太陽黑子周期內(nèi)對定位器信號的干擾

近幾年來，太陽發(fā)射出一陣陣的射電能量，影響了地球上所有向陽面的汽車定位器的性能。太陽產(chǎn)生無線電輻射并不令人驚訝。令人驚訝的是，在這一天，它們的能量非常強(qiáng)大。太陽在射電頻譜的廣闊區(qū)域內(nèi)不斷發(fā)射能量。這些輻射的通量密度通常相當(dāng)?shù)?，?a target="_blank" href="http://www.leinstein.cn" rel="nofollow">汽車定位器天線所收集的背景無線電噪聲貢獻(xiàn)不大。

然而，當(dāng)太陽耀斑發(fā)生時，往往伴隨著非常強(qiáng)大的射電能量爆發(fā)。雖然在太陽黑子周期的高峰期，太陽耀斑的數(shù)量較多，當(dāng)太陽受到的干擾較多時，太陽耀斑及其相關(guān)的強(qiáng)電波爆發(fā)隨時都有可能發(fā)生--包括當(dāng)前太陽黑子最小值附近。

盡管如此太陽射電暴還是出乎意料。它是有記錄以來最大的一次，對地球上所有的汽車定位器都產(chǎn)生了影響，包括北美洲、南美洲和太平洋的大部分地區(qū)。增加的噪聲大大降低了L1和L2頻率上的載波噪聲密度（C/N0----衡量接收信號強(qiáng)度的一個指標(biāo)），高達(dá)15dB-Hz。這導(dǎo)致一些衛(wèi)星的定位器在數(shù)分鐘內(nèi)無法鎖定位置，特別是那些在暴發(fā)到來之前處于低仰角、C/N0值較低的定位器。那些靠近亞太陽下點(diǎn)的定位器通常比那些距離較遠(yuǎn)的定位器受到的影響更大，因?yàn)楦嗟幕蚋嗟谋┌l(fā)能量被定位器天線吸收。盡管如此，許多單頻定位器似乎仍在繼續(xù)提供僅有四顆衛(wèi)星的導(dǎo)航解決方案----甚至在二維模式下有三顆衛(wèi)星----而且大多數(shù)用戶對噪聲突發(fā)并沒有注意到這類定位器的噪聲突發(fā)。

該暴發(fā)功率是在青海太陽能陣列記錄的。它記錄了一系列頻率和極化的太陽射電發(fā)射，包括1.6GHz的右旋圓極化（RHCP），非常接近GPS的L1頻率。噪聲功率超過100萬個太陽輻射量單位的峰值，使這一暴發(fā)成為有記錄以來最大的暴發(fā)之一。他還查看了廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)非常穩(wěn)健，雖然WAAS在整個暴發(fā)期間持續(xù)運(yùn)行，但WAAS參考站的信號和其他地方一樣，受到了明顯的衰減。有些參考站在 L1 和 L2 頻率上記錄到的 PRN 4 的 C/N0 值在 12 月 6 日安靜的一天和 12 月 6 日。爆發(fā)期間的C/N0值下降非常明顯。

然而，許多用于高精度應(yīng)用的雙頻定位器，包括基準(zhǔn)站的雙頻定位器，尤其是在L2頻率上的定位器，都遭受了嚴(yán)重的信號損失。此外，一些相關(guān)部門的定位器也失去了導(dǎo)航能力。據(jù)衛(wèi)星定位中心的負(fù)責(zé)人報(bào)告，很多交匯的四角地區(qū)出現(xiàn)了 "全球定位系統(tǒng)的大面積丟失"。有部物流車輛報(bào)告說，GPS信號失去鎖定，跟蹤衛(wèi)星的數(shù)量從7-9顆降到1顆，甚至沒有!李立華是研究這種和其他太陽電波暴對汽車定位器運(yùn)行影響的工程師之一。他研究了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)（IGS）網(wǎng)絡(luò)中的定位器提供的數(shù)據(jù)，這些定位器在地球的太陽光側(cè)提供的數(shù)據(jù)。在暴發(fā)期間，至少有四顆衛(wèi)星在兩個頻率上提供數(shù)據(jù)的臺站數(shù)量從120多個下降到60個以下。

未來的GPS衛(wèi)星發(fā)出的更強(qiáng)的傳輸信號可能會使定位器在大爆發(fā)期間繼續(xù)跟蹤甚至低角度衛(wèi)星。較新的信號格式，可以在較低的C/N0值下進(jìn)行跟蹤，這也將有助于定位器應(yīng)對太陽的爆發(fā)。即使是目前為抗干擾保護(hù)和室內(nèi)GPS使用而開發(fā)的定位器技術(shù)，也能讓定位器追蹤到更低的C/N0值，甚至可以通過很強(qiáng)的太陽電波暴。

隨著我們在2022年接近下一個太陽黑子周期的峰值，我們可以期待更多的太陽射電暴。一些預(yù)測認(rèn)為下一個高峰期比上一個高峰期強(qiáng)30%-50%，這是由太陽可見光半球中太陽黑子活動的部分來衡量的。未來的太陽射電暴是否會像2006年12月6日的暴發(fā)一樣產(chǎn)生巨大的影響？

如果有什么辦法可以減輕太陽電波暴的影響？由于突發(fā)是寬帶噪聲，定位器很難將其與GPS信號區(qū)分開來。一些天線設(shè)計(jì)，如扼流圈等，會衰減低仰角的信號，因此，如果太陽在暴發(fā)時太陽在天空中的位置較低，那么使用這種天線的定位器受到的影響要比使用傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)的定位器小。而且由于定位器主要是在低仰角的衛(wèi)星上失去軌道，所以在較高仰角的衛(wèi)星上有更多的衛(wèi)星也會有幫助。因此，使用GPS和GLONASS、GPS、北斗和伽利略衛(wèi)星混合星座的定位器應(yīng)該比只使用GPS的定位器更能抵御太陽電波爆發(fā)。同樣，一個更大的GPS星座本身也會有幫助。