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摘要：随着导航系统的建设，在轨卫星数量的增加，地面设备的逐步完善，以及导航系统用户数量的逐步增加，这使得导航系统的抗干扰和抗冲击能力变得越来越重要。导航系统在强大的太阳风暴面前非常脆弱。本文分析了导航系统的构成及其脆弱的原因，研究了太阳风暴对卫星导航系统的影响，并逐步分析了太阳风暴对空间卫星、地面设备和用户的影响。这将最大限度地减少太阳风暴对导航系统的影响，降低对用户的损害。 关键词：太阳风暴；卫星导航系统；影响分析
前言
太阳风暴是一种由强烈的太阳活动引起的空间天气现象，会对人类的生产活动产生重大影响，包括空间、通信、能源和卫星导航。太阳风暴中有三种类型的能量和物质传输：电磁波的传输、高能粒子流的传输和低能等离子体的传输。强烈的太阳活动通常只持续几分钟，但宇宙效应可以持续几个小时或几天。1994年，一场太阳风暴（日冕物质抛射）扰乱了轨道并
摧毁了几颗卫星，包括加拿大通信卫星AnikE1和AnikE2；2001年4月，一场太阳风暴破坏了短波通信系统和用户。2003年10月，一场太阳风暴造成了严重的极光，包括日本的Midori-2地球观测卫星在内的几颗卫星出现故障；2006年12月13日的X3级太阳风暴使中国广东、海南和重庆地区的无线电信号中断了三个多小时。由于人类对空间天气的观测不足，以及对日地空间天气系统变化的理解仍处于初级阶段，国际社会仍无法对可能的超级太阳风暴的时间和强度作出准确预测。
一、太阳风暴对GPS系统的影响
美国还没有正式宣布太阳风暴是否会影响空间导航卫星及其地面设备。然而，已经有报告说，在第23个太阳周期中，GPS的应用受到了太阳风暴的影响，欧洲和美国一些地区的GPS接收机失去了导航精度和导航能力。物理学家认为，超级太阳风暴很有可能威胁到地球的空间环境，具体如下。(1)速度约为2000公里/秒的太阳风暴将撞击地球，对地球的空间环境造成巨大的灾难性变化。(2）地外辐射带的内边界将从3R~4R（其中R为地球半径）减少到2R，消除了原来内外辐射带之间相对安全的空隙，电子和质子涌入辐射带的数量将迅速增加，中低轨道的卫星发生粒子辐射损伤的概率急剧增加。(3）地磁感应电流在
中国北方的高压电网中达到102I~103I，造成电网的问题。由于缺乏对太阳活动模式及其影响的了解，该系统可能在超级太阳风暴期间反复受损，对其提供的服务产生一定影响。
二、太阳风暴对卫星导航系统空间段的影响分析
辐射损害对电子设备的影响包括全电离损害和单粒子损害。今天，卫星系统中的许多设备由FPGA和DSP组件组成，它们执行非常重要的功能，如上行链路范围、机载信息处理、导航信息生成和运行状态信息检测。任何问题都会立即影响上述功能。组件集成度的提高使芯片的容量增加了数百万个引脚，并提高了每个组件的处理能力，但同时也增加了损坏的风险，以及一旦某个组件发生故障，系统将受到影响的可能性。电子元件受到辐射的影响，包括总电离剂量、单粒子锁定、单粒子反转、瞬时单粒子效应和单粒子功能失效。为了提高在轨卫星系统的可靠性，在卫星系统开发中应采用系统级辐射加固、元件级辐射加固和软件纠错。
卫星结构复杂，其子系统向外界传输无线电信号，同时接收和产生来自其他子系统的干扰。EMC设计的目标是优化这种双重性质。即使卫星在某些条件下实现了EMC设计目标，如在地表大气层中，由于卫星结构紧凑，太阳风暴会破坏这种最佳状态，改变卫星机载设
备、天线输入阻抗、指向性和增益的工作状态，从而影响卫星的在轨运行。
