大空間環境事件引起導航衛星軌道高能帶電粒子急劇增加，會穿透衛星外殼，對衛星平臺以及有效載荷造成多種輻射效應，造成導航衛星“硬損傷”，影響導航衛星在軌安全,造成衛星導航信號可用性長期非計劃中斷。

2) 衛星導航信號可用性短期非計劃中斷。重大空間環境事件引起地球地磁磁暴，會引起導航衛星充放電現象，造成導航衛星“軟損傷”和星地系統運行故障，影響星地系統正常運行，造成衛星導航信號可用性短期非計劃中斷。

3) 衛星導航信號可用性短期非計劃降低。重大空間環境事件引起大氣層中電離層分層混亂，會引起導航衛星下行信號衰落，電離層修正率下降，用戶定位精度或通信質量下降，甚至造成用戶定位失敗或者衛星通信鏈路中斷，造成衛星導航信號可用性短期下降。

為降低衛星導航系統空間環境對時空信息服務的影響，主要采取以下方法：一種是通過導航衛星輻射加固和在軌自動恢復設計，減少導航衛星由于空間環境事件引起在軌異常的次數，從而提高導航衛星自身應對空間環境事件能力；一種是通過構建空間環境保障體系，實現衛星導航系統空間環境的監測、預警、應對環節業務一體化，降低由于空間環境事件引起導航衛星在軌異常對導航信號可用性的影響。

2 國外衛星導航系統空間環境保障情況

2.1 美國GPS系統空間環境保障情況

美國主要依托美國國防部下設的多軍兵種以及美國政府相關部門，向GPS系統等天基信息系統提供應對太陽風暴以及空間環境主動攻擊等方面的空間環境信息服務保障。其中美國空軍氣象局負責軍用空間天氣產品和預警信息的研究服務，主要業務包括太陽活動、電離層及磁層監測、預報及預警等；空軍天軍司令部負責空間態勢感知業務融合保障；美國航天局負責向軍方提供空間環境的數據支持，美國國家海洋和大氣管理局天氣預報中心負責面向軍方提供空間天氣預報信息。對于GPS系統等重要軍事衛星在軌風險管理，美軍已建立融合空間環境態勢感知、空間環境核心數據設計和質量管理、衛星故障識別和風險評估、預警信息互通和應急響應業務一體的空間環境應對機制，并將空間事件預警和應對列入《太空作戰》條令。同時為促進空間環境保障與衛星業務和作戰任務的深度融合，美軍在衛星業務部門和作戰部門設置專家組或專職崗位。譬如：美國航天局空間輻射風險管理保障體系設置了空間輻射分析與飛行專家組，作為常設機構負責衛星輻射環境和任務的影響評估，是連接空間環境預報中心和飛行任務控制中心的關鍵環節。其中：衛星運行輻射環境分析及其對飛行任務影響評估，包括輻射、效應、衛星、業務等各方面的專業人員。同時美軍作戰機構中，設置了空間環境崗位，負責評估空間環境事件預警信息對本部門作戰、訓練和裝備的影響，制訂應對措施[4]。

2.2 歐盟Galileo系統空間環境保障情況

歐盟主要依托歐空局所屬空間環境和效應分析部制訂和實施歐洲空間天氣計劃，為Galileo系統等天基信息系統提供空間環境信息服務保障。歐洲空間天氣計劃是根據歐盟自身特點，以用戶需求為引導，將空間環境監測、預報、效應分析有機結合，開展空間天氣的研究和服務。通過深入分析空間天氣效應，解決影響用戶技術系統空間環境問題[5]。

2.3 俄羅斯GLONASS系統空間環境保障情況

俄羅斯主要依托俄羅斯科學院所屬的應用地球物理研究所，為GLONASS系統等天基信息系統提供空間環境信息保障。俄羅斯應用地球物理研究所負責通過俄羅斯地面站(網)監測電離層狀態、地磁場和太陽輻射資源，并接收來自澳大利亞、法國、德國、捷克以及美國等全球各地的太陽活動、輻射、電離層、地磁場觀測數據；經綜合處理后發送給包括空天部隊在內的相關用戶，滿足空間態勢感知、空天防御以及衛星在軌安全需求[5]。

