楊超然 常廣平 常江濤

摘 要 文章研究了地空微波傳播的特性，分析在海上衛(wèi)星移動(dòng)通信中微波傳播損耗的原因，并計(jì)算由平靜海面反射與散射信號(hào)造成的衰落。仿真計(jì)算結(jié)果表明平靜海面造成的信號(hào)衰落值比較小，在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信鏈路時(shí)在信號(hào)自由空間傳播損耗的基礎(chǔ)上留出一定余量即可。

關(guān)鍵詞 地空微波通信；傳輸損耗；信號(hào)衰落

中圖分類號(hào) TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）226-0006-05

受地理?xiàng)l件等因素限制，地面蜂窩通信系統(tǒng)不可能做到全球無(wú)縫覆蓋。如：海洋、極區(qū)、沙漠、山區(qū)還沒(méi)有地面通信網(wǎng)的覆蓋，因而野外勘探、飛機(jī)飛行、船艦航行、旅游探險(xiǎn)、海上或野外緊急搜救等活動(dòng)需要一種不受地域等條件限制的通信手段，在這方面衛(wèi)星通信獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星通信具有超大覆蓋范圍、超遠(yuǎn)通信距離、通信容量大、不受地理?xiàng)l件限制、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能解決航空、航海與偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶通信需求。衛(wèi)星通信幾乎包括地面通信業(yè)務(wù)的所有類型[ 1 ]。

衛(wèi)星通信的無(wú)線電信號(hào)要穿越大氣層中對(duì)流層、同溫層、電離層，所以衛(wèi)星通信中主要使用微波頻段。衛(wèi)星通信是微波通信的一種方式，微波的傳播特性決定衛(wèi)星通信的效果，分析研究微波傳播特性對(duì)于衛(wèi)星通信有著重要的意義。本文根據(jù)微波傳播特點(diǎn)，分析衛(wèi)星移動(dòng)通信中微波在海上傳播的損耗，探索精確預(yù)測(cè)海上衛(wèi)星移動(dòng)通信中微波傳播衰減的方法[ 2 ]。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波，在兩個(gè)和多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。它是在微波通信和航天技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的無(wú)線通信技術(shù)[3]。

1.1 世界衛(wèi)星通信系統(tǒng)

低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)（LEO）距地面700km～1 500km。低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于衛(wèi)星軌道低，信號(hào)傳播時(shí)延短，其鏈路損耗小。中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)（MEO）距地面10 000km左右，傳輸時(shí)延要大于低軌道衛(wèi)星，但覆蓋范圍也更大。高橢圓軌道（HEO）距地面最近點(diǎn)為10 000km～21 000km左右，最遠(yuǎn)點(diǎn)為40 000km～50 000km。同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)（GEO）距地面35 786km，即同步靜止軌道[ 4 ]。

凡是移動(dòng)的衛(wèi)星和固定的終端、固定的衛(wèi)星和移動(dòng)的終端或二者均移動(dòng)的通信系統(tǒng)，均稱為衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。已建成并投入應(yīng)用的通信系統(tǒng)主要有：銥星（Iridium）系統(tǒng)、全球星（Globalstar）系統(tǒng)、軌道通信（Orbcomm）系統(tǒng)、國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星（Inmarsat）系統(tǒng)等。

1.2 國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1970年我國(guó)第一顆衛(wèi)星（DFH-1）發(fā)射成功，1984年發(fā)射第一顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星，1997年我國(guó)發(fā)射第三代通信衛(wèi)星（DFH-3）。到2005年，我國(guó)已建成國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)，初步解決邊遠(yuǎn)地區(qū)通信問(wèn)題。

繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)后，我國(guó)開(kāi)始建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （Beidou Navigation Satellite System）已經(jīng)有20多年開(kāi)發(fā)歷史，預(yù)計(jì)2020年完成。其優(yōu)點(diǎn)有：定位與通信相結(jié)合，定位與位置報(bào)告同時(shí)完成。

