基本介紹
- 中文名：衛星通信電波損耗
- 外文名：Satellite communication radio-wave loss
- 類型：通信名詞
背景,電波傳播特性研究的必要性,電波傳播研究內容,電波傳播的關鍵技術,
背景
衛星通信是在空間技術和地面微波中繼通信技術的基礎上發展起來的，依靠大氣外衛星的中繼實現遠程通信。其載荷信息的無線電波要穿越大氣層，經過很長的距離在地面站和衛星之間傳播，因此它受到多種因素的影響。
衛星通信中，電波傳播是一種損耗，即傳輸損耗，此外，還有大氣吸收損耗、降雨損耗（雨衰）、日凌、鄰星干擾、交調干擾、交叉極化干擾、指向誤差=対星精度損耗等。
傳播問題會影響到信號質量和系統性能，是造成系統運轉中斷的一個原因，因此電波傳播特性是衛星通信以及其他無線通信系統進行系統設計和線路設計時必須考慮的基本特性。
電波傳播特性研究的必要性
衛星通信中的電波傳播研究是發展衛星通信的必要條件之一，衛星通信系統的規劃、設計和系統性能預測、仿真，都取決於能否提供可靠的、當地的電波傳播數據和規律，任何類型的衛星通信系統設計都少不了電波傳播研究成果的支持。電波的傳播特性是時變的和隨機的，且與當地的地理氣象條件密切相關，所以對於衛星通信電波傳播的研究對於各項衛星通信領域的套用是非常必要的。
傳播問題綜述為下表1所示。
| 傳播問題 | 物理原因 | 主要影響 |
|---|---|---|
衰減和天空噪聲增加 | 大氣氣體、雲、雨 | 大約10GHz以上的頻率 |
信號去極化 | 雨、冰結晶體 | C和Ku判斷的雙極化系統（取決於系統結構） |
折射和大氣多徑 | 大氣氣體 | 低仰角跟蹤和通信 |
信號閃爍 | 對流層和電離層折射擾動 | 對流層；低仰角和10GHz以上的頻率電離層；10GHz以下的頻率 |
反射多徑和阻塞 | 地球表面及表面上物體 | 衛星移動業務 |
播延遲、變換 | 對流層和電離層 | 精確定時、定位系統 |
傳播損耗
衛星通信系統中信號的傳送路徑主要在星—地之間和星—星之間。星間鏈路中電波在星與星之間傳播，可以認為是自由空間傳播，星—地之間的電波傳播要經過對流層、平流層、電離層和外層空間，因此除了受自由空間傳播特性的影響外，還受到近地大氣層的各種因素的影響。
其中，自由空間傳播損耗只與傳輸距離和頻率有關，是傳播損耗中的最基本損耗。大氣層的影響使得電波的傳播不但具有很大的損耗，而且使得接收信號具有一定的衰落和強度上的起伏。
星地鏈路傳播特性如圖1所示。
圖1. 星地鏈路傳播特性（1）自由空間傳播損耗
衛星通信鏈路的損耗包括自有空間傳播損耗、大氣吸收損耗、天線指向誤差損耗等。星際鏈路中電波主要在大氣層以外的自由空間傳播，在傳播過程中，能量隨傳輸距離的增大而擴散，所引起的傳播損耗稱為自由空間傳播損耗。自由空間電波傳播是無線電波傳播最基本、最簡單的傳播方式，自由空間是一個理想化的空間，實際中電波不可能在真空中傳播，自由空間為人們研究電波傳播提供了一個簡化的計算環境。自由空間傳播損耗在整個衛星通信鏈路傳輸損耗中占絕大部分，而其他因素引起的損耗可以考慮在自由空間損耗的基礎上加以修正。
當電波在自由空間傳播時，其能量是向四周均勻輻射的，接收機只能接收到其中一部分，工作距離越遠，球面積越大，接收點截獲的功率越小，即傳播損耗越大。
假設在半徑為d的球面上，用增益為GR的天線接收，則接收信號功率可表示為：
PR=PTGTARη/4πd=PTGTGR(λ/4πd)
其中，PT為天線發射功率，GT為發射天線增益，AR為接收天線開口面積，η為天線效益，λ為波長。
例如：
若低軌道衛星系統衛星高度為1000km，最小仰角100度，最大路徑長度為2763km，上行頻率1600MHz，則上行空間傳播損耗為165.3dB；下行頻率1500MHz，則下行傳播損耗為164.8dB。
