太阳风暴对短波通信系统及设备的影响和应对措施

2011-12-26邵震洪

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：太阳风暴电子密度电离层

邵震洪

（南京电讯技术研究所，江苏南京 210007）

太阳风暴对短波通信系统及设备的影响和应对措施

邵震洪

（南京电讯技术研究所，江苏南京 210007）

介绍了太阳风暴产生的基本原理及特性，分析了太阳风暴对电离层以及短波通信系统和设备的影响，提出了改善太阳活动对短波通信系统和设备影响的相应措施。

太阳风暴；电离层暴；电离层骚扰；短波通信

美国宇航局（NASA）提出警告，地球可能遭遇强烈的太阳风暴，而且时间点就在2012年至2013年间。到时候全球将陷入大停电，网络电子通讯将全部无法使用。历史上太阳风暴就对人类社会造成过巨大破坏，如1859年的“卡林顿事件”使刚刚形成的电报网络出现瘫痪，1989年3月的太阳风暴则造成加拿大魁北克省整个配电网故障。

短波通信是利用波长为10～100 m（频率为30～3 MHz）的电磁波传送信息的无线通信方式，主要是通过电离层反射进行天波传播，电离层对短波通信起着至关重要的作用。电离层主要是太阳辐射引起的，而太阳风暴能释放出令人难以置信的大量的离子和频谱非常宽的电磁波能量。按太阳风暴爆发的X射线的强度大小，太阳风暴爆发从小到大可分为A，B，C，M，X等5级（其中最大的称为X级）。所以，太阳风暴对电离层、短波通信的影响特别大。如何降低太阳风暴对短波通信系统和设备的影响将是迫切需要研究的课题。

1 太阳风暴产生的基本原理及特性

太阳风暴指太阳在黑子活动高峰阶段产生的剧烈爆发活动。太阳黑子（也就是太阳表面温度比较低的地方）是太阳电磁辐射活动增强的表现。经过长时间的观察，发现每天的太阳黑子数都不相同，但它的活动大约以11年为循环活动周期。上一个太阳黑子周期比较长，是刚结束的，持续了大概13年。现在新的太阳活动周已经开始，估计活跃时期在2012至2013年间，太阳黑子近5个活动周期如图1所示。太阳会在太阳黑子活动的高峰时产生太阳风暴，其主要内容是带电等离子体，并以150万～300万km／h的速度闯入太空，因此它对地球的空间环境产生巨大的冲击。向地球方向涌来的这些粒子在抵达地球时，大部分会被地球自身的磁场推开。地磁场把太阳风阻挡在地球之外。然而仍然会有少数漏网分子闯进来，还是会给地球带来一系列破坏。它会干扰地球的磁场，使地球磁场的强度发生明显的变动；它还会影响地球的高层大气，破坏地球电离层的结构，使其丧失反射无线电波的能力，造成我们的无线电通信中断；它还会影响大气臭氧层的化学变化，并逐层往下传递，直到地球表面，使地球的气候发生反常的变化，甚至还会进一步影响到地壳，引起火山爆发和地震。这些高速带电粒子大气层后，会引起极光和各种电现象，同时也会产生磁暴效应。

图1 近5个周期所观测的太阳黑子数

2 太阳风暴对电离层的影响

2.1 电离层的结构

大气层在太阳辐射能的作用下，分子或原子中的一个或若干个电子游离出来成为自由电子而发生电离，使高空形成了一个厚度为几百千米的电离现象显著的区域，称这个区域为电离层。

电离层电子密度呈不均匀分布，按照电子密度随高度变化的情况，可把它们依次分为D层、E层和F层（F层又分为F1层和F2层），如图2所示。F2层的电于密度最大，F1层次之，D层电子密度最小。就每层而言，电子密度也不是均匀的，而是在每层中的适当高度上出现最大值Nmax。

2.2 电离层突然骚扰

太阳风暴爆发时，太阳辐射的电磁波（主要是紫外线和X射线）和带电微粒都极大地增强，正常的电离层状态遭到破坏，这种电离层的异常变化称为电离层暴或电离层骚扰。这些高能电磁辐射暴（紫外线和X射线）以光速到达地球，当穿透高层大气到达D区所在高度时，会使D区的电离度突然增强，这种现象称为电离层突然骚扰。它的持续时间由几分钟到几小时之久。因为这种现象是在太阳风暴爆发时产生的强辐射所致，所以只发生在地球上的太阳照射区。

2.3 电离层暴

太阳风暴爆发时，产生的大量带电微粒子流，将引起地球磁场的干扰。当带电粒子流接近地球时，大部分被挡在地球磁层之外绕道而过。有一小部分穿过磁层顶（地球磁层外边界），到达磁层。当带电粒子穿过磁层到达电离层时。使电离层正常的电子分布产生激烈变动，正常的电离层状态遭到破坏。这种电离层状态的异常变化就是电离层暴。电离层暴也是电离层骚扰的一种，它发生子“太阳风暴”出现1～3天之后，持续时间由几小时至几天。出现电离层暴时，自F层、E层至D层依次受到影响，其中F2层表现最为明显。电离层暴通常可分为3类：

1）正相电离层暴，F2层的临界频率比正常值增大；

2）负相电离层暴，F2层的临界频率低于正常值；

3）双相电离层暴，F2层临界频率有高于正常值的，也有低于正常值的。

2.4 磁暴

当太阳风暴爆发时，喷射出大量微粒流，也常常引起地磁场的很大扰动，磁化等离子体云，即产生磁暴。发生磁暴时，由于地磁场的急剧变化，会在大地中产生感应电流，这种地电流会在一些通信电路中引起严重干扰。

