太阳风暴对电离层及BDS用户定位影响分析

姜 意，罗方妧，刘 宸，王 威，王宇谱

（北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

地球高层大气在太阳X射线和极紫外（X-ray and extreme ultraviolet， XUV）辐射的作用下被加热、解离，还被部分电离形成了电离层。观测研究表明，太阳XUV辐射具有包括约11年太阳黑子周和准27 d自转周在内的不同时间尺度的规则变化，还有瞬时的强烈爆发[1]。剧烈的太阳活动事件，如耀斑、日珥爆发、日冕物质抛射（corona mass ejection， CME）等，常引发X射线暴、粒子暴和等离子体物质的快速抛出，常称之为太阳风暴。它们在地球空间引起各种效应，如磁暴、电离层暴、热层暴和高能粒子暴等[2]。伴随着磁暴的发生，电离层总电子含量（total electron content，TEC）、电离层 F2层临界频率（foF2）等参数会出现几小时至几天剧烈的变化，这种变化被称为电离层暴[3-5]。电离层暴有正暴和负暴之分，一般把暴时foF2（NmF2）相对宁静时增大的情况称为正暴，反之称为负暴[6]。太阳活动使电离层发生显著变化，是影响卫星导航定位信号完好性的重要因素和主要误差源之一[7]。

协调世界时（coordinated universal time， UTC）2017年 9月 6日太阳爆发 2005年以来的最强耀斑，达到X9.3级。2017年9月8日地球磁场发生大地磁暴。2017年9月10日太阳再次爆发级别为X8.2级的耀斑。2017年 9月 12日至2017年 9月13日地球磁场发生小地磁暴。2017年9月14日地球磁场发生中等地磁暴。2017年9月6日至2017年9月12日期间，地球同步轨道高能电子通量达到小高能电子暴水平。

文献[8]分析了2003年10月29日太阳耀斑期间，地磁场产生剧烈扰动，电离层电子浓度突然增加的现象。文献[9]提出了基于历史周期项参数的电离层模型优化方法，实现了利用较短时段太阳风暴期间电离层穿刺点观测数据拟合电离层模型振幅参数，显著提升了太阳风暴期间电离层模型改正精度。文献[10]利用地球静止轨道（geostationary Earth orbit， GEO）卫星的静地特性，对电离层电子浓度变化进行分析研究，结果表明北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system， BDS）可以为我国区域的电离层监测提供新的手段。

但当前关于太阳风暴对卫星导航系统以及卫星导航用户的影响的研究并不多。本文通过分析太阳风暴前后电离层的变化情况，从对BDS卫星可用性的影响，对不同定位模式定位结果的影响等方面来综合分析此次太阳风暴对BDS定位带来的影响。

1 B1、B3双频电离层VTEC的计算

根据卫星导航定位原理，BDS伪距观测方程可以表示为

式中：1P代表B1频点的伪距观测量；ρ为星地几何距离；δtr为站钟时间偏差；δts为星钟时间偏差；TEC为观测路径上的总电子含量；dtrop为对流层延迟；为天线相位中心改正；dtides为潮汐改正；M1和1ε为B1频点的多路径延迟和噪声；和分别为卫星和接收机B1频点的通道时延；M3和3ε为B1频点的多路径延迟和噪声；和分别为卫星和接收机 B3频点的通道时延；f1和f3分别为 B1频点、B3频点的载波频率。由于1P和3P存在噪声，因此采用载波相位平滑伪距，平滑方法采用L4组合法平滑伪距[11]，在此不作详细介绍。

根据式（3），在BDS导航电文中已经给出了卫星和接收机频率间偏差，忽略多径误差和随机噪声影响的情况下，通过 B1、B3频点的伪距观测量就可以求得TEC。

利用文献[12]中 BDS的Klobuchar模型采用的映射函数，可将TEC转换为天顶方向电离层电子总含量（vertical total electron content， VTEC），即

式中：VTEC天顶方向电离层电子总含量；TEC为观测路径上的总电子含量；z为穿刺点的天顶距。

2 太阳风暴对BDS电离层的影响

UTC 2017年9月6日和2017年9月10日分别发生强太阳风暴现象。分别选取北京、成都、三亚的实际观测结果，利用接收的导航电文计算不同纬度地区在太阳风暴前后 8 d的 B1、B3双频电离层时延、BDS离层K8参数模型（BDS-K8）时延、电离层格网时延，如图1至图3所示。度的电离层扰动。同时，电离层变化与太阳活动的变化密切相关，但存在滞后性，一般滞后1～3 d[13-16]。

图1 UTC 2017-09-07—2017-09-13北京电离层延迟

图2 UTC 2017-09-07—2017-09-13成都电离层延迟

图3 UTC 2017-09-07—2017-09-13三亚电离层延迟

3 太阳风暴对BDS卫星可用性影响

在太阳风暴期间，地球周围的带电粒子数量和能量增加。当航天器穿过这些高能环境时，会发生表面充电、内部击穿放电和航天器与空间击穿放电，以及深层充电等严重威胁航天器安全的现象；太阳高能粒子的轰击还会导致单粒子事件，改变计算机的软件指令，甚至导致微芯片的物理损坏；空间天气事件期间地球高层大气会被加热并膨胀，从而显著增加对航天器的拖曳力，导致航天器轨道下降和寿命缩短；在强磁暴期间，同步轨道卫星会经常穿越地磁场反转的区域，对于使用磁定位的卫星来说，姿态控制可能出现方向性错误。

本次太阳风暴于2017年9月6日至2017年9月12日产生高能电子暴，很可能对BDS GEO卫星可用性造成了一定影响，除1号星外，其余GEO卫星均受到不同程度的影响。具体可用性统计见表1。