在低地磁纬度地区，电离层闪烁一般持续30分钟到几个小时，通常发生在晚上8点到第二天早上6点之间。卫星信号强度的计算通常有至少10分贝的余量，以确保太阳风暴对卫星-地面通信的影响很小或没有影响。在太阳风暴期间，地面控制和操作系统必须手动调整发射天线以增加发射功率，并对卫星进行编程或手动跟踪以精确调整其位置。
三、太阳风暴对卫星导航系统地面段的影响分析
在接收下行导航信号时，必须考虑天线的噪声温度，因为它与使用的频段、天线功率和仰角以及天气条件密切相关。太阳风暴期间，太阳风暴的强度会以不同方式影响导航系统当太阳风暴达到R3或更高时，可能会出现短时的天线抑制干扰，上行传输和接收任务可能无法及时完成。根据太阳风暴的强度及其对系统的影响，对于低于R2级的太阳风暴，地面站将增加放大器功率，以确保系统正常接收信号；对于高于R3级的太阳风暴，系统将被禁用，直到太阳风暴结束。
卫星导航系统中的地面站设备包括复杂的电子和电气装置，如大功率放大器、现场放大器
和升/降频器。它们的设计是为了确保信号传输和接收过程中的电磁兼容和低误码率。然而，严重的太阳风暴会瞬间破坏原有的EMC设计，使信道设备在降噪、三阶互调和相位噪声方面的性能下降，影响整个系统的性能；超过R4级别的太阳风暴会导致信道设备的信号丢失。建议地面卫星导航系统在R5太阳风暴期间禁用所有信道设备，在R4太阳风暴期间禁用后备在线信道设备，在R3以下太阳风暴期间更频繁地检查在线设备。
激光测距仪由卫星激光测距仪、光学系统、机械系统和计算机自动化系统组成的综合体。在太阳风暴期间，高能粒子的干扰会影响观测的质量并造成误差。因此，建议地面系统在太阳风暴期间关闭其激光仪器。
由太阳风暴引起的电离层闪烁对信号特性的影响在其从卫星到地面的L波段频率传输过程中可以达到20dB以上。此外，载波编码回路的丢失会降低监测接收机的精度，这也会影响中心站处理在轨和远距离差分及完整性数据的性能。
四、提高系统抗太阳风暴能力的措施
在严重的太阳风暴中，目前的设备级保护措施将基本无效，问题将不再是特定的恒星，而
是整个导航系统。许多国家和机构监测空间环境，以目前的技术水平，有可能准确预测和检测空间环境的变化。因此，必须加强各国和各机构之间的沟通和交流，以确保信息共享、早期预测和及时检测，以最大限度地减少潜在风险。在分析当前卫星导航系统的配置和单个设备对太阳风暴的免疫力时，应注意重要的单个设备。在自主卫星导航系统中，有必要使用最高质量的元件，在软件设计等方面，要验证异常情况下的软件运行状态，增加复位能力，并采取其他安全有必要加强安全措施。在地面系统方面，应加强完整性监测系统，实时监测卫星的运行状态，一旦发现卫星故障，应依次将相关卫星列为不可用，该卫星的数据不应参与系统计算，以减少对用户的影响，要确保不进行此类活动。对于地面设备，也应及时对地面站设备进行评估。对于地面设备，也应确定地面站设备是否正常运行，如果发现异常情况，当时就应关闭地面站。对于卫星系统：加强机载设备的辐射屏蔽，提高备用设备的运行和切换可靠性，以确保在发生故障时及时切换。
五、结论
鉴于超大质量太阳风暴的潜在危险。需要掌握大量专门针对GPS系统的大气和空间监测信息，以防止和减轻太阳风暴的潜在损害。我们要未雨绸缪，仔细观察，建立一个全面的组织管理系统，制定适当的计划，采取必要的行动，以轻松度过潜在的超级太阳风暴。
参考文献:
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[2]胡彩波,薛峰,孟然.太阳风暴对导航系统的影响分析[C]//第二届中国卫星导航学术年会电子文集.2011.
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