图2 电离层示意图

3 太阳风暴对短波通信系统和设备的影响及应对策略

3.1 电离层突然骚扰对短波通信系统的影响

电离层突然骚扰对不同频段的无线电波分别引起不同的异常现象。由于D区的电子密度大大增强，使通过D区在上面反射的短波信号遭到强烈吸收，甚至使通信中断，这种现象称为“短波消逝”。

3.2 电离层暴对短波通信系统的影响

F2层负相骚扰（临界频率下降）对短波通信危害最大，当F2层临界频率降低时，致使原来使用的较高频率的电波穿透F2层而不被反射回地面，通信可用频段大大变窄，甚至找不到可用的工作频率。有时为了维持通信，必须相应地降低通信频率。但是如果临界频率太低，由于D层和E层同样受到电离层暴影响，电波通过D层、E层时损耗增加，随着可用工作频率的降低，则使损耗更大，从而使接收端的信号减弱。猛烈的电离层暴可大大降低短波通信质量，甚至使通信中断。

3.3 太阳风暴对短波通信设备的影响

如果太阳风暴强度超出地球磁场和大气层的保护能力之外，则地面通信系统和设备将直接遭到强大高能粒子流和电磁辐射的双重破坏。

太阳风暴对短波通信设备的损伤可以分为“硬”损坏和“软”毁伤两类。“硬”损坏是指短波通信设备被强大的电磁波能量和超能粒子流完全摧毁，这种概率一般很低，大部分时候，太阳风暴对短波通信设备的损伤基本上是一种“软”毁伤：虽然设备外观完整无损，但内部记忆电路、集成电路、逻辑电路、放大电路等元器件均因瞬间超载而烧毁无法正常工作。其主要表现在：天馈系统短路、部分功能模块或组件暂时失效或损坏、电子元器件、集成电路暂时失效或损坏、存储器信息被清除或出错等。

4 改善太阳风暴对短波通信系统和设备影响的措施

紧密观测新周期内太阳黑子的活动，通过太阳活动预报。积极采取措施，以期对将要到来的危害做到有备无患。

4.1 通过监测D层电子密度，减少电离层突然骚扰对短波通信的影响

虽然太阳耀斑爆发8 min后D层电子密度就可能会成倍增长，从而影响短波通信。但由于太阳活动预报中心一般能提前48 h预报发生太阳耀斑的可能性并向公众发布。因此，收到太阳耀斑可能爆发的预报后，在电离层突然骚扰来临前，我们可以通过中频反射雷达加强对D层电子密度的监测，确定电离层突然骚扰的时间和骚扰程度。由于各次太阳风暴爆发的猛烈程度差别很大，因而电离层骚扰的程度也各不相同，对通信的影响程度也不相同。如果通过监测发现骚扰比较轻微，用户接到预报后可以通过增加工作频率来降低D层的吸收，如果骚扰比较严重，可以通过线路转换和改变工作方式等，来减少骚扰对短波通信的影响。

4.2 通过F层临界频率预报，减少电离层暴对短波通信的影响

当发生电离层暴后，F2层临界频率急剧下降，对短波通信产生严重影响。由于电离层暴是在太阳表面扰动现象发生1～3天后才开始的，所以有分析地球物理现象和发出警报的充裕时间。当太阳风暴爆发后，用户可以实时从国家天文台太阳活动预报中心、国家空间天气监测预警中心等机构获取F2层的临界频率预报信息，根据电离层暴的骚扰程度，采取相应措施。如果F2层的临界频率降低不大，可以通过降低工作频率来改善短波信号。如果F2层的临界频率不可用，则应提供有线、微波等其它替代手段，以免通信中断而造成不必要的损失。

4.3 降低太阳风暴对短波通信设备的损伤

4.3.1 损伤耦合途径

一般情况，由于地球磁场和大气层的保护，太阳风暴产生的带电粒子流很难直接对地面短波通信设备造成损坏，所以这里只考虑其产生的宽频谱电磁波所带来的影响。而电磁波能否对短波通信设备进行有效的毁伤，取决于电磁能量能否有效地耦合进入短波通信设备，只有进入短波通信设备内部的电磁能量达到一定的强度，才能有效的摧毁和干扰电子设备。而耦合的方式有2种：前门耦合和后门耦合。其耦合的能量可用下式估算［3］：

其中：Pr为耦合能量；Pe／Be为太阳风暴产生的电磁波能量谱密度；Br为设备接收带宽；λ为接收中心频率波长；Gr为天线接收增益；R为距离；Lr为天馈系统损耗。由式（1）得出的太阳风暴耦合到设备内部的电磁能量若是大于设备接收机前端的敏感器件的损伤阈值，则设备的前端就会受到损伤。式（1）即是判断设备是否遭到电磁损伤的基本公式。

4.3.2 设备层级损伤防护

电磁波能量只有被耦合进入设备内部时，才能造成设备有效杀伤。其对抗的有效手段一方面就是切断耦合途径，阻止强电磁波进入设备件内部；另一方面，提高元器件和设备抗干扰和抗损坏能力。可以采取以下具体措施：天馈系统加固、屏蔽、接地和搭接处理、滤波等。

4.3.3 元器件、PCB层级防护

首先选择抗干扰强、能耐高压、大电流的元器件，在保证电路功能的前提下，尽量使用低功耗、低速芯片；其次，元器件在PCB上的布局合理，走线规范，注意消除地线和电源线的噪声，控制信号的环路面积，提高PCB板的抗干扰能力。