从图1至图 3可以得出，北京地区在2017年9月8日双频电离层结果出现明显异常高峰和波动，VTEC峰值比前后 2 d均高出约 20～30个 TECU。TECU是“total electron content units”的缩写词，表示总电子含量单位。1个 TECU等于 1016个电子/平方米。2017年9月13日双频电离层结果出现明显异常高峰和波动，VTEC峰值比前后2 d均高出约 10个TECU，2017年9月9日至2017年 9月12日双频电离层结果有明显负暴。成都地区在2017年9月11日双频电离层结果出现明显异常高峰，VTEC峰值比前后2 d均高出约60个TECU，2017年9月12日双频电离层结果有明显负暴。三亚地区在 2017年 9月 7日、2017年 9月 8日和2017年9月13日双频电离层结果出现明显异常高峰和波动，VTEC峰值比前后 2 d均高出约 10个TECU；2017年9月8日夜间双频电离层结果出现明显异常波动。

太阳风暴期间8参数模型的改正精度大幅降低，个别时段其改正精度甚至低于30 %。而电离层格网结果仍能较好地修正电离层延迟。同时，低纬度地区双频电离层结果整体没有明显扰动，但在2017年9月8日夜间出现明显扰动。但整体BDS-K8模型改正效果一般，改正精度大约仅有60 %。

太阳风暴对中低纬度地区影响显著，伴随不同程

表1 UTC 2017-09-09—2017-09-13 BDS卫星可用性统计

结合图4中各站位置精度因子（position dilution of precision， PDOP）值情况，太阳风暴造成的卫星不可用，但由于目前可视卫星较多，单个卫星故障对PDOP值影响较小，并未明显影响3个站的PDOP值。如果太阳风暴较强，多颗卫星同时故障，将对PDOP值造成较大影响。

4 太阳风暴期间各站定位情况

本文利用国际全球卫星导航系统服务（International Global navigation satellite system Service， IGS）提供的精密星历和卫星钟差以及电文中的电离层格网改正数和等效钟差改正数，统计了2017年9月6日至2017年9月13日北京、三亚、成都3个地区BDS B1频点基本、B1频点增强和B1、B3双频基本模式的定位情况、以及各地区PDOP值情况。如图4、表2、表3和表4所示，定位精度由高到低大致为B1、B3双频基本，B1单频差分，B1单频。PDOP值情况：三亚优于成都优于北京。

图4 北京、成都、三亚定位与PDOP情况

表2 北京BDS B1基本、B1增强、B1、B3双频基本模式定位情况（95 %）

续表2

表3 成都BDS B1基本、B1增强、B1、B3双频基本模式定位情况（95 %）

表4 三亚BDS B1基本、B1增强、B1、B3双频基本模式定位情况（95 %）

由表2至表4可以看出，除个别天外，北京单频基本导航结果N方向误差小于 1.9、E方向误差小于1.7，U方向误差小于5 m；单频增强模式结果N方向误差小于1.9，E方向误差小于1.1，U方向误差小于2.5 m；双频结果N方向误差小于2，E方向误差小于1.5，U方向误差小于3.5 m。三亚双频结果N方向误差小于0.7，E方向误差小于1.5，U方向误差小于3.8 m；单频基本导航结果N方向误差小于3.4、E方向误差小于2，U方向误差小于4 m；而单频增强模式结果N方向、E方向误差小于 1，U方向误差小于2 m。成都双频结果N方向误差小于0.7，E方向误差小于1.5，U方向误差小于3.8 m；单频基本导航结果N方向误差小于3.4、E方向误差小于2，U方向误差小于4 m；单频增强模式结果N方向、E方向误差小于1，U方向误差小于2 m。

由上述结果可以发现，太阳风暴是通过影响单频电离层修正来影响定位精度，对单频基本模型定位精度的影响主要是在U方向上，2017年9月11日影响最为严重达到8 m左右。单频增强模式使用了卫星播发的格网改正数，可有效减小电离层异常对定位精度带来的影响。

5 结束语

本文从太阳风暴前后电离层变化、BDS卫星可用情况、不同定位模式下伪距定位结果差异3个方面分析太阳风暴对电离层以及 BDS用户定位的影响，研究表明：

1）本次太阳风暴对中低纬度电离层造成一定影响，电离层发生明显的异常高峰和波动。2017-09-06的太阳耀斑使得北京和三亚地区电离层 VTEC峰值升高约10～30个TECU，对成都地区影响不明显。2017-09-10的太阳耀斑使得成都地区电离层 VTEC峰值升高约60个TECU，北京地区电离层VTEC峰值升高约10个TECU，对三亚地区影响不明显。该次太阳风暴对区域电离层模型精度整体影响较大。

2）双频定位模式从理论上可以最大限度消除电离层延迟带来的误差。从实际定位结果可以看出，太阳风暴期间，双频模式定位结果稳定，明显优于单频基本导航模式。单频基本导航模式使用 K8模型消除电离层延迟，太阳风暴期间，BDS-K8模型改正精度下降10 %～20 %左右，使得单频基本导航模式结果U方向误差较大，严重影响了用户定位结果，3维定位性能平均下降3 m左右，2017-09-11影响最为严重达到8 m左右。单频增强模式定位精度接近甚至优于双频结果。太阳风暴期间，用户使用双频模式和单频增强模式，可以有效减小电离层异常带来的影响。

3）太阳风暴对BDS 导航卫星可用性产生一定影响，尤其是GEO卫星。由于目前可视卫星较多，单个卫星故障对PDOP值影响较小。如果太阳风暴较强，多颗卫星同时故障，将对PDOP值造成较大影响。