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全球導航衛星系統 (GNSS) 與第 25 太陽週期

全球導航衛星系統 (GNSS) 與第 25 太陽週期

隨著太陽接近其十一年週期的高峰，我們正經歷越來越頻繁且強烈的太陽風暴，這種增強的太陽活動不只把極光推向較低緯度地區，也對我們日常依賴的全球導航衛星系統（GNSS）帶來風險，接下來，我們來看看目前第 25 太陽週期（Solar Cycle 25）的狀況、有哪些政府機構網路在追蹤太陽對地球的影響，以及更強烈的太空天氣對 GPS 和其他 GNSS 星系造成的影響。

太陽及其週期

太陽內部翻騰的電漿 (plasma) 如同一個發電機 (dynamo)，產生的大規模磁場大約每十一年會反轉一次極性，這個過程的特徵包含太陽黑子 (sunspots) 數量的增減，以及引發太空天氣的爆發事件 (eruptive events)，例如：

  • 太陽閃焰（Solar flares）：這是持續數分鐘到數小時的強烈紫外線和 X 光爆發。
  • 日冕物質拋射（CMEs）：太陽高能粒子（SEPs）（包含電子、質子和重離子）的突然噴發，規模比地球大數倍。

預測太陽週期的規模與持續時間是由一個國際專家小組負責，成員來自美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）、美國國家航空暨太空總署（NASA）及國際太空環境服務組織（ISES）（一個有 23 個成員國的協調小組），該小組預測，第 25 太陽週期的活躍程度會跟先前相對溫和的週期差不多。

第 25 太陽週期的實際觀測

第 25 太陽週期產生的太陽黑子數量雖然可能比歷史平均少，但其活躍程度已超越上個週期，並引發了一些引人注目的事件，到目前為止，這個週期已產生超過 900 次 M 級和 X 級太陽閃焰，其中超過 15% 發生在 2024 年的前五個月；到了 2023 年，這個週期就已經發生了數十次 CMEs。

在 2023 年 5 月初，活躍區 3664 爆發了一連串的閃焰和 CMEs，強度最高達到 G5 級地磁風暴和 8.7 級的 X 級閃焰；同年 6 月初，另一個活躍區向地球噴發了一團 SEPs，觸發了自第 24 太陽週期以來最強的太陽輻射風暴，幸運的是，這些極端事件沒有造成長期或系統性的損害，但也確實造成一些零星問題，例如有使用 John Deere 拖拉機的農民回報發生定位誤差，影響了春季的播種工作。

監測太陽活動

太空天氣的監測與預報是一項全球性的合作，主要由美國帶領，NOAA 是美國主要的民用太空天氣機構，其職責是依據從地面和太空中收集到的資料，來製作和發布預報，NOAA 的國家氣象局（National Weather Service）負責發布預報，而其國家環境衛星、資料與資訊服務中心（National Environmental Satellite, Data, and Information Service）則負責維護 NOAA 系列地球觀測衛星上的太空天氣監測儀器。

國防與研究機構的角色

美國國防及情報單位，則是透過美國太空部隊（United States Space Force）的第 557 氣象聯隊（557th Weather Wing）來獲取太空天氣預報與警報，這個單位同時也負責運作數個太陽觀測站。

美國的聯邦研究機構也為太空天氣的監測工作貢獻心力，NASA 的太陽物理學（heliospheric science）任務從太空中獨特的角度提供觀測資料，舉例來說，太陽動力學天文台（SDO）運行在地球同步軌道上，幾乎能不間斷地觀測太陽，並支援高頻寬的資料下載；內政部的美國地質調查局則負責維護一個地磁觀測站網路，用於量測太空天氣對地球磁場造成的影響。

太陽活動對 GNSS 效能的衝擊

當從太陽爆發的閃焰和 CMEs 的路徑正好朝向地球而來時，它們會引發一連串的大氣和電磁效應，可能干擾 GNSS 訊號的接收。

這些影響主要發生在電離層，也就是地球表面上方約 80 到 1000 公里、由電子和離子組成的區域，由於 GNSS 衛星的軌道高度約 20,000 公里，因此它們發出的訊號必須穿越整個電離層才能到達地面，變動的電子密度會改變訊號的傳播路徑，導致訊號產生閃爍現象，就像我們看星星時，星光會因為大氣密度變化而閃爍一樣，一般情況下，這些影響已有準確的模型可以預測，讓 GNSS 接收器能加以補償修正。