通過研究美國、俄羅斯、歐盟的空間環境保障情況表明，GPS、GLONASS、Galileo系統空間環境保障方面主要通過空間環境監測、預警、使用部門分工協作構建空間環境監測、預警、應對業務一體的空間環境保障體系，著力提升衛星導航系統空間環境保障能力，滿足衛星導航系統正常運行對空間環境保障的實際需求。

與此相對，中國目前已建立空間環境監測網、電波環境監測網、空間環境監測設備“三網合一”空間環境監測與預警系統，具備為航天裝備、電子信息裝備及重大任務系統提供空間環境監測、預警保障能力。但是尚未建立適合衛星導航系統的空間環境保障體系，現有的空間環境監測、預警、應對信息鏈路制約，嚴重影響了衛星導航系統重大空間環境事件的應對能力。因此，借鑒GPS、Glonass、Galileo系統空間環境保障經驗，對構建衛星導航系統空間環境保障體系具有重要參考價值[6]。

3 衛星導航系統空間環境保障鏈設計方案

文章結合衛星導航系統空間環境保障的實際需求，基于現有的空間環境監測、預警和衛星導航系統應對資源，提出了適合衛星導航系統空間環境保障需求的空間環境監測、預警和應對環節的核心保障要素以及空間環境監測、預警、應對業務一體的衛星導航系統空間環境保障鏈設計方案。

3.1 衛星導航系統空間環境監測保障要素

根據衛星導航系統衛星系統在軌空間環境的特點，衛星導航系統空間環境監測要素包括影響GEO/IGSO/MEO衛星在軌安全的太陽活動、地磁活動以及空間高能粒子等關鍵空間環境參數監測數據[7-9]，按照現有空間環境監測資源，主要包括：

1) 與衛星內帶電效應相關空間環境高能電子監測數據。由于空間環境高能電子是引起衛星深層充放電效應的主要原因，尤其MEO軌道環境比GEO和IGSO軌道環境更加惡劣，需要重點監測與衛星充放電效應相關能量大于0.8 MeV高能電子能譜、強度變化、持續時間等空間環境參數。

2) 與衛星單粒子效應相關空間環境高能質子監測數據。由于空間環境高能質子是引起衛星單粒子翻轉、單粒子鎖定和單粒子瞬態等單粒子效應的主要原因，需要重點監測衛星軌道上能量大于30 MeV空間環境高能質子能譜以及通量情況等空間環境參數。

3) 與衛星空間環境全局變量相關空間環境監測數據。由于空間環境中的宇宙射線和地磁注入等事件可能引起衛星表面和內部充放電以及電離層磁暴，需要重點監測衛星導航系統空間環境太陽活動X射線，地磁活動Kp、Dst以及電離層擾動等空間環境全局變量參數，見表1。

表1 衛星導航系統空間環境監測保障要素

3.2 衛星導航系統空間環境預警保障要素

根據空間環境監測數據的分析結果，衛星導航系統空間環境預警要素主要包括空間環境事件整體的警報、通報、現報和預報等常規預警信息，以及導航衛星的關聯預警信息。按照輻射風險以及電離層擾動發生區域范圍、持續時間、影響程度等現有預警資源，可將空間環境事件分為多層次預警等級，譬如表2所示的3級預警。

表2 衛星導航系統空間環境預警保障要素(3級)

注：地球同步軌道能量大于10 MeV質子的5 min平均通量連續15 min內太陽質子通量值(pfu)； 高能電子大于2 MeV日積分通量值(個/cm-2.Sr-1.d-1)。

3.3 衛星導航系統空間環境應對保障要素

根據空間環境事件對于衛星導航系統衛星在軌安全，系統運行和服務性能影響程度，衛星導航系統應分別對應多層次預警信息制定相應層次的應對方案和措施，重點做好衛星在軌異常應急處置，最大程度降低空間環境事件對于衛星導航系統系統運行和服務性能的影響[10-11]。