若靜止軌道衛星系統上行頻率6GHz，下行頻率4GHz，地球站與衛星相距40000km，則上行和下行的空間傳播損耗為200.05dB和196.53dB。低軌和高軌的傳播損耗相差可達30dB。
低軌道方案在傳播時損耗小，可放鬆對天線、發射功率等的要求，方便實現衛星與手持機之間的通信。
（2）大氣吸收損耗
電波在地球站和衛星之間傳播，要穿越地球周圍的大氣層，包括對流層、平流層和電離層等。電波在大氣層中的傳播過程中，會受到電離層中自由電子和離子的吸收，還會受到對流層中的氧氣、水氣和雨、雪、霧的吸收和散射，產生一定的衰減。這種衰減的大小與工作頻率、天線仰角以及氣候條件有密切關係，主要包括：
——雨衰、雲霧衰減、降雪損耗
——大氣折射的影響
——電離層、對流層閃爍的影響
大氣折射的影響：
如圖2所示，為大氣折射的影響示意圖。
圖2. 大氣折射的影響在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度越低，對電波的折射也隨之減小，使電磁波在大氣層中的傳播路徑出現彎曲，在這種情況下，地球站在幾何上直線對準的只是在衛星實際位置上方的一個虛的衛星位置。
由於大氣層的不穩定因素，如溫度的變化、雲層和霧等導致了大氣密度分布的不連續變化和起伏，使傳播路徑產生了隨機的、時變的彎曲，從而引起接收信號的起伏。
在低仰角的情況下，由於星地傳播路徑與地面視距微波路徑近乎平行，折射還可能形成相互干擾。
電離層、對流層閃爍的影響
電離層記憶體在電子密度的隨機不均勻性而引起閃爍，其強度大致與頻率的平方成反比，因此，電離層閃爍會對較低頻段（1GHz以下）的電波產生明顯的散射和折射，從而引起信號的衰落。比如，對於200MHz的工作頻率，電離層閃爍使信號衰落有10%的時間大於6dB。
對流層閃爍特性主要對較高頻段（10GHz以上）的電波傳播造成較大的影響。對流層的閃爍強度與物理參數（溫度、濕度、風速等）、緯度位置和時節（包括日變化、季變化）有關，閃爍將導致信號衰落，特別是在低仰角時，衰落可達10dB。
（3）地面傳播
電波在地面傳播中，會遇到各種地面或環境設施，如建築物和樹木等。地面或環境設施對信號的反射、繞射和散射，可形成信號的多徑傳播。對於天線高度低、增益小的移動終端更容易出現這樣的情況。信號通過多徑信道到達接收端時，由於不同路徑的信號延時不一樣，接收端多徑信號可能同相疊加，會造成信號增強，也可能各個多徑信號反相抵消，會造成信號被減弱，從而形成接收信號的衰落。
反射現象
當無線電波從一個煤質傳播到達另一個煤質，如果這兩種煤質的電磁特性不同，無線電波會產生反射現象。如果無線電波入射的是絕緣體，部分能量會進入到絕緣體，另外部分能量會被反射回第一種煤質中，中間沒有能量被吸收。如果無線電波入射的是良導體，所有的入射能量將被反射回第一種煤質中。在星地鏈路中，反射主要發生在大地的表面和建築物的牆上，通常，這些物體的尺寸要遠大於無線電波的波長。
繞射現象
當星地鏈路之間的路徑存在密度較大的物體，其尺寸比無線電波的波長大，就會在阻礙物之後產生次級波，繞射場仍能夠到達接收機。繞射出現的原因是收發端之間沒有直視路徑，信號的能量不能直接到達接收端。
散射現象
當信號傳輸中遇到大的、粗糙的表面，或者尺寸與無線電波波長相當的表面時，其能量會發生散射或向所有的方向輻射。城市的街燈、路燈、植物等都會使信號發生散射。傳輸路徑上任何使信號發生散射的物體都成為散射物。
（4）都卜勒頻移
當衛星與用戶終端之間、衛星與基站之間、衛星與衛星之間存在相對運動時，接收端接收到的發射端載頻發生頻移，稱為都卜勒頻移。對於靜止軌道衛星，都卜勒頻移主要因為用戶終端的運動產生，對於非靜止軌道衛星，則主要取決於衛星相對於地面目標的快速運動。都卜勒頻移可表示為：
fd=v·fc/c·cosθ
其中，v為衛星與用戶的相對運動速度，fc為射頻頻率，c為光速，θ為衛星與用戶的連線和速度方向的夾角。
移動衛星電波傳輸
