卫星导航系统空间环境保障链

窦长江，唐 云，杨睿峰，马 煦

(北京卫星导航中心， 北京 100094)

卫星导航系统作为天地一体定位、导航、授时天基时空信息服务系统，包括空间段、控制段以及用户段，已经成为信息社会万物互联、万物感知、万物智能的重大空间信息基础设施。相比传统无线电导航，基于空间环境固有特征提高卫星导航系统在轨空间环境保障能力，是确保卫星导航系统卫星在轨安全，提升系统运行和服务性能的迫切需求[1-2]。论文从构建卫星导航系统空间环境保障链的角度，重点研究了卫星导航系统空间环境保障需求、保障要素、保障模式和综合效能等方面内容。

1 卫星导航系统空间环境对时空信息服务性能的影响分析

1.1 卫星导航系统空间环境固有特征

相对陆地以地形，海洋以水文，天空以气候为其固有环境特征，太空是以强辐照为固有环境特征。对于卫星导航系统而言，时刻面临着太阳风暴等各种典型空间环境事件影响。太阳大气层一旦发生太阳风暴事件，短则几分钟，长则几十分钟，乃至几十个小时，以光速传播的电磁辐射、以近光速传播的高能粒子和以每秒数百千米以上速度传播的等离子体云，太阳风暴喷射的物质和能量就会抵达近地空间，引起地球磁层、电离层、中高层大气等地球空间环境持续强烈扰动，显著地改变卫星系统在轨空间环境和地面系统正常运行和使用环境[3]。

卫星导航系统卫星星座在轨运行轨道(包括GEO/IGSO/MEO卫星轨道)处于地球外辐射带的中心及外带外侧，容易受太阳辐射粒子、地磁俘获粒子、银河宇宙线、电离层扰动以及地磁活动影响，影响程度与空间环境的扰动程度密切相关，如图1所示。因此重大空间环境事件将显著改变卫星导航系统卫星星座(包括GEO/IGSO/MEO卫星轨道)在轨运行轨道空间环境，尤其中轨道MEO卫星，从而引起导航卫星在轨异常，影响导航卫星信号的可用性和精度。

1.2 卫星导航系统空间环境对于时空信息服务性能的影响

根据卫星导航系统空间环境的固有特性，空间环境对卫星导航系统时空信息服务性能的影响主要体现为卫星导航信号可用性非计划中断或精度性能下降，通常包括以下几种异常类型，其中由于一起典型空间环境事件引起卫星导航信号可用性和用户定位精度异常如图2～图4所示。

图4 空间环境事件引起用户定位精度异常

1) 卫星导航信号可用性长期非计划中断。重大空间环境事件引起导航卫星轨道高能带电粒子急剧增加，会穿透卫星外壳，对卫星平台以及有效载荷造成多种辐射效应，造成导航卫星“硬损伤”，影响导航卫星在轨安全,造成卫星导航信号可用性长期非计划中断。

2) 卫星导航信号可用性短期非计划中断。重大空间环境事件引起地球地磁磁暴，会引起导航卫星充放电现象，造成导航卫星“软损伤”和星地系统运行故障，影响星地系统正常运行，造成卫星导航信号可用性短期非计划中断。

3) 卫星导航信号可用性短期非计划降低。重大空间环境事件引起大气层中电离层分层混乱，会引起导航卫星下行信号衰落，电离层修正率下降，用户定位精度或通信质量下降，甚至造成用户定位失败或者卫星通信链路中断，造成卫星导航信号可用性短期下降。

为降低卫星导航系统空间环境对时空信息服务的影响，主要采取以下方法：一种是通过导航卫星辐射加固和在轨自动恢复设计，减少导航卫星由于空间环境事件引起在轨异常的次数，从而提高导航卫星自身应对空间环境事件能力；一种是通过构建空间环境保障体系，实现卫星导航系统空间环境的监测、预警、应对环节业务一体化，降低由于空间环境事件引起导航卫星在轨异常对导航信号可用性的影响。

2 国外卫星导航系统空间环境保障情况

2.1 美国GPS系统空间环境保障情况

美国主要依托美国国防部下设的多军兵种以及美国政府相关部门，向GPS系统等天基信息系统提供应对太阳风暴以及空间环境主动攻击等方面的空间环境信息服务保障。其中美国空军气象局负责军用空间天气产品和预警信息的研究服务，主要业务包括太阳活动、电离层及磁层监测、预报及预警等；空军天军司令部负责空间态势感知业务融合保障；美国航天局负责向军方提供空间环境的数据支持，美国国家海洋和大气管理局天气预报中心负责面向军方提供空间天气预报信息。对于GPS系统等重要军事卫星在轨风险管理，美军已建立融合空间环境态势感知、空间环境核心数据设计和质量管理、卫星故障识别和风险评估、预警信息互通和应急响应业务一体的空间环境应对机制，并将空间事件预警和应对列入《太空作战》条令。同时为促进空间环境保障与卫星业务和作战任务的深度融合，美军在卫星业务部门和作战部门设置专家组或专职岗位。譬如：美国航天局空间辐射风险管理保障体系设置了空间辐射分析与飞行专家组，作为常设机构负责卫星辐射环境和任务的影响评估，是连接空间环境预报中心和飞行任务控制中心的关键环节。其中：卫星运行辐射环境分析及其对飞行任务影响评估，包括辐射、效应、卫星、业务等各方面的专业人员。同时美军作战机构中，设置了空间环境岗位，负责评估空间环境事件预警信息对本部门作战、训练和装备的影响，制订应对措施[4]。

