太阳活动对卫星通信的影响<1>

发布: 2010-10-20 00:50 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

太阳活动对卫星通信的影响<1>（余英）
【提  要】卫星通信是现代通信的重要技术手段之一，越来越多的研究表明，卫星
通信与太阳活动密切相关。本文简单介绍了太阳活动的规律，详细分析了太阳活动
对通信卫星，尤其是同步卫星、卫星信号传播及卫星地面站可能会产生的各种影响
，并在文末进行了小结。
【关键词】太阳活动  太空天气  太阳活动峰年  电离层磁暴  卫星通信
    由于卫星通信具有传输距离远，覆盖面广，对地理环境要求不高，建设快，总
体投资省等优点，近年来，发展迅猛，应用广泛。但由于卫星通信是一个开放的通
信系统，因此，通信链路易受外部条件影响。影响卫星通信质量的因素很多，如通
信信号间的干扰，大气层微粒的散射、吸收，电离层闪烁，日凌，太阳噪声，宇宙
噪声，流星石袭击等，其中由大气层雨、雪衰引起的卫星通信信号信噪比下降现象
已为大多数从业人员熟悉，本文不再赘述。由于2000年是太阳活动峰年，而太阳活
动又与卫星通信密切相关，因此，本文将就此展开讨论，并重点分析太阳活动对同
步卫星通信的影响。
1 太阳活动与太空天气
    研究太空环境的学者一般将太阳与地球之间环境条件的变化称为太空天气，太
空天气对于现代技术尤其是通信技术影响颇深。太阳表面经常发射出连续带电粒子
流，即形成所谓的太阳风。不同速度、不同密度的太阳风对太阳与地球之间环境条
件的影响不同，即形成了不同的太空天气。太阳风中的高能量带电粒子流到达地球
附近时可以改变地球磁场，使靠近太阳一侧的地球磁场被压缩，背离太阳一侧的地
球磁场被拉伸，不同速度和密度的太阳风造成地球磁场的失真程度不同。此外，太
阳风同样会干扰地球附近的电离层，对由电离层反射的短波信号或穿越电离层的卫
星信号造成干扰；会伴随大量射线；会使大气层外层升温，从而缩短低轨卫星的寿
命。
    太阳风的规模与太阳活动有关，在剧烈太阳活动中太阳风的速度和密度可以比
平时高几个量级。太阳活动一般11年为一个周期，以太阳黑子数量的变化情况作为
标志。目前我们正处在太阳活动的第23个周期，这个周期的太阳活动较为剧烈，很
可能成为近几个周期中对我们影响最大的一个周期。从去年下半年开始至2001年是
太阳活动的第23个周期的峰年，这期间经常会出现一些剧烈的太阳活动现象，明显
影响太空天气。
    太空天气对卫星通信的影响包括：对卫星的影响、对信号传播环境的影响和对
地面站的影响，主要表现在以下几个方面：（1）由太阳放射的高能量粒子可能造
成高轨道卫星（如同步卫星）存储器发生混乱、绝缘材料充电及因绝缘材料被击穿
突发放电造成的元器件损坏；（2）太阳活动的加强会加速低轨道卫星的轨道衰落
、降低卫星寿命；（3）太阳噪声直接影响卫星下行链路的信噪比；（4）信号穿过
电离层或对流层时，会因被吸收、电离层闪烁、法拉第极化旋转等降级，即使接收
站的输入信噪比下降。
  2 太阳活动对通信卫星的影响
    低轨道（主要用于科研和军事）卫星在运动中不可避免会同周围的空气分子相
互作用，在空气阻力作用下，卫星运行轨道不断下降，呈现出衰落趋势，直到最后
快速下降被大气层燃烧或返回地面。在剧烈太阳活动中，太阳辐射射线大增，致使
大气层温度升高，大气层外层空气密度增大，对低轨卫星的运动阻力增大，这加速
了低轨卫星的轨道衰落，从而将大大缩减低轨卫星的寿命。
    中高度轨道卫星（如GPS）主要考虑的是位于其运动轨迹上的冯．艾伦辐射带
内的低能量粒子辐射。这是因为中高度轨道上的卫星往往利用这种辐射强化其元件
，尤其是计算机存储单元。在太阳活动高峰期，这个特殊的辐射带的特性也会发生
改变，影响相应的卫星通信。
    同步卫星（主要用于通信领域）属高轨道卫星，距离太阳最近，受太阳辐射的
直接影响最大。太阳辐射包括：电磁辐射和粒子辐射，情形复杂，其离子化辐射包
括：低量级紫外线、X射线及太阳风，通常情况下对同步卫星不会造成影响，但在
太阳风暴爆发期，紫外线及X射线流会突然增大几个量级，辐射能量也会增强，同
时还会伴随着大量电子和质子，少数情况下有些粒子会积累很高能量。这些高能量
的太阳能粒子往往就成为卫星太空仓的杀手。
    来自太阳的带电粒子会在卫星表面积累起来，在一些曲面上，或几个特殊的绝
缘面之间充电，产生所谓的太空仓充电现象。当充电电压足够大时，卫星上的某些
绝缘材料会被击穿，产生绝缘层放电，使某些PCB电路、电子器件被损坏。此外，
如果在卫星仓计算机存储单元附近出现高电量的粒子，就有可能改变存储单元的状
态，如由0变为1，这可能会导致系统控制程序或数据出错，触发卫星仓控制电路，
产生伪指令。一般情形下，这些伪指令不会有什么大的影响，但偶尔也会触发使太
空仓飘离地球等重大事故，几年前，加拿大的Anik卫星正是这样丢失的。
    此外，地球磁层可以控制太空粒子的运动，因此，对处于其中的卫星通常有一
定程度的屏蔽和保护作用。但对同步卫星，当太阳风及太阳系内的磁场条件足以将
地球磁层靠近太阳一侧的边缘压缩到同步卫星轨道时（在太阳大爆发造成地球电离
层磁暴时很可能发生），同步卫星一旦处于地球和太阳之间，就会完全暴露在太阳
粒子辐射的巨大作用力之下。对于一些较早的靠地球磁场维持正确轨道的卫星来说
，除了要遭受来自太阳的高能粒子流的危害之外，同时还会因此失去它们的轨道参
考，这无疑是危险的。在太阳活动峰年，随着辐射加剧，这种潜在的危险会随之增
大。