移動衛星通信的電波傳播與固定衛星通信的不同之處就是移動衛星通信存在嚴重的衰落現象。由於移動用戶所在的地面環境複雜，移動台天線高度低，同時增益小，能接收由於地面環境反射形成而來自各個方向的多徑信號，因此，移動衛星通信信道從本質上來說是一個多徑信道，具有衰落特性。
地空電波傳播
地空電波傳播現象具有4個重要的特點。第1是研究的超前性，即應該在系統規劃、設計之前，提供必要的傳播數據和傳播效應預測模型。第2是對自然地理氣象條件的依從性。不同地域、不同季節、不同氣象條件，使同一傳播效應表現出很大的差別，如雨衰在中國南方地區與西部乾旱的沙漠地區就很不一樣。第33是頻率依從性。不同的頻段可有不同的傳播效應，或同一傳播現象在不同的頻段，對通信影響的嚴重程度是不一樣的，即每開發一個新的頻段，就必須進行相應的傳播研究。第4是對業務的依從性。對於不同的衛星通信業務，除了某些共同傳播效應外，由於地空電波傳播現象複雜和多樣性，應全面考慮統一規劃。
電波傳播研究內容
電波傳播的研究內容如下：
（1）衛星通信中共有的電波傳播特性研究。這包括大氣氧分子和水汽成份對電波的吸收損耗。降雨和雪對電波的衰減和去極化效應，大氣隨機不均勻性引起的信號閃爍，相位起伏、大氣的輻射亮度，毫米波還要考慮霧、雲、沙塵對電波的衰減。研究相應的無線電氣象數據。進行電波傳播試驗，觀測和建立傳播預測模型，研製預測和仿真軟體。
（2）大氣氣體吸收衰減的計算和觀測。主要是針對X，Ku，K和Ka頻段（通常在10GHz以下頻率，大氣氣體吸收損耗可忽略），研究氣體吸收衰減以及其隨仰角和氣象條件的變化。
（3）雨衰減測試。在L頻段以上的頻率，雨衰減是影響衛星通信的主要傳播現象之一，隨著頻率的增高，直到Ka頻段，雨衰減愈加嚴重。研究雨衰減與降雨率、雨滴尺寸分布、仰角和頻率的關係及其統計預測模型。
（4）雨和大氣冰晶體去極化效應的測試。研究X，K和Ka頻段交叉極化解析度XPD與雨衰減，雨傾斜角、頻率和仰角的關係，使用正交極化以擴大容量的衛星通信系統，需要去極化的傳播數據統計。在UHF頻段，需測試電離層的法拉第旋轉效應。
（5）閃爍和多徑衰落觀測。接收信號的閃爍和衰落，與對流層和電離層的湍流以及雨衰減的起伏有關。在C頻段以下的頻段，電離層的影響是重要的；在X頻段以上的頻率，對流層的影響是主要的，所以在UHF和L頻段進行電離層閃爍觀測，而在X，K和Ka頻段觀測對流層閃爍和衰落，測試閃爍和衰落的總體幅度，統計特性及頻譜特性。
（6）降雨率、雨滴尺寸分布和大氣水汽含量的測試與統計分析。這些數據是預測雨衰減和去極化以及大氣氣體吸收衰減所必須的，研究分鐘降雨率和水汽密度的時間統計特性和地理分布，建立電離層擾動模型，研究電子不均體尺度和電子濃度分布及其與日地關係，E層電場和中性風的關係。
（7）站址分集改善效果的研究。站址分集是克服雨衰減的有效手段。對於衛星陸上和海上移動通信，還需研究水平和垂直空間分集對多徑衰落的改善效果，因在衛星移動通信中多徑衰落是個嚴重問題。
（8）特定衛星通信系統的傳播研究。對衛星廣播電視業務，必須研究衛星信號進入室內的損耗以及建築物的阻擋損耗；對於衛星陸上移動通信則應研究樹木、地形和建築物的遮蔽損耗及多徑衰落；對於海上移動業務則必須研究海面反射多徑效應；對於衛星的定位和跟蹤以及衛星定位和導航系統，必須研究電波的大氣折射和傳播時延效應；對於數字通信，則必須考慮信號在對流層和電離層傳播延遲變化的統計特性。
（9）大氣、天空背景噪聲的觀測。大氣是吸收介質。因此也是噪聲輻射源，不同的天氣狀況將有不同的天空噪聲溫度。太陽、月亮和銀河系也是噪聲輻射源。
（10）衛星定位業務中的電波傳播研究。包括電波的時延、到達角的起伏和都卜勒頻移等。
（11）廣播電視衛星通信的電波傳播研究和衛星廣播覆蓋及干擾預測。
電波傳播的關鍵技術
電波傳播中的關鍵技術包括：
（1）衛星通信電波傳播預測模型的研究。
（2）研製具有高靈敏度、寬動態範圍的衛星信號接收設備。
（3）統計和分析預測傳播效應所需的無線電氣象數據。