衛星系統和測控系統現有的應對方案和措施包括：空間環境事件發生之前，預先制訂衛星空間環境敏感單機在軌突發事件應急預案；提前對在軌衛星進行全面的在軌健康狀態檢查。必要時對衛星進行一次重新加載或狀態刷新；衛星飛行任務允許前提下，降低衛星的任務運行等級；空間環境事件爆發期間，加強衛星健康狀態監視，確保衛星能夠進入安全模式。

運控系統和應用系統現有的應對方案和措施包括：空間環境事件發生之前，預先制訂衛星在軌異常系統應急處置預案，組織重大空間環境事件會商；提前對地面運控系統進行技術狀態檢查，確保地面運控系統能夠快速應對空間環境事件，同時作好衛星密集在軌異常應對準備；空間環境事件爆發期間，加強衛星健康狀態的監視；向單頻用戶提供暴時電離層異常預警和修正，見表3。

3.4 衛星導航系統空間環境保障鏈方案

衛星導航系統空間環境保障以現有空間環境監測網絡體系為數據來源，以空間環境預警系統提供空間環境態勢預警信息為決策依據，以衛星導航系統運行保障體系為應對基礎，重點構建要素齊全、態勢清晰、應對完備的衛星導航系統空間環境保障鏈，將衛星導航系統空間環境保障深度融入到衛星導航系統運行保障體系建設。

表3 衛星導航系統空間環境應對保障要素

衛星導航系統空間環境保障鏈包括：由國內外空間環境地基監測臺(站)以及天基監測衛星組成的空間環境監測網絡，負責監測導航衛星軌道所在的空間環境，并將監測數據通過網絡實時發送給衛星導航系統；由空間環境預警系統負責生成空間環境現報、預報和警報等空間環境的態勢預警產品，并將預警信息通過網絡及時發送給衛星導航系統；由衛星導航系統根據空間環境態勢預警等級，分層次制定空間環境事件應對方案，并依據實際空間環境事件應對情況向空間環境預警系統反饋信息，持續優化完善空間環境事件在軌異常處置預案以及導航衛星空間環境事件在軌異常關聯預警模型,參見圖5。

圖5 衛星導航系統空間環境保障鏈信息流程

4 衛星導航系統空間環境保障鏈效能分析

依托現有空間環境監測、預警和衛星導航系統應對資源，構建貫通從數據到決策層面的衛星導航系統空間環境保障鏈，將顯著提升衛星導航系統空間環境態勢感知能力，充分發揮衛星導航系統空間環境保障效能。

1) 提升衛星導航系統天基時空信息服務性能。構建衛星導航系統空間環境保障鏈，通過實時獲取重大空間環境事件數據和預警信息，將有助于衛星導航系統相關系統采取預防性應對措施，縮短空間環境事件引起導航衛星在軌異常的處置時間30%，從而提升衛星導航信號可用性，乃至衛星導航系統天基時空信息服務性能。

2) 提升衛星導航系統在軌空間環境預警能力。構建衛星導航系統空間環境保障鏈，有助空間環境預警系統通過同時獲取空間環境監測數據和衛星在軌異常信息，構建準確可信重大空間事件與衛星在軌異常的關聯模型，確保預警信息準確性超過85%，提升衛星導航系統空間環境預警能力。

3) 提升衛星導航系統衛星空間環境防護能力。構建衛星導航系統空間環境保障鏈，有助衛星系統實時獲取空間環境中衛星在軌異常信息，從而通過研制階段空間環境防護設計，運行階段在軌驗證，持續提升導航衛星自身應對重大空間環境事件的可靠性，乃至衛星導航系統衛星系統空間環境防護技術及其能力。

5 結論

基于提高衛星導航系統在軌空間環境保障能力迫切需求，提出依托現有的空間環境監測、預警和衛星導航系統應對資源，構建衛星導航系統空間環境保障鏈的解決方案。通過構建數據到決策的衛星導航系統空間環境保障鏈，促進衛星導航系統空間環境監測、預警、應對業務一體化，將顯著提升衛星導航系統空間環境態勢感知能力，充分發揮衛星導航系統空間環境的保障效能，提升衛星導航系統時空信息服務性能。