2015年11月4日太阳射电爆发干扰导航信号事件中的X射线先兆分析*

2021-07-15闫小娟黄文耿高冠男阿尔察沈发新郭少杰

天文研究与技术 2021年3期

董亮，闫小娟，黄文耿，李攀，于超，高冠男，阿尔察，沈发新,5，郭少杰

(1. 中国科学院云南天文台，云南昆明 650216；2. 国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心，北京 100081； 3. 中国科学院国家空间科学中心，北京 100090；4. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094； 5. 中国科学院大学，北京 100049)

太阳从诸多方面影响人类的生产生活，其中长短期的活动造成多种空间天气事件。随着无线电技术的广泛应用，无线电频谱成为日趋紧张的一种资源，而太阳射电爆发以宽带强无线电辐射方式发射信号，瞬间占用了非常宽的频段资源，对实时性要求较高的雷达、导航等系统具有较大影响。

在雷达广泛使用的第二次世界大战期间，1943年英军雷达受到来自太阳的强射电爆发干扰，这是首次报道人类无线技术系统受到太阳射电爆发的影响[1]。随着消费类电子的广泛使用，文[2]发现在一次太阳射电爆发期间，迎日面手机基站的通话失败数量较背日面有大幅增加，且在时间上与太阳射电爆发持续时间呈很强的正相关性。但是手机通讯对实时性要求不高，因此，太阳射电爆发带来的干扰对用户体验几乎没有明显的影响。然而导航系统用户需要较高的实时性，此类事件为导航系统用户带来重大影响，主要体现在信号失锁、定位精度偏离等。

全球定位系统组网以来受到多次太阳射电爆发事件的影响。第1次影响事件可以追溯到2003年10月28日，在此次事件中，全球定位系统于UTC 11:02到11:59信号出现不同情况的失锁，其中在射电爆发流量最强的11:05，所有伪随机码接收机失锁。同时此项研究通过对比4个不同位置国际GNSS服务(International GNSS Service, IGS)地面站(BRAZ: 47.9°W，15.9°S；ALAC: 38.2°E, 0.3°S；SIMO: 18.4°E，34.2°S；NKLG: 2.1°E，9.4°N)的失锁情况有所不同，暗示此事件的影响情况与太阳高度-天线主瓣之间的夹角有关[3]。

第2次典型事件发生在2006年12月中上旬(活动区10930)，文[4-5]分析发现4天的太阳耀斑爆发事件，有趣的是，12月5，6，13，14日均发生了耀斑爆发事件，且对应X射线流量分别达到X9.0，X6.5，X3.4和X1.5，但是作为X射线流量最强的5日的耀斑事件并没有产生射电爆发，没有一一对应关系。因此，常规的太阳观测数据也许不能作为一种预警L波段太阳强射电爆发的手段。文[6]对2006年以来多起太阳射电爆发干扰导航通讯事件进行了分析讨论，结合太阳射电监测网(Radio Solar Telescope Network, RSTN)在监测频点1 415 MHz和全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)明显失锁之间的时间关系，认为1 807 SFU可以作为影响阈值。文[7]通过对2017年9月7日太阳爆发事件中多个全球导航卫星系统的分析发现，北斗导航系统也受到了太阳射电爆发影响，失锁时间长达几分钟，信噪比损失10 dB以上。文[8-9]计算分析了太阳射电爆发干扰导航信号的影响流量阈值，根据北斗导航系统、全球定位系统等不同系统采用的不同频点，分析得出影响阈值在1 000～2 600 SFU，且与通讯波长的平方成倒数关系。L波段内1 000 SFU以上的太阳射电爆发是一种比较频繁的事件，对导航通讯造成严重的影响。

北斗导航系统进入全球布网服务阶段，由于2015年11月4日太阳射电爆发时，欧洲地区为白天，对比全球定位系统和北斗导航系统在这两次事件中的表现情况，同时此类事件的流量正好介于L1(1 575.42 MHz)和L2(1 227.60 MHz)的两个通讯频段的影响阈值流量之间，即发现L2信号失锁，而L1信号没有受到影响[10]。这次事件反映了L波段太阳射电爆发频谱的复杂性给此类空间天气事件带来的不同表现，是一次比较有代表意义的事件。对2015年11月4日太阳射电爆发事件的研究能够为将来北斗导航系统全球服务的稳定性提供较好的参考和借鉴意义。

1 目前预警此类事件的困难及应对

分米波段是重要的通讯、雷达使用频段，其中富集导航、码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)、雷达、卫星通讯等一系列发射信号，这类发射信号往往具有较强的发射功率，以及多种形态的发射信号频谱。同时该频段也是射电天文、太阳物理、空间天气重要的观测频段，在连续谱辐射的背景上叠加了丰富的频谱特征，产生多种频谱形态的射电爆发。为此，在分米波段的太阳射电监测往往遭遇强无线电干扰，使得在地面精准预测频段内的太阳射电流量走势非常困难。

