對流層散射傳輸損耗預測*

宋 達，張海勇，賀 寅，夏吉業

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

0 引言

對流層散射通信是利用對流層中的不均勻體[1]對超短波、微波進行前向散射來實現超視距無線通信的方式[2]，傳播媒質永恒存在[3]，在國內外超視距通信中占有重要作用[4]。相比于其他的通信方式，對流層散射有其獨特的優勢和特點,與短波超視距通信相比，通信距離不如短波，但是其信道容量和信道可靠程度優于短波；與微波通信相比，通信容量不及微波，但是通信單跳大于微波，在視距受阻的情況下優勢比較明顯；與衛星通信相比，通信距離、容量和質量都不如衛星通信，但是對流層散射通信不易受到敵方監視與干擾，不必占用衛星頻率資源，能夠實現自主通信[5]。

對流層散射有著較多優點的同時，其缺點也非常明顯。對流層散射通信是電磁波發射到對流層時，電磁波使對流層中的散射體變成電偶極子后再向四面八方進行散射，從而使接收方接收到信號，因其特殊的傳輸機理導致對流層散射傳輸損耗較大，只有百萬分之一的能量可以到達接收機[6,7]。因此準確預算對流層散射傳輸損耗，對對流層散射傳輸系統設計與應用有著重要的影響。

在對流層散射鏈路傳輸損耗預測方面，我國張明高院士通過對國內外大量實驗數據進行分析，提出了對流層散射預測方法，該方法于1992 年被ITU-R.P.617-1[8]建議采納，之后進行了氣候區地圖、概率損耗擬合等公式的改進，升級到ITU-R.P.617-3，但未改變主體預測方法。另外，ITU-R.P.617-3 于2017 年升級到ITU-R.P.617-4，而2019 年升級為ITU-R.P.617-5，并更新了傳輸損耗預測方法。基于ITU-R.P.617-5 模型，通過對對流層散射鏈路傳輸損耗進行分析，得出了考慮天線架高、大氣吸收和天線方位角情況下的對流層散射鏈路傳輸損耗預測模型，并通過ITU 發布的實測數據進行驗證，證明該模型的準確性。

1 ITU-R.P.617-5 損耗預測方法

ITU-R.P.617-5 建議書給出的對流層散射傳輸損耗預測中值為：

其中氣候因子F為：

hs:地球表面海拔高度（km）

hb:可根據不同的氣候條件統計確定的垂直高度（km）。全球平均垂直高度可由hb=7.35 km 定義，并可供參考。

氣候因子F中的平均海平面折射率N0和平均年無線電折射指數遞減率dN可通過查詢ITU-R.P.617-5 建議書獲得。

散射角θ為：

其中θt和θr分別為發收機和接收機的水平角，θe為：

d為傳輸路徑長度，a為有效地球半徑，k為地球有效半徑因子。

在標準條件下，海面折射率N0=318N單位，折射率梯度為dN/dh≈-40N單位/千米，帶入公式（5）中得出k=4/3。

口面介質耦合損耗Lc為：

Yq為估算q時間百分比內不超過的轉換因子：

2 對流層散射鏈路傳輸損耗預測模型

ITU-R.P.617-5 建議書中給出的傳輸損耗中值包含了主基本傳輸損耗和口面介質耦合損耗，但當使用拋物面天線進行對流層散射通信時的方位角偏移損耗、大氣吸收損耗和天線架低損耗沒有進行考慮。

2.1 大氣吸收損耗

當無線電在空氣中傳播時，大氣中的空氣和水汽會對無線電進行吸收，從而造成無線電信號的衰減，這種信號衰減稱為大氣吸收損耗。在晴空大氣環境下，大氣吸收損耗計算公式LA為：

其中A(d)為與傳輸距離相關的量，d為傳輸距離，單位為km，B(f)為與傳輸頻率相關的量，f為傳輸頻率，單位為MHz。

當使用拋物面天線進行對流層散射通信時，經常使用的傳輸頻段為：L、S、C、X 頻段，因此取傳輸頻率為1GHz-10GHz,傳輸距離為100km、200km、300km,通過仿真得出：