太陽風暴對電離層的影響

太陽風暴帶來的 SEPs 和高能光子會穿透地球磁場並衝擊電離層，風暴強度越強，影響穿透的程度就越深，這些帶電粒子會游離大氣中的粒子，導致電子密度增加。

無線電訊號的中斷與 GNSS 的應對

電離層中能量被強化的區域會吸收特定無線電波長的光子，阻斷低頻和中頻無線電訊號的傳遞，這種狀況在極地地區尤其明顯，不過，GNSS 星系使用的是 1 GHz 範圍的訊號，因此比較不會受到這類無線電訊號中斷（radio blackouts）的影響。

然而，太陽風暴也會以無法預測的方式改變不同高度的電子密度，導致閃爍現象明顯增強，當 GNSS 訊號路徑偏離預測模型太多時，接收器內建的模型就無法有效補償，這可能導致定位結果出現數十公尺的誤差，甚至讓接收器完全無法鎖定衛星訊號。

提升 GNSS 抗干擾能力的方法

使用多頻率和多星系的接收器，在抵抗太陽風暴影響方面表現更好，因為它們能結合多個訊號來減緩訊號的劇烈變化，GNSS 星系也可以利用地面和衛星輔助的增強系統，來提高抵抗太空天氣影響的能力，例如，歐洲地球靜止導航增強服務（EGNOS）會在歐洲精準定位的地面站接收 GPS 和 Galileo 訊號，計算出定位修正值，再透過地球靜止軌道衛星將修正訊息廣播出來。

第 25 太陽週期的展望

NOAA 太空天氣預測中心的最新預報認為，第 25 太陽週期的高峰強度會比原先預期的更高，出現的時間也會更晚，太陽黑子活動可能要到 2024 年 11 月到 2026 年 3 月之間才會開始趨緩，並且在這之後還會持續好幾年。

雖然 2024 年上半年的強烈太陽事件沒有造成系統性的問題，但未來幾個月預計會有更多的 CMEs 和閃焰衝向地球，對於需要高精度定位資料的使用者來說，這些事件可能會干擾 GNSS 的正常運作。

GNSS 於地球科學研究的應用：GNSS-RO、GNSS-R 與 GNSS-GR

科學家們發現，除了定位之外，還能利用全球導航衛星系統（GNSS）來研究地球表面與大氣層，他們並非使用系統的定位功能，而是利用衛星來量測 GNSS 訊號穿過大氣層以及從地表反射後的變化，巧妙的是，這些技術把原本會造成定位誤差的訊號干擾，轉變成了有用的科學資料來源，幫助我們更深入地了解地球。

早期衛星遙測技術

利用太空載具以無線電波研究行星大氣層的做法由來已久，最早可以追溯到 NASA 的 Mariner V 金星任務，當這艘太空船從地球看過去、飛到金星後面時，它的 S 頻段載波訊號在飛行路徑上穿過了金星的大氣層，分析這個訊號的變化，讓行星科學家能更準確地了解金星大氣層的實際溫度與厚度。

遙測衛星任務也利用無線電訊號進行地球觀測，例如，合成孔徑雷達（SAR）衛星把雷達系統帶到軌道上，用來獲取高解析度的地表量測資料，這項技術最初在 1960 年代由情報機構使用，到了 1970 年代，NASA 的海洋學任務也開始應用，這種主動發射訊號方式的缺點是，衛星需要搭載強大的無線電發射器，增加了成本和系統複雜度。

GNSS 於地球觀測的優勢

GPS 和其他 GNSS 星系的出現，讓這類地球觀測工作變得更便宜、更簡單，研究計畫只需要把相對低功率的 GNSS 接收器送入軌道，就能「免費」接收到這些遍佈全球的標準化太空無線電訊號。

GNSS 無線電掩星技術（GNSS-RO）

從中地球軌道（MEO）的 GNSS 衛星發射的無線電訊號，在穿透大氣層時並不會走直線，密度較高、較暖的空氣以及不斷增加的水氣含量，都會折射無線電波，拉長訊號的傳播路徑，結果，訊號抵達接收器的時間會比理論值稍微晚一點，基本的接收器會直接接受這些微小的誤差，而比較進階的接收器則會利用大氣模型來修正這些誤差。

