空間通信電磁傳播影響分析

1引言

隨著航天裝備的作用日益重要，各國對制空權的爭奪也日益激烈，空間作戰依賴于信息，空間電磁環境是空間作戰信息依存的主要媒介。在電磁控制權的爭奪上是否能夠取得優勢，很大程度上取決于電子對抗指揮員對電磁環境的準確判斷以及對電子對抗作戰力量的合理部署及調配。通過對空間通信電磁傳播的影響進行分析，構建空間通信的電磁傳播模型，從而進一步實現空間戰場電磁環境仿真或可視化可為指戰人員提供更直觀的輔助決策。目前針對衛星通信中電磁傳播的研究主要是關注于自由損耗及大氣吸收、極化損耗和降雨損耗等低層大氣損耗。本文全面分析了衛星通信所經歷的傳播環境和影響因素，并在此基礎上總結各種影響因素的數學模型及其適用范圍，為分析構建衛星通信范圍內電磁傳播整體模型提供支持。

2傳播環境及影響因素分析

電磁波傳播主要受其傳播媒介的影響，因此需先弄清傳播路徑所經歷的環境。近地空間是指地球周圍附近的區域，它是實現地面通信與空間通信的無線電波的基本傳播場所。近地空間之外是外層空間，這是星際通信的主要場所。

當前衛星通信系統中，主要使用頻段為L頻段、K頻段、C頻段、Ku頻段，Ka頻段。星地通信中電波從地球站發出之后，經過底層空間的對流層、平流層、電磁層到達外層空間，通過衛星轉發器轉發至其它空間飛行器，或者從外層空間傳播回地面，完成信息傳輸過程。星際通信中電波信號從宇宙空間的飛行器發出，經過近于真空的環境傳播至其它飛行器。

無論在哪一層范圍內，電磁傳播都要考慮由于能量的球面擴散而引起的電波衰減，即自由傳播損耗，這也是衛星信道的主要傳播損耗。

2.1對流層

平流層中物質分子稀少，對電波影響甚小，一般在研究電波傳播時所指的對流層包括對流層和平流層兩部分。從地面到60km左右高空，其主要成分為中性大氣。對流層含有大量水分，除水汽外還包括各種降水，主要出現在近地面數千米高度范圍。在晴空條件下主要考慮大氣吸收衰減、大氣折射率變化等引起的閃爍或多徑衰減和波束的聚焦和散射，在其它天氣情況下，可能還要考慮其它衰減，比如降水考慮雨衰減及其退極化效應或云衰減。

1.大氣吸收

大氣的損耗是由于吸收引起的，其的作用范圍在對流層空間范圍內。在10GHz頻率以下通常可以忽略。在10GHz以上的頻率，重要性逐漸增加。

2.降水衰減

降水主要包含云、雨、霧、雪等現象，其中對電波影響最大的是雨。在10GHz以上頻段多云陰雨等條件下需考慮降雨和云。霧的厚度通常較小，且在約100GHz或以上的霧衰減效果才比較顯著，在空間通信中不考慮。

3.退極化效應

目前的衛星通信系統中部分頻段上采用正交極化方式，對流層降雨對微波段有明顯的退極化影響，引起電波極化面的變動，降低了波的極化純度，產生了交叉極化干擾及附加的退極化傳輸損耗。降雨率比較小、L以下頻段的退極化現象對電波傳播的影響可以忽略。

4.波束聚焦或散焦

由于大氣中折射率隨著高度有規則地減少導致射線彎曲并形成低仰角時天線波束的擴大或縮小也可能導致信號電平的改變。波束的聚焦或散焦與發射點和接收點仰角、傳播距離以及傳播方向有關，這一影響在仰角大于3°時可以忽略不計。

5.閃爍和多徑衰落

對流層產生閃爍主要是由于大氣氣象條件變化隨機。在低仰角（<10°）且10GHz以上頻率，對流層閃爍在個別情況下會導致嚴重性能下降，10GHz以下頻段或10°以上仰角可以不予考慮。

2.2電離層

在電離層范圍從平流層頂延伸至大約1000km的高度。衛星通信使用的微波頻段在電離層具有很好的穿透性，電磁層的吸收可以忽略。電磁波在電離層傳播主要的損耗為法拉第極化旋轉和閃爍。

1.法拉第極化旋轉

電磁波在電離層傳播時，使用較低頻段時需要考慮法拉第效應，10GHz以上頻段的法拉第效應即可忽略。

2.閃爍

電磁層閃爍影響最大的地區是極光區和地磁赤道附近的帶狀地區，夜間強白天弱，與太陽活動成正比，且隨頻率的增加而減弱。電磁層閃爍對我國衛星通信影響較小。電磁層閃爍對6GHz以下頻段影響較大，太陽寂靜期6GHz以上頻段及中緯度地區不預考慮。

2.3外層空間

外層空間環境相對前幾層來說對電磁波傳播干擾較小，是星際鏈路傳播的主要空間，基本可以認為是自由空間傳播，最主要的傳播損耗是自由空間傳播損耗，但也受到外層空間宇宙輻射和太陽活動等的影響。

1.宇宙噪聲

在衛星通信頻段，主要的噪聲干擾是宇宙噪聲。宇宙噪聲的主要來源是外層空間星體的熱氣體在星際空間的輻射，其中最主要的噪聲源來自太陽，當接收機的天線不對準太陽時，靜寂期太陽噪聲對系統影響不大。對于地面站而言，太陽系天體運行規律確定一年內在春分和秋分前后出現日凌干擾，干擾發生的具體時間和地面站的位置有關。衛星通信中依據衛星的通信鏈路方位考慮其宇宙噪聲影響。

2.太陽宇宙射線

外層空間的輻射中，在太陽耀斑爆發期間，揮發出太陽宇宙射線，太陽爆發可能引起地磁暴等。太陽磁暴可能引發電磁層暴，導致電磁層閃爍、折射誤差、信號大幅衰減。目前活動期的太陽輻射對電磁傳播的影響沒有確定的預測模型。

4總結

空間通信中，電磁傳播受到的主要影響依次為低層大氣的大氣吸收損耗、云霧雨衰減損耗、波束擴散損耗、閃爍或多徑傳播、退極化以及外層空間輻射等影響。這些影響因素多為頻率、地理位置、時間和仰角的函數。對流層云衰、雨衰、大氣吸收及閃爍等一般在10GHz以上頻段作用才比較明顯，晴天要考慮自由傳輸損耗、大氣吸收損耗、波束擴散損耗，多云天還要考慮云衰，陰雨天還要考慮雨衰和降雨引起的退極化。電磁層閃爍和法拉第極化旋轉在10GHz以下效果才明顯。宇宙噪聲和輻射在特定的時期或對特定方向鏈路影響明顯。其中不確定性的計算模型，可根據統計理論和經驗值進行估計。

本文給出的對各種衰減計算模型中所用到的全球氣象數據，由于測試點覆蓋面小，某些地區可能誤差比較大，對于特定地點的預測計算，可以根據當地的氣象數據值計算或者直接測量。通過對空間電磁傳播過程中影響因素的模型構建，為預測空間復雜電磁場值、實現空間電磁環境的仿真提供很好的支撐。在此基礎上實現空間戰場電磁環境可視化平臺，為指戰員提供更直觀的決策支撐將是下一步的研究工作。