2.2 欧盟Galileo系统空间环境保障情况

欧盟主要依托欧空局所属空间环境和效应分析部制订和实施欧洲空间天气计划，为Galileo系统等天基信息系统提供空间环境信息服务保障。欧洲空间天气计划是根据欧盟自身特点，以用户需求为引导，将空间环境监测、预报、效应分析有机结合，开展空间天气的研究和服务。通过深入分析空间天气效应，解决影响用户技术系统空间环境问题[5]。

2.3 俄罗斯GLONASS系统空间环境保障情况

俄罗斯主要依托俄罗斯科学院所属的应用地球物理研究所，为GLONASS系统等天基信息系统提供空间环境信息保障。俄罗斯应用地球物理研究所负责通过俄罗斯地面站(网)监测电离层状态、地磁场和太阳辐射资源，并接收来自澳大利亚、法国、德国、捷克以及美国等全球各地的太阳活动、辐射、电离层、地磁场观测数据；经综合处理后发送给包括空天部队在内的相关用户，满足空间态势感知、空天防御以及卫星在轨安全需求[5]。

通过研究美国、俄罗斯、欧盟的空间环境保障情况表明，GPS、GLONASS、Galileo系统空间环境保障方面主要通过空间环境监测、预警、使用部门分工协作构建空间环境监测、预警、应对业务一体的空间环境保障体系，着力提升卫星导航系统空间环境保障能力，满足卫星导航系统正常运行对空间环境保障的实际需求。

与此相对，中国目前已建立空间环境监测网、电波环境监测网、空间环境监测设备“三网合一”空间环境监测与预警系统，具备为航天装备、电子信息装备及重大任务系统提供空间环境监测、预警保障能力。但是尚未建立适合卫星导航系统的空间环境保障体系，现有的空间环境监测、预警、应对信息链路制约，严重影响了卫星导航系统重大空间环境事件的应对能力。因此，借鉴GPS、Glonass、Galileo系统空间环境保障经验，对构建卫星导航系统空间环境保障体系具有重要参考价值[6]。

3 卫星导航系统空间环境保障链设计方案

文章结合卫星导航系统空间环境保障的实际需求，基于现有的空间环境监测、预警和卫星导航系统应对资源，提出了适合卫星导航系统空间环境保障需求的空间环境监测、预警和应对环节的核心保障要素以及空间环境监测、预警、应对业务一体的卫星导航系统空间环境保障链设计方案。

3.1 卫星导航系统空间环境监测保障要素

根据卫星导航系统卫星系统在轨空间环境的特点，卫星导航系统空间环境监测要素包括影响GEO/IGSO/MEO卫星在轨安全的太阳活动、地磁活动以及空间高能粒子等关键空间环境参数监测数据[7-9]，按照现有空间环境监测资源，主要包括：

1) 与卫星内带电效应相关空间环境高能电子监测数据。由于空间环境高能电子是引起卫星深层充放电效应的主要原因，尤其MEO轨道环境比GEO和IGSO轨道环境更加恶劣，需要重点监测与卫星充放电效应相关能量大于0.8 MeV高能电子能谱、强度变化、持续时间等空间环境参数。

2) 与卫星单粒子效应相关空间环境高能质子监测数据。由于空间环境高能质子是引起卫星单粒子翻转、单粒子锁定和单粒子瞬态等单粒子效应的主要原因，需要重点监测卫星轨道上能量大于30 MeV空间环境高能质子能谱以及通量情况等空间环境参数。

3) 与卫星空间环境全局变量相关空间环境监测数据。由于空间环境中的宇宙射线和地磁注入等事件可能引起卫星表面和内部充放电以及电离层磁暴，需要重点监测卫星导航系统空间环境太阳活动X射线，地磁活动Kp、Dst以及电离层扰动等空间环境全局变量参数，见表1。

表1 卫星导航系统空间环境监测保障要素

3.2 卫星导航系统空间环境预警保障要素

根据空间环境监测数据的分析结果，卫星导航系统空间环境预警要素主要包括空间环境事件整体的警报、通报、现报和预报等常规预警信息，以及导航卫星的关联预警信息。按照辐射风险以及电离层扰动发生区域范围、持续时间、影响程度等现有预警资源，可将空间环境事件分为多层次预警等级，譬如表2所示的3级预警。