中國(guó)北斗通信鏈路可組成任意形式的差分信息，滿足高精度用戶需求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具有與GPS系統(tǒng)相同的全球?qū)Ш蕉ㄎ还δ埽疫€具有全球搜尋援救SAR（search and rescue） 功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由27顆MEO衛(wèi)星+5顆GEO衛(wèi)星+3顆IGSO衛(wèi)星構(gòu)成，共有35顆衛(wèi)星，以提供全球覆蓋[5-6]。

2 微波傳播特性

衛(wèi)星通信的主要頻段屬于微波頻段。微波頻段從300MHz～300GHz，包括很寬的頻率域。微波頻段又分成若干個(gè)子頻段，如：L頻段的頻率范圍為：1.12GHz～1.70GHz，C頻段的頻率范圍為：3.95GHz～5.85GHz，Ku頻段的頻率范圍為：12.4GHz～18.0GHz，Ka頻段的頻率范圍為：26.5GHz～40.0GHz等。衛(wèi)星微波通信主要采用空間直射波，即無(wú)線電波的傳播路徑中完全沒(méi)有任何阻礙。在衛(wèi)星通信中，無(wú)線電波穿過(guò)大氣層沿傾斜路徑傳播[ 2 ]。

2.1 引起微波傳播損耗的因素

影響微波傳播的因素主要是大氣層中的對(duì)流層，對(duì)流層中的氣體成分（特別是水汽）、水凝體（雨、霧、雪、雹）、沙塵等因素會(huì)引起微波衰減。如果忽略空氣的影響，可以認(rèn)為無(wú)線電波是在自由空間中傳播，要計(jì)算自由空間傳播損耗。如果考慮大氣層對(duì)無(wú)線電波的折射、吸收、散射等作用，傳輸損耗還要包括大氣吸收損耗、降雨損耗和電離層閃爍造成的損耗等[2-4]。

2.1.1 自由空間傳播損耗

衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)自由空間傳播后，地球接收站接收到的功率為

2.1.2 大氣吸收損耗

微波在大氣中傳播時(shí)，大氣中的水汽和氧氣會(huì)吸收微波的能量，造成衰減。大氣吸收主要發(fā)生在10GHz以上的頻段。當(dāng)頻率低于10GHz，仰角大于5度，大氣吸收影響基本可以忽略。

2.1.3 降雨損耗

雨滴是造成衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能降低的主要原因之一。降雨會(huì)吸收與散射無(wú)線電波，削弱信號(hào)電平、增加噪聲溫度、削弱交叉極化鑒別。對(duì)于10GHz以上的頻率，雨衰減是嚴(yán)重的，對(duì)10GHz以下的無(wú)線電波雨衰減效應(yīng)比較小。目前，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用Ka、Ku頻段以獲得較寬的可用帶寬和較小的地面站天線口徑，但這些頻帶的電波傳播特性受降雨損耗的影響較大[ 1 ]。

2.1.4 電離層閃爍造成的損耗

電離層的電子密度不均勻且隨時(shí)變化，會(huì)引起穿越電離層的無(wú)線電波聚焦與散焦，造成無(wú)線電信號(hào)的振幅、相位、到達(dá)角、極化狀態(tài)等發(fā)生不規(guī)則變化，形成電離層閃爍現(xiàn)象。電離層閃爍在地磁赤道地區(qū)、極區(qū)比較嚴(yán)重。在超短波頻段，電離層閃爍損耗是比較嚴(yán)重的。在1GHz以上的頻段，電離層閃爍損耗基本上可以忽略[2-4]。

2.1.5 多普勒頻移造成的損耗

當(dāng)衛(wèi)星與用戶終端、衛(wèi)星與基站之間、衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收端收到的信號(hào)發(fā)生頻移。圓軌道多普勒頻移表達(dá)式：

其中Dv為衛(wèi)星與用戶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，C f為信號(hào)頻率，c為光速，θ為衛(wèi)星與用戶連線和速度Dv方向的夾角。表1列出了GEO、MEO和LEO衛(wèi)星系統(tǒng)工作在C頻段時(shí)的最大多普勒頻移的典型值[3-4]。

