由于低空飞行活动普遍依赖全球卫星导航系统(GNSS)提供飞行定位导航服务,如我国的北斗系统,美国的GPS,欧洲的伽利略,俄罗斯的格洛纳斯等。
空间电磁环境的变化可能引发GNSS系统定位精度显著下降,如不加防范,将使一些需要高精度飞行定位场景出现安全风险,如飞偏,乃至相撞。地磁暴就是这种对空间电磁环境有显著影响的因素之一。
什么是地磁暴?
日前空间气象预警3月24日、25日和26日三天将可能出现地磁活动,其中3月25日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴,预计地磁活动将持续到26日。
地磁暴是地球磁场全球性的剧烈扰动现象,通常由太阳活动(如太阳耀斑、日冕物质抛射等)引起。这些太阳活动释放的高速等离子体云和磁场与地球磁场相互作用,导致地球磁层的扰动。地磁暴的强度可以通过地磁指数来表征,这些指数反映了地磁暴的大小和影响程度。
日冕物质抛射爆发前两个“蠢蠢欲动”的太阳活动区 羲和号卫星拍摄
地磁暴的影响包括但不限于:
- 增加大气密度,导致低轨卫星轨道衰变加速,可能需要更多燃料进行轨道维持。
- 影响卫星通信信号,可能导致信号延迟、衰减或中断。
- 增加地球大气层中的辐射水平,对卫星电子设备构成威胁。
- 地面电网和油气管道等长距离输送线路上容易形成感应电流,可能导致电网跳闸、管道腐蚀加剧等问题。
地磁暴对卫星导航的影响
地磁暴对卫星导航精度的影响主要是通过对电离层干扰实现的。作为全球卫星导航系统 GNSS 主要的误差源之一,电离层一直是高精度定位领域影响定位精度的关键因素。
在电离层活跃期,在低空飞行、工程施工等地形勘测现场,不少高精度 RTK 卫星导航终端设备常常出现无法进入固定解,即无法进入高精度定位状态的情况。
地磁暴对卫星导航的影响逻辑主要在以下几个方面:
1. 电离层扰动:地磁暴期间,太阳活动导致的带电粒子与地球大气相互作用,会引起电离层的扰动。电离层是卫星信号传播的关键介质,其扰动会导致卫星信号的传播路径发生变化,从而影响信号的传播时间和强度。这种变化可能导致卫星导航系统接收到的信号出现误差,进而影响定位精度。
2. 信号延迟:地磁暴会增加电离层的电子密度,导致卫星信号在通过电离层时产生额外的延迟。这种延迟会影响卫星导航系统计算位置时的时间同步,从而造成定位误差。
3. 信号衰减:地磁暴还可能导致卫星信号的衰减,因为增加的电子密度会吸收部分信号能量。信号衰减会降低接收器接收到的信号强度,影响导航系统的信号处理和定位精度。
4. 多径效应:地磁暴引起的电离层扰动还可能导致卫星信号的多径效应增强。多径效应是指卫星信号在到达接收器前会在电离层和地面之间多次反射,造成多个信号路径到达接收器,从而影响定位的准确性。
5. 系统性能下降:地磁暴可能影响卫星导航系统的总体性能,包括卫星的轨道参数、系统的校准和时间同步等。这些因素的变化都可能对导航精度产生负面影响。
因此,在地磁暴发生期间,卫星导航系统的用户可能会经历定位偏差甚至信号丢失的情况。同时,卫星导航系统的运营商和相关机构也会采取措施,如调整卫星轨道、优化信号处理算法等,以尽量减少地磁暴对导航精度的影响。
卫星导航精度对低空经济的意义
当前低空飞行活动基本都是依靠GNSS系统进行定位飞行的,尤其是无人机系统,在空中巡航时基本是完全依靠GNSS系统进行长距离飞行。因此,卫星导航系统服务可靠性对低空飞行活动的重要性不言而喻。
当城市低空飞行形成规模时,飞行密度和动态性将大大增加,一旦定位系统出现较大偏离,就可能出现相撞事故。而且在城市飞行一般要求高精度起降,在发生大地磁暴期间,就非常可能降偏导致事故。
由此可知,在低空经济的发展过程中,空间电磁环境的预报系统,乃至GNSS定位指数实时播报之类的服务是必不可少的,是保障低空飞行安全的一部分。
当前国内主要的空间气象预报系统是-国家空间天气监测预警中心(https://www.nsmc.org.cn/nsmc/cn/home/index.html),提供各种空间气象事件预警和播报。
另外千寻位置提供了一个实时电离层活跃等级的播报服务,可以查询到所在地区未来3天内的电离层活动情况,以助力用户更好使用GNSS高精度定位服务。