太陽活動對衛(wèi)星通信的影響<1>

太陽活動對衛(wèi)星通信的影響<1>（余英）
【提  要】衛(wèi)星通信是現(xiàn)代通信的重要技術(shù)手段之一，越來越多的研究表明，衛(wèi)星
通信與太陽活動密切相關(guān)。本文簡單介紹了太陽活動的規(guī)律，詳細(xì)分析了太陽活動
對通信衛(wèi)星，尤其是同步衛(wèi)星、衛(wèi)星信號傳播及衛(wèi)星地面站可能會產(chǎn)生的各種影響
，并在文末進(jìn)行了小結(jié)。
【關(guān)鍵詞】太陽活動  太空天氣  太陽活動峰年  電離層磁暴  衛(wèi)星通信
    由于衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋面廣，對地理環(huán)境要求不高，建設(shè)快，總
體投資省等優(yōu)點，近年來，發(fā)展迅猛，應(yīng)用廣泛。但由于衛(wèi)星通信是一個開放的通
信系統(tǒng)，因此，通信鏈路易受外部條件影響。影響衛(wèi)星通信質(zhì)量的因素很多，如通
信信號間的干擾，大氣層微粒的散射、吸收，電離層閃爍，日凌，太陽噪聲，宇宙
噪聲，流星石襲擊等，其中由大氣層雨、雪衰引起的衛(wèi)星通信信號信噪比下降現(xiàn)象
已為大多數(shù)從業(yè)人員熟悉，本文不再贅述。由于2000年是太陽活動峰年，而太陽活
動又與衛(wèi)星通信密切相關(guān)，因此，本文將就此展開討論，并重點分析太陽活動對同
步衛(wèi)星通信的影響。
1 太陽活動與太空天氣
    研究太空環(huán)境的學(xué)者一般將太陽與地球之間環(huán)境條件的變化稱為太空天氣，太
空天氣對于現(xiàn)代技術(shù)尤其是通信技術(shù)影響頗深。太陽表面經(jīng)常發(fā)射出連續(xù)帶電粒子
流，即形成所謂的太陽風(fēng)。不同速度、不同密度的太陽風(fēng)對太陽與地球之間環(huán)境條
件的影響不同，即形成了不同的太空天氣。太陽風(fēng)中的高能量帶電粒子流到達(dá)地球
附近時可以改變地球磁場，使靠近太陽一側(cè)的地球磁場被壓縮，背離太陽一側(cè)的地
球磁場被拉伸，不同速度和密度的太陽風(fēng)造成地球磁場的失真程度不同。此外，太
陽風(fēng)同樣會干擾地球附近的電離層，對由電離層反射的短波信號或穿越電離層的衛(wèi)
星信號造成干擾；會伴隨大量射線；會使大氣層外層升溫，從而縮短低軌衛(wèi)星的壽
命。
    太陽風(fēng)的規(guī)模與太陽活動有關(guān)，在劇烈太陽活動中太陽風(fēng)的速度和密度可以比
平時高幾個量級。太陽活動一般11年為一個周期，以太陽黑子數(shù)量的變化情況作為
標(biāo)志。目前我們正處在太陽活動的第23個周期，這個周期的太陽活動較為劇烈，很
可能成為近幾個周期中對我們影響最大的一個周期。從去年下半年開始至2001年是
太陽活動的第23個周期的峰年，這期間經(jīng)常會出現(xiàn)一些劇烈的太陽活動現(xiàn)象，明顯
影響太空天氣。
    太空天氣對衛(wèi)星通信的影響包括：對衛(wèi)星的影響、對信號傳播環(huán)境的影響和對
地面站的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）由太陽放射的高能量粒子可能造
成高軌道衛(wèi)星（如同步衛(wèi)星）存儲器發(fā)生混亂、絕緣材料充電及因絕緣材料被擊穿