剧烈太阳射电爆发特别是L波段的爆发均由耀斑爆发产生，太阳耀斑爆发大多数具有很宽的电磁波谱，在X射线、紫外、极紫外等多个波段均有辐射产生。其中X射线是一个重要的成分，也是观测和研究太阳耀斑的重要频段。耀斑中的微波和X射线(特别是硬X射线)具有很强的相关性，一般认为两者是由耀斑加速的同源电子产生。目前国外部署了诸多空间X射线探测卫星载荷，国内的风云系列卫星配备了X射线探测器[10-11]，X射线是一个常规太阳观测频段。我们试图通过分析2015年11月4日事件中X射线的观测数据与射电流量之间的变化关系，探讨采用X射线观测数据预警此类空间天气事件的可能性，同时进一步探讨空间天气事件的物理背景，为预警预报提供理论支撑。

2 2015年11月事件及影响描述

2015年处于太阳第24活动周末期，11月4日的事件产生于活动区AR12443，爆发时的日面位置为N06W10。其中此次射电爆发前产生了一次X射线爆发，流量级别为M3.7级，此次太阳射电爆多频点射电流量随时间的变化如图1[12]，各主要监测台站测量得到的太阳射电流量如表1。

表1 此次事件中多台射电望远镜的观测数据Table 1 The observation data of several solar radio telescope during this event

图1 多频点太阳射电流量随时间变化图

据报道，在此次事件中全欧洲的观测台站观测到全球定位系统的L1频点没有受到影响，而L2频点受到影响，影响时间为UTC14:20 到15:02，其中影响的峰值时间为UTC 14:29，平均信噪比损失为-5.8 ± 2.2 dB-Hz，最大信噪比损失为-10 dB-Hz(http://gnss.be/Atmospheric_Maps/srb_event.php?date=2015-11-04)。全球定位系统L1/L2频段信噪比随时间变化如图2。

图2 全球定位系统L1/L2频段信噪比随时间变化图

两个频段信噪比下降差异的原因在于L1点频率高于L2点，影响阈值更高，这次事件中，在L1频段的太阳射电流量并未超过L1点的阈值，说明目前太阳射电爆发对导航通讯影响具有极大的不确定性，这也可能在影响事件的反应上带来多种现象，值得进一步深入研究。

3 X射线观测数据和射电流量的时间关系

由于X射线和射电信号一样均以光速传播，同时已有研究表明，X射线和分米波段的剧烈太阳射电爆发均来自于同一耀斑区电子的非热辐射，两者在光变曲线上具有很强的相关性[13-14]。从射电流量开始抬升到影响导航通讯的阈值之间是个逐步变化的过程，由于X射线在空间观测受到的干扰较少(对比强干扰存在的无线电L波段)，同时采用空间卫星可实现全天候观测，由此推断，X射线观测可以作为一种较为有效的预警手段。

我们就2015年11月4日事件中X射线流量和L波段的观测点1 415 MHz流量变化时间以及全球定位系统的失锁时间点的先后顺序进行分析探讨。

3.1 X射线流量随时间的变化情况

此次事件中的X射线流量数据来源于地球同步运行环境卫星(Geostationary Operational Environmental Satellites)。X射线爆发起始时间为UTC 2015-11-04 13:31:00，结束时间为UTC 2015-11-04 14:13:00。两个波段(0.1～0.8 nm和0.05～0.4 nm)的流量随时间的变化如图3。

图3 2015年11月4日事件中的两个波段(0.1～0.8 nm和0.05～0.4 nm)的流量随时间变化图

3.2 射电流量随时间变化数据

根据文[6]得出的在1 415 MHz频点流量阈值为1 807 SFU，此次事件1 415 MHz频段太阳射电监测网测量得到的峰值数据为5 891 SFU，第1次超过1 807 SFU的时间为14:25:15，晚于X射线的起始时间，甚至晚于X射线爆发的结束时间。此次事件中1 415 MHz频点的太阳射电流量随时间变化曲线如图4。

图4 此次事件中1 415 MHz频点的太阳射电流量随时间变化曲线

从此次事件的观测数据来看，剧烈的太阳射电爆发和X射线爆发总是伴生出现。由于影响阈值的存在，全球导航卫星系统失锁时间晚于X射线爆发开始时间，X射线的流量变化抬升拐点后，极可能存在一个射电爆发的峰值。两种爆发流量时间关系如图5。

图5 两种爆发流量时间关系Fig.5 Time relationship between two burst flows

4 物理背景阐释

根据亮温度产生于不同的物理背景，具有高亮温度(>6 000 K)的太阳射电爆发(特别在分米波波段)，由非热电子或相对论电子在强磁场作用下产生[15-16]。射电辐射中热电子、非热电子的亮温度谱和流量谱关系如图6。

图6 射电辐射中热电子、非热电子的亮温度谱和流量谱关系图Fig.6 The bright temperature and flux spectrum of thermal and non-thermal electron in radio emission

X射线观测分为软X射线和硬X射线两个波段。两者对应的物理起源和辐射机制有所不同，软X射线由热成分产生，硬X射电由非热成分产生，两者之间没有明确的界限。而非热电子是产生X射线辐射特别是硬X射线(10～300 keV)辐射的主要来源[17]。

一个耀斑的产生、发展及爆发与耀斑内部的等离子体团块演化状态相关。在耀斑演化早期，其成分主要是热电子，此时X射线波段以软X射线为主。在耀斑发展过程中，磁场逐渐增强，在磁场作用下，热的等离子体团块逐渐被加速到非热电子，在10～300 keV频段辐射出硬X射线，而在射电波段产生较强亮温度的辐射，最终超过射电流量影响阈值，形成干扰事件。太阳射电爆发事件过程中的X射线及射电流量变化流程如图7。