表2 卫星导航系统空间环境预警保障要素(3级)

注：地球同步轨道能量大于10 MeV质子的5 min平均通量连续15 min内太阳质子通量值(pfu)； 高能电子大于2 MeV日积分通量值(个/cm-2.Sr-1.d-1)。

3.3 卫星导航系统空间环境应对保障要素

根据空间环境事件对于卫星导航系统卫星在轨安全，系统运行和服务性能影响程度，卫星导航系统应分别对应多层次预警信息制定相应层次的应对方案和措施，重点做好卫星在轨异常应急处置，最大程度降低空间环境事件对于卫星导航系统系统运行和服务性能的影响[10-11]。

卫星系统和测控系统现有的应对方案和措施包括：空间环境事件发生之前，预先制订卫星空间环境敏感单机在轨突发事件应急预案；提前对在轨卫星进行全面的在轨健康状态检查。必要时对卫星进行一次重新加载或状态刷新；卫星飞行任务允许前提下，降低卫星的任务运行等级；空间环境事件爆发期间，加强卫星健康状态监视，确保卫星能够进入安全模式。

运控系统和应用系统现有的应对方案和措施包括：空间环境事件发生之前，预先制订卫星在轨异常系统应急处置预案，组织重大空间环境事件会商；提前对地面运控系统进行技术状态检查，确保地面运控系统能够快速应对空间环境事件，同时作好卫星密集在轨异常应对准备；空间环境事件爆发期间，加强卫星健康状态的监视；向单频用户提供暴时电离层异常预警和修正，见表3。

3.4 卫星导航系统空间环境保障链方案

卫星导航系统空间环境保障以现有空间环境监测网络体系为数据来源，以空间环境预警系统提供空间环境态势预警信息为决策依据，以卫星导航系统运行保障体系为应对基础，重点构建要素齐全、态势清晰、应对完备的卫星导航系统空间环境保障链，将卫星导航系统空间环境保障深度融入到卫星导航系统运行保障体系建设。

表3 卫星导航系统空间环境应对保障要素

卫星导航系统空间环境保障链包括：由国内外空间环境地基监测台(站)以及天基监测卫星组成的空间环境监测网络，负责监测导航卫星轨道所在的空间环境，并将监测数据通过网络实时发送给卫星导航系统；由空间环境预警系统负责生成空间环境现报、预报和警报等空间环境的态势预警产品，并将预警信息通过网络及时发送给卫星导航系统；由卫星导航系统根据空间环境态势预警等级，分层次制定空间环境事件应对方案，并依据实际空间环境事件应对情况向空间环境预警系统反馈信息，持续优化完善空间环境事件在轨异常处置预案以及导航卫星空间环境事件在轨异常关联预警模型,参见图5。

图5 卫星导航系统空间环境保障链信息流程

4 卫星导航系统空间环境保障链效能分析

依托现有空间环境监测、预警和卫星导航系统应对资源，构建贯通从数据到决策层面的卫星导航系统空间环境保障链，将显著提升卫星导航系统空间环境态势感知能力，充分发挥卫星导航系统空间环境保障效能。

1) 提升卫星导航系统天基时空信息服务性能。构建卫星导航系统空间环境保障链，通过实时获取重大空间环境事件数据和预警信息，将有助于卫星导航系统相关系统采取预防性应对措施，缩短空间环境事件引起导航卫星在轨异常的处置时间30%，从而提升卫星导航信号可用性，乃至卫星导航系统天基时空信息服务性能。

2) 提升卫星导航系统在轨空间环境预警能力。构建卫星导航系统空间环境保障链，有助空间环境预警系统通过同时获取空间环境监测数据和卫星在轨异常信息，构建准确可信重大空间事件与卫星在轨异常的关联模型，确保预警信息准确性超过85%，提升卫星导航系统空间环境预警能力。

3) 提升卫星导航系统卫星空间环境防护能力。构建卫星导航系统空间环境保障链，有助卫星系统实时获取空间环境中卫星在轨异常信息，从而通过研制阶段空间环境防护设计，运行阶段在轨验证，持续提升导航卫星自身应对重大空间环境事件的可靠性，乃至卫星导航系统卫星系统空间环境防护技术及其能力。

5 结论

基于提高卫星导航系统在轨空间环境保障能力迫切需求，提出依托现有的空间环境监测、预警和卫星导航系统应对资源，构建卫星导航系统空间环境保障链的解决方案。通过构建数据到决策的卫星导航系统空间环境保障链，促进卫星导航系统空间环境监测、预警、应对业务一体化，将显著提升卫星导航系统空间环境态势感知能力，充分发挥卫星导航系统空间环境的保障效能，提升卫星导航系统时空信息服务性能。