如圖1 所示，傳輸距離一定時，隨著傳輸頻率的增加，大氣吸收損耗在逐漸增大，傳輸頻率一定時，大氣吸收損耗隨著傳輸距離的增加在逐漸增大。隨著傳輸距離的增加，大氣吸收損耗大于1dB 所需要的傳輸頻率在逐漸減小，因此當進行對流層散射通信時，要根據傳輸距離與傳輸頻率確定大氣吸收損耗是否忽略不計。

2.2 天線架低損耗

當天線高度較低時，電磁波的波峰與波谷隔得很遠，這時散射公共體下相當多的部分接近波谷，導致部分散射場被地面反射取消或者消弱，從而造成相應的損耗，即為天線架低損耗,天線架低損耗LR的計算公式為：

圖1 傳輸頻率對大氣吸收損耗的影響

LbR1為發射端天線架低損耗，LbR2為接收端天線架低損耗。

Θ10，Θ20為發、收雙方視平線與收發點連線間的夾角，H為最低散射點到天線高度，h為最低散射點離地高度，hte為天線架高，λ為波長。

最低散射點到天線高度H為：

最低散射點離地高度h為：

當傳輸距離為200km,發射機和接收機水平角為0，傳輸頻率為1GHz，天線架高為3m-12m 時，通過計算得出天線架高與波長的比值和天線架低損耗的關系。

如圖2 所示，傳輸頻率為1GHz，天線架高為3m 時，天線架高與波長比為10，天線架低損耗為6.4dB；天線架高為10.5m 時，天線架高與波長比為35，天線架低損耗為1dB；天線架高為12m 時，天線架高與波長比為40，天線架低損耗為0.8dB。隨著天線架高與波長比的增加，天線架低損耗在逐漸減小，因此當進行對流層散射通信時，在條件允許的情況下，應盡量架高天線，使天線架高與波長比增大，從而減小天線架低損耗。

圖2 天線架高與波長比對天線架低損耗的影響

2.3 方位角偏移損耗

使用拋物面天線進行對流層散射通信時，因拋物面天線具有指向性，當收發天線波束對準時為最佳指向，當收發天線波束偏離最佳指向，或信號到達接收點時偏離天線主軸而產生的傳輸損耗為方向角偏移損耗，方位角偏移損耗Lah的計算公式為：

方位角偏移損耗是因發、收端天線波束在方位上彼此對得不準，散射信號在方位角上偏離接收天線主軸，以及附加的散射傳輸損耗所造成的。

最佳方位角為：

相應的：

方位角偏移損耗為：

Lah1為發射端方位角偏移損耗，Lah2為接收端方位角偏移損耗。

Ψh1為發射天線水平寬度，Ψh2為接收天線水平寬度，φ10為發射端主軸方位角，φ20為接收端主軸方位角。取傳輸距離為200km，發射天線水平波束寬度為2°,接收機方位角為0°，發射機的方位角取值為-2～2°，通過計算得出：

如圖3 所示，當方位角為0 時，為最佳指向，此時方位角偏移損耗為0。方位角為-2°～0°和0°～2°時方位角偏移損耗相同。隨著方位角的增大，方位角偏移損耗逐漸增大，因此當進行對流層散射通信時，應盡量使收發天線波束對準，從而減小方位角偏移損耗。

圖3 方位角偏移損耗

2.4 對流層散射鏈路傳輸損耗預測模型

根據上述方法得到對流層散射鏈路傳輸損耗模型為：

以ITU 發布的數據為參考[9]，對流層散射鏈路傳輸損耗模型和ITU-R.P.617-5 模型計算結果與實際傳輸損耗對比得出：

表1 實測數據以及計算結果

從表1 中可以看出，考慮大氣吸收損耗、天線架低損耗和方位角偏移損耗后的對流層散射鏈路傳輸損耗預測模型，預測結果與實測傳輸損耗的平均誤差為3dB,與ITU-R.P.617-5 計算模型相比，降低了傳輸損耗預計誤差，為散射通信系統的設計提供了一種參考。

3 結語

實際鏈路測試表明，當使用對流層散射通信時，需要考慮天線架低損耗、大氣吸收損耗和方位角偏移損耗。基于ITU-R.P.617-5 計算模型，對對流層散射鏈路進行分析，給出考慮了天線架低損耗、大氣吸收損耗和方位角偏移損耗的對流層散射鏈路傳輸損耗預測方法，預測結果與實測數據比較吻合，為使用對流層散射通信系統設計與應用提供了比較準確的依據，具有實用價值。