导航作为人类探索世界的一种新途径，发展已经越来越完善。在古时候，旅行者主要是用星星作为标记来确定大概的方位。但是当旅行者沿海平面上行远离地球表面时，就需要三维定位。

　　对于12世纪的航行，需要适时知道纬度、经度和高度等信息。为了适合更迫切的需要，电波系统应运而生，比如罗兰远程导航系统和奥米加导航系统。这些地基系统应用巨大的传输天线沿地面运用电离层来向远距离的陆地和海洋输送低频（LF）和超低频(VLF)电波（图1）。电离层是由于太阳紫外辐射照射上层大气、电离大气而形成的。

图1 电波在地面导航系统中传输路径

 　　近来，建立于空间的系统-全球定位系统（GPS）及其它系统已经成为导航极为重要的方式（图2）。人造卫星要比地基系统提供的范围广阔的多。

图2 地面站对卫星信息监控以确保导航信息的准确性

 　　它们可以为陆地旅行不断地提供指导。当至少有四个卫星出现时，使用者便可以得到准确的三维方位。有时从一个地方可以看到不止四个卫星时(图3)，领航员对计算的位置更有信心。

　　对于地基和卫星系统来说，都会受到电离层的影响。奥米加导航系统（OMEGA）需要它，罗兰远程导航系统（LORAN）试图围绕它工作，GPS受它阻碍。不象用地基系统来进行低频电波传输，GPS应用的是穿过电离层的无线电信号。电离层，位于50km以上直至几个地球半径，随时间既不是均质的也不是常数不变的。它的性质是受太阳和地磁活动影响的，因此，也影响着导航系统的正确运行。由于太阳和地磁活动有着11年周期变化，因此导航员将经历不同于太阳活动低年的太阳高峰时期。特殊的环境将影响导航员对位置确定的准确程度。

图3 确保可以看四个卫星

图4 常用的导航信号频率谱

 磁暴

 　　地磁场是受太阳活动影响的，它的频率和强度是随着太阳周期的不同阶段而变化的。磁暴常常导致电离层暴，当然，这就影响着导航系统。不象太阳的X射线只对地球的日照面有影响，地磁暴的影响是无处不在。但是，电离层的反应也是根据纬度不同有差异，不同的条件，近赤道或者近极地，对于导航员来讲是变化的。一个平静、非扰动的地磁场说明近赤道电离层是非扰动的；这强调周围环境大的变化：对导航者而言，地磁暴有时是敌人，有时是同盟者。

　　在大磁暴期间地球上的GPS运转是受沿着卫星路径的电离层的总电子容量（TEC）的变化影响的。粒子TEC大量的增加和减少都直接影响着单频率GPS的准确度。双频GPS接收器实际上能测量电离层对GPS信号的影响并且能够很好的适应这些环境。

 　　在较小尺度上，在TEC中能产生闪烁的不均匀结构在不同纬度是变化的。比如：近赤道区域，即使没有磁暴发生， 这里也是最大电离层不均匀结构的活动区域（图6）。表面上，上层电离层的不可预知的密度增加阶段发生在傍 晚时间并且能起无线电波被误导够引。这些射电使GPS 接收器很难正常工作，并且影响着双频和单频GPS接收器。

图 6 全世界范围的电离层

 太阳高能粒子

 　　有时，但常常在太阳高年附近，太阳喷射出大量的高能质子和高能电子。这些高能粒子事件每次会持续几天，并且它们以不同的方式影响着天基和地基系统，由于电离层对这些太阳粒子（特别是质子）增加的响应，罗兰远程导航系统（LORAN-C）和奥米加导航系统（OMEGA）信号传播被消弱，特别是在极地纬度。GPS和其它所有的卫星必须和这些影响船上系统的高能粒子抗衡。

　　从通过天空的星星来标记路线到现在，导航系统已经相当先进。现今，我们最近的恒星调节着导航系统运行。

　　夜间天空出现的很美丽但常常很奇异的光被称为极光，几千年来一直引起人们的兴趣，被称作”北极光”或”北部的光”（图1），极光也在南半球发生并称为南极光。

 　　在许多传说、神话及迷信中认为人类历史是围绕着极光出现的。据说中国和欧洲龙的传说是起源于极光。一些文化认为看到极光是一种高贵出身的象征；另一些则认为极光象征死者的灵魂或是战争的先兆。北美的爱斯基摩人则认为如果在极光出现的时候吹口哨，极光就会冲下来把你带走；但你可以通过击掌而使它退却而去。