突發(fā)放電造成的元器件損壞；（2）太陽活動的加強(qiáng)會加速低軌道衛(wèi)星的軌道衰落
、降低衛(wèi)星壽命；（3）太陽噪聲直接影響衛(wèi)星下行鏈路的信噪比；（4）信號穿過
電離層或?qū)α鲗訒r，會因被吸收、電離層閃爍、法拉第極化旋轉(zhuǎn)等降級，即使接收
站的輸入信噪比下降。
  2 太陽活動對通信衛(wèi)星的影響
    低軌道（主要用于科研和軍事）衛(wèi)星在運動中不可避免會同周圍的空氣分子相
互作用，在空氣阻力作用下，衛(wèi)星運行軌道不斷下降，呈現(xiàn)出衰落趨勢，直到最后
快速下降被大氣層燃燒或返回地面。在劇烈太陽活動中，太陽輻射射線大增，致使
大氣層溫度升高，大氣層外層空氣密度增大，對低軌衛(wèi)星的運動阻力增大，這加速
了低軌衛(wèi)星的軌道衰落，從而將大大縮減低軌衛(wèi)星的壽命。
    中高度軌道衛(wèi)星（如GPS）主要考慮的是位于其運動軌跡上的馮．艾倫輻射帶
內(nèi)的低能量粒子輻射。這是因為中高度軌道上的衛(wèi)星往往利用這種輻射強(qiáng)化其元件
，尤其是計算機(jī)存儲單元。在太陽活動高峰期，這個特殊的輻射帶的特性也會發(fā)生
改變，影響相應(yīng)的衛(wèi)星通信。
    同步衛(wèi)星（主要用于通信領(lǐng)域）屬高軌道衛(wèi)星，距離太陽最近，受太陽輻射的
直接影響最大。太陽輻射包括：電磁輻射和粒子輻射，情形復(fù)雜，其離子化輻射包
括：低量級紫外線、X射線及太陽風(fēng)，通常情況下對同步衛(wèi)星不會造成影響，但在
太陽風(fēng)暴爆發(fā)期，紫外線及X射線流會突然增大幾個量級，輻射能量也會增強(qiáng)，同
時還會伴隨著大量電子和質(zhì)子，少數(shù)情況下有些粒子會積累很高能量。這些高能量
的太陽能粒子往往就成為衛(wèi)星太空倉的殺手。
    來自太陽的帶電粒子會在衛(wèi)星表面積累起來，在一些曲面上，或幾個特殊的絕
緣面之間充電，產(chǎn)生所謂的太空倉充電現(xiàn)象。當(dāng)充電電壓足夠大時，衛(wèi)星上的某些
絕緣材料會被擊穿，產(chǎn)生絕緣層放電，使某些PCB電路、電子器件被損壞。此外，
如果在衛(wèi)星倉計算機(jī)存儲單元附近出現(xiàn)高電量的粒子，就有可能改變存儲單元的狀
態(tài)，如由0變?yōu)?，這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)控制程序或數(shù)據(jù)出錯，觸發(fā)衛(wèi)星倉控制電路，
產(chǎn)生偽指令。一般情形下，這些偽指令不會有什么大的影響，但偶爾也會觸發(fā)使太
空倉飄離地球等重大事故，幾年前，加拿大的Anik衛(wèi)星正是這樣丟失的。
    此外，地球磁層可以控制太空粒子的運動，因此，對處于其中的衛(wèi)星通常有一
定程度的屏蔽和保護(hù)作用。但對同步衛(wèi)星，當(dāng)太陽風(fēng)及太陽系內(nèi)的磁場條件足以將
地球磁層靠近太陽一側(cè)的邊緣壓縮到同步衛(wèi)星軌道時（在太陽大爆發(fā)造成地球電離
層磁暴時很可能發(fā)生），同步衛(wèi)星一旦處于地球和太陽之間，就會完全暴露在太陽
粒子輻射的巨大作用力之下。對于一些較早的靠地球磁場維持正確軌道的衛(wèi)星來說
，除了要遭受來自太陽的高能粒子流的危害之外，同時還會因此失去它們的軌道參
考，這無疑是危險的。在太陽活動峰年，隨著輻射加劇，這種潛在的危險會隨之增
大。