由表2可知，在1GHz～10GHz頻段，信號(hào)受到的各種衰減比較小，因而衛(wèi)星通信的主要頻段是1GHz～10GHz頻段。此時(shí)衛(wèi)星鏈路的傳輸損耗主要是自由空間傳播損耗，這部分損耗占整個(gè)傳輸損耗的絕大部分。

3 海上衛(wèi)星移動(dòng)通信的傳播損耗仿真研究

海上通信過(guò)去一般采用短波通信，但短波通信存在嚴(yán)重衰落現(xiàn)象，抗干擾能力差。1976年衛(wèi)星通信開(kāi)始在海上使用，建立了海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

海上衛(wèi)星移動(dòng)通信的特點(diǎn)是：海面較為平坦時(shí)（浪高小于3米），鏡面反射強(qiáng)烈，海面漫反射相對(duì)較弱，船舶在海上的活動(dòng)范圍較大。船舶在接收衛(wèi)星通信的信號(hào)時(shí)，海面反射和散射引起信號(hào)衰落。相對(duì)陸地而言，海面反射波引起接收信號(hào)衰減較強(qiáng)，海面散射波引起接收信號(hào)衰減較弱，所以在海上衛(wèi)星通信主要考慮由反射波與直達(dá)波相干疊加產(chǎn)生的干涉衰落[2-4]。

在衛(wèi)星海上移動(dòng)通信中，使用圓極化波。在海面地空傳播引起的T%時(shí)間不被超過(guò)的衰落深度（ ）F T計(jì)算公式如下：

根據(jù)上面計(jì)算的數(shù)據(jù)可求出在海水鹽度為2.8%，溫度為15℃，無(wú)線電信號(hào)頻率為2GHz時(shí)，在海面上地空傳播引起的99.5%時(shí)間不被超過(guò)的衰落深度F（T），如表4所示。

表4中數(shù)值在-4dB～-1dB之間，而無(wú)線電信號(hào)頻率為2GHz時(shí)，電波的自由空間傳播損耗約為190dB。在地空微波通信鏈路分析中，自由空間傳播損耗是主要部分，其他因素的損耗占全部損耗的2%左右。

4 結(jié)論與討論

衛(wèi)星微波通信的頻段主要在1GHz～10GHz，此時(shí)信號(hào)受到大氣吸收、雨雪損耗、電離層閃爍損耗等因素的影響相對(duì)較小。在海上衛(wèi)星移動(dòng)通信中，除了上述損耗，還要考慮海面反射和散射引起的損耗。當(dāng)海面較為平靜時(shí)，反射損耗較強(qiáng)，散射損耗較弱，此時(shí)主要考慮反射波引起的干涉衰落。仿真研究結(jié)果顯示：海上衛(wèi)星移動(dòng)通信鏈路中的傳播損耗主要是自由空間傳播損耗，其他因素造成的損耗占全部損耗的2%左右。因而設(shè)計(jì)海上衛(wèi)星移動(dòng)通信鏈路時(shí)，在自由空間傳播損耗的基礎(chǔ)上留出一定余量即可。

參考文獻(xiàn)

[1]甘仲民，張更新.衛(wèi)星通信技術(shù)的新發(fā)展[J].通信學(xué)報(bào)，2006，27（8）：2-9.

[2]謝益溪.無(wú)線電波的傳播原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]夏克文.衛(wèi)星通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[4]吳志忠.移動(dòng)通信無(wú)線電波傳播[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[5]譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學(xué)報(bào)，2008，29（3）：391-396.

[6]劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展[J].遙測(cè)遙控，2013，34（5）：1-8.

[7]張德海，張俊榮，王麗巍.海洋微波遙感中的介電系數(shù)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，1994，9（3）：44-52.

[8]張勇，等.幾種海水微波復(fù)介電常數(shù)模型的比較和分析[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2014，29（2）：212-218.

[9]張?jiān)频?基于GPS反射信號(hào)的岸基海冰探測(cè)研究[J].極地研究，2014，26（2）：262-267.

[10]張麗娜.衛(wèi)星通信技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2016.

[11]左智成，李興華，等.電波與天線[M].江蘇：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[12]肖景明.電波傳播工程計(jì)算[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1989.