磁层是关键

　　极光起源于距地球很远的太阳。来自太阳的高能离子被时时刻刻存在的太阳风带入空间。太阳风以300km/s-1000km/s的超音速度穿过行星际空间朝向地球吹来，并携带太阳磁场。太阳风是原来的地磁场扭曲而形成象彗星形状的磁层圈，如图2。

图 2 地球及磁层中的一些重要区域的剖面图

　　磁层顶就象一个屏障，保护着地球免受太阳风中的高能粒子和辐射。磁层顶使高能粒子在地球的周围发生偏转，但也有一些被扑获。被磁场扑获的电子沿着磁场加速进入极区，并与大气碰撞而形成极光。

图 3 高能电子沿地磁场线到达极区，撞击上层大气引起极光

　　进入地球磁场的粒子在地面表面大致形成一个圈状，被称为极光椭圆。这个圈或位于磁极的环面，在平静期直径有约3000km。当磁层顶受扰动时，环面会增大。发现极光椭圆的位置通常是在南北纬600到700，如图3。
　　极光的特征在于它的形状大小各异。高的弧线和射线在地球表面上空100km开始发亮，然后向上沿着磁场延伸到几百公里高度。当从地面向地平线延伸时，这些弧状或
帘状有时窄的只有100米。
　　极光弧有时几乎 静止不动，
就象一只手沿着一个很高的布帘 在运动，极光将开始跳动和转动。在午夜之后，极光就象一块补丁在天空每10秒闪烁一下或一直持续到黎明。
　　大部分极光呈现黄绿色，但有时高的射线在它们的顶部或低部边沿变成红色。在极少的情况下，太阳光与极光射线的顶部碰撞而产生淡蓝色。在更少的情况下（大约10年一次），极光从顶到底呈现很深的血红色。除了产生光之外，高能极光粒子也释放热量。释放的热量会被红外辐射驱散或者被上层大气中强风吹走。

                                                                         极光的形成

　　极光是高能粒子（通常是电子）与地球上层大气中的中性原子相互作用引起的。这些高能粒子能激活（通过碰撞）那些束缚于中性原子上的化合价。而活跃的电子则回到了它们最初低能状态并且在此过程中释放质子（光粒子）。这个过程和氖灯里的放电相似。 极光的任何一个粒子的颜色是依赖于一个特殊大气和它自身的电子状态及撞击大气时的粒子能量。原子氧主要产生绿色（波长为557.7nm）和红色（波长为630.0nm）。

图 4 空间高速电子沿磁场运动并与大气中氧原子或氮分子相撞；原子或分子被高速电子激活而以不同颜色的光释放能量

 
太阳的变化

 　　太阳是一个有着从几小时到几百年变化尺度的千变万化的星体。行星际磁场的方向和太阳风速度及密度都受太阳活动影响的。它变化很快并且影响着地磁活动。当地磁活动增强时，北极光的南边沿会向低纬度移动。同样，太阳物质抛射是和增大的极光椭圆相辅相成的。如果行星际磁场和地磁场的方向相反，增强的能量就会流入磁层，当然增强的能量就会流入地球的极区，这将会引起强烈的极光现象。

　　地球磁场的扰动称为地磁暴。地磁扰动使得极光亮度和运动发生突然变化，这就是极光亚暴。磁暴和亚暴的磁场扰动会引起电力传输起伏振荡、有时会毁坏高压输电网设备，导致远距离电能储运损耗。也可能影响卫星-地面间通讯及导航系统的操作。磁暴能持续几小时甚至几天，极光亚暴一天中可能发生好几次。每一次亚暴都会释放几百兆焦耳的能量。

　　从通过天空的星星来标记路线到现在，导航系统已经相当先进。现今，我们最近的恒星调节着导航系统运行。

地磁场的测量

　　地磁场可以通过磁力计来测量。从磁力计测得的数据使得观测者可以追踪到当前的地磁场情况。磁力计的数据通常是以每3小时给出地磁活动的水平。其中一个为K指数。

　　 K指数分为0-9十个等级并直接与每3个小时间隔的地磁场扰动量直接相联系。K指数越大，极光发生的可能性也就越大。当然，K指数也与特定的观测台站位置有关。对那些没有天文台的地方，可以参考距离最近的天文台数据来估计当地的K指数。Kp指数是由极光活动的全球平均转换得到。这个指数是当前国际通行反映地磁活动的基础应用数据。