運用 GNSS-RO 進行大氣探測

另一方面，大氣科學家則利用 GNSS 無線電掩星技術（GNSS-RO），把這種訊號延遲當作有用的資料，位於低地球軌道（LEO）的衛星負責接收那些在地平線附近、正要出現或即將消失的 GNSS 衛星訊號，這些訊號從 MEO 進入大氣層，會貼近地球表面傳播，然後才被位於 LEO 的 GNSS-RO 衛星接收，透過大氣模型，就能將這些資料轉換成訊號路徑上的溫度、壓力和濕度量測數據。

COSMIC-2 任務實例

氣象、電離層和氣候星座觀測系統（COSMIC-2）是由台灣國家太空中心（National Space Organization）、美國 NOAA 及其他美國政府和大學夥伴共同合作的一項計畫，COSMIC-2 的六顆 LEO 衛星網路利用 GNSS-RO 技術，用來建立高達 800 公里的大氣狀態垂直剖面資料，跟傳統的探空技術（sounding techniques）相比，這種衛星觀測方法能提供全球性、全天候的觀測覆蓋，而且產出的資料精確度高，垂直解析度也更好。

GNSS-RO 對天氣預報有最直接的貢獻，這些詳細的大氣狀況資料，幫助 NOAA 將天氣預報的誤差降低了達 8%，氣候研究也同樣受益於這項技術，科學家能利用它來監測全球暖化在全球及各區域造成的影響。

GNSS 反射測量技術（GNSS-R）

多路徑（Multi-path）效應是另一個能轉為科學用途的定位誤差來源，簡單來說，接收器會收到同一個 GNSS 衛星發出的多個訊號版本：一個是直接訊號，其他則是經過當地地形或建築物反射的二次訊號，透過收集這些反射訊號，科學家等於是把全球的 GNSS 網路變成了一個巨大的全球雷達系統。

GNSS-R 應用與 CYGNSS 任務

舉例來說，地表的粗糙度和濕度含量會決定它對 GNSS 無線電波的反射率，LEO 衛星可以接收這些反射訊號，用來量測地球表面的各種特性，測高技術能用來量測地面海拔和海浪高度，科學家也能藉此研究土壤濕度、海面風速、冰棚與冰川的狀態。

NASA 的氣旋全球導航衛星系統（CYGNSS）任務是由八顆微衛星（micro-satellites）（目前有七顆在運作）組成的觀測網路，運行在低傾角軌道上，它的目標是透過量測風速和大氣條件，來更深入地了解熱帶氣旋是如何形成的，諸如 Spire 和 GeoOptics 等商業衛星服務公司，已經在 NASA 的基礎上進一步發展，為研究人員和氣象學家收集 GNSS-R 資料。

GNSS 掠射角反射測量技術（GNSS-GR）

掠射角反射測量技術（GNSS-GR, GNSS Grazing-Angle Reflectometry）跟 GNSS-RO 有點像，它也是觀察靠近地平線低角度的 GNSS 衛星，不過，這項技術量測的是那些掠過地表後反射的訊號，在這麼淺的掠射角度下，地表紋理對反射率的影響不大，讓科學家可以把地表當作一面鏡子來分析，透過評估訊號中的相位變化，就能非常精確地計算出地表高度。

PRETTY 任務實例

歐洲太空總署（ESA）的被動反射測量與劑量測定（PRETTY）任務，就是一個專門收集 GNSS-GR 資料的 LEO 立方衛星（CubeSat），衛星上的兩個天線會偵測 Galileo GNSS 星系所發射的 L5 訊號，其中一個天線偵測反射訊號，讓衛星系統能利用 GNSS-GR 技術量測地表高度；另一個天線則接收穿過大氣層的直接訊號，衛星會利用干涉測量技術比較這兩個訊號的相位差異，推算出精確度至少達到 50 公分的地表高度。

GNSS 地球觀測的未來

下一代的 GNSS 星系將會提供更多可供民用的衛星與無線電訊號，這些進展將讓科學家能取得更豐富的觀測資料集、進一步改善天氣預報的準確性，並建立更完善的地球大氣與海洋過程模型。
 

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