太阳活动周期变化

　　太阳活动从高年到低年大约有11年的周期变化。太阳黑子是这一变化规律的标记；当黑子数增加时，太阳活动也增强。太阳黑子是耀斑的源，而耀斑是太阳系统最剧烈的事件。在几分钟内，一个大的耀斑要释放的能量要比最大地震所释放的多百万倍。

日地影响

　　太阳活动产生一些对我们不利的影响。来自高能粒子的辐射有时会对宇航员和卫星上的电子元件造成损害。地磁场扰动可能会毁坏电力系统，扰乱通讯，破坏高科技导航系统，可能产生很壮观的极光。空间环境预报中心通过对太阳活动的监测和预报，提供这些近地空间扰动事件的预报、警报。

地球空间活动

由于太阳活动和地磁事件而受影响的人类活动和技术系统：

• 卫星操作
• 导航
• 航天飞机及空间站活动
• 极地高空飞行
• 电力输送
• 长途电话通讯
• HF电波通讯
• 输油管道系统
• 地球物理勘探

　　如同轮船遨游于大海，任卫星驰骋的是广阔的宇宙。就象在地球一样，卫星在旅途中也会体验暴风雨的洗礼。自从1957年人类涉足太空以来，已经对空间环境有所了解。这些知识虽然可以使卫星的设计制造者对空间环境危害有所防范，但面对瞬息万变的太空，仍存有几分茫然。

　　阻碍空间任务顺利实施最大障碍是发射和入轨的前期，一旦卫星被释放和定轨以后，它还将面临另外一些威胁任务的恶劣条件。空间天气就属于这种有害的环境因素，对它的监测有利于保障卫星的正常运行，避免不必要的消耗。

　　空间天气的影响与轨道、星上地方时、与特定空间区域的相对位置、太阳黑子周阶段，以及其他一些因素密切相关。空间天气的影响小至容易恢复的翻转事件，大到整个任务的失败。一个权威的卫星保险公司估计，1994到1999年间，为在轨卫星由空间环境引起的事故所支出的的保费高达五百万美圆。很显然，空间天气是商业和科学目的的飞行所必须考虑的因素。

　　空间环境预报可以向卫星应用机构提供数据、警示、警报、警戒和卫星异常处置等方面的服务，卫星的制造者和控制人员可以各取所需。除了对特定卫星异常所进行的空间环境评估外，所有这些服务及它们的可靠性分析都是连续的。据美国SEC对300余次卫星异常的分析，其中三分之一是由空间环境的变化引起的。还有许多卫星异常可能与空间环境有关，但具体的因果关系一时还难以确定。过去，多数卫星的操纵者和制造人员对他们卫星的异常都讳莫如深，现在这种状态已大有改观，这个行业已经变得开放了许多。

　　最后，面临恶劣空间环境形势将采取那些措施也是重要的课题，事实上，很少有卫星测控人员会根据即将发生的或大的空间环境扰动警报来采取相应的防范措施。这并不等于说这些信息不重要或没有引起足够重视，因为卫星的设计上已经足以抵御恶劣的空间环境，大多数也的确作到了。但是，所有重要的卫星控制部门在进行状态分析和卫星异常处置时也大量地考虑了空间环境因素。航海者要考虑其面临的形势，空间飞行也是如此。

　　卫星异常依照它们对卫星的影响被编目，主要种类如下：

• 表面充电
• 深层充电
• 由（1）银河宇宙线（2）太阳宇宙线引起的单粒子翻转事件
• 卫星阻尼（1000公里以下）
• 总剂量效应
• 太阳射电干扰和电离层闪烁
• 碎片
• 卫星定位
• 光噪声
• 材料老化
• 微流星撞击

　　当前要建造完全抵御任何空间环境影响的航天器是不现实和不经济的，在取得重大突破之前，让卫星操作人员意识到环境的险恶显然是非常重要的，

　　尽管将来卫星还会出现麻烦，甚至失败，巨大的收获和利益足以促使我们面对这些挑战，向往空间的民族和商业的野心是我们勇敢地面对风暴，尽管浩瀚的宇宙充满了危险。