宋 達(dá)，張海勇，賀 寅，夏吉業(yè)

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

0 引言

對(duì)流層散射通信是利用對(duì)流層中的不均勻體[1]對(duì)超短波、微波進(jìn)行前向散射來(lái)實(shí)現(xiàn)超視距無(wú)線通信的方式[2]，傳播媒質(zhì)永恒存在[3]，在國(guó)內(nèi)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(duì)流層散射有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),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(yōu)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(yōu)勢(shì)比較明顯；與衛(wèi)星通信相比，通信距離、容量和質(zhì)量都不如衛(wèi)星通信，但是對(duì)流層散射通信不易受到敵方監(jiān)視與干擾，不必占用衛(wèi)星頻率資源，能夠?qū)崿F(xiàn)自主通信[5]。

對(duì)流層散射有著較多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，其缺點(diǎn)也非常明顯。對(duì)流層散射通信是電磁波發(fā)射到對(duì)流層時(shí)，電磁波使對(duì)流層中的散射體變成電偶極子后再向四面八方進(jìn)行散射，從而使接收方接收到信號(hào)，因其特殊的傳輸機(jī)理導(dǎo)致對(duì)流層散射傳輸損耗較大，只有百萬(wàn)分之一的能量可以到達(dá)接收機(jī)[6,7]。因此準(zhǔn)確預(yù)算對(duì)流層散射傳輸損耗，對(duì)對(duì)流層散射傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用有著重要的影響。

在對(duì)流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測(cè)方面，我國(guó)張明高院士通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了對(duì)流層散射預(yù)測(cè)方法，該方法于1992 年被ITU-R.P.617-1[8]建議采納，之后進(jìn)行了氣候區(qū)地圖、概率損耗擬合等公式的改進(jìn)，升級(jí)到ITU-R.P.617-3，但未改變主體預(yù)測(cè)方法。另外，ITU-R.P.617-3 于2017 年升級(jí)到ITU-R.P.617-4，而2019 年升級(jí)為ITU-R.P.617-5，并更新了傳輸損耗預(yù)測(cè)方法?；贗TU-R.P.617-5 模型，通過(guò)對(duì)對(duì)流層散射鏈路傳輸損耗進(jìn)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(duì)流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)ITU 發(fā)布的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，證明該模型的準(zhǔn)確性。

1 ITU-R.P.617-5 損耗預(yù)測(cè)方法

ITU-R.P.617-5 建議書(shū)給出的對(duì)流層散射傳輸損耗預(yù)測(cè)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(jù)不同的氣候條件統(tǒng)計(jì)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(wú)線電折射指數(shù)遞減率dN可通過(guò)查詢ITU-R.P.617-5 建議書(shū)獲得。

散射角θ為：

其中θt和θr分別為發(fā)收機(jī)和接收機(jī)的水平角，θe為：

d為傳輸路徑長(zhǎng)度，a為有效地球半徑，k為地球有效半徑因子。

在標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)耦合損耗Lc為：

Yq為估算q時(shí)間百分比內(nèi)不超過(guò)的轉(zhuǎn)換因子：

2 對(duì)流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測(cè)模型

ITU-R.P.617-5 建議書(shū)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(zhì)耦合損耗，但當(dāng)使用拋物面天線進(jìn)行對(duì)流層散射通信時(shí)的方位角偏移損耗、大氣吸收損耗和天線架低損耗沒(méi)有進(jìn)行考慮。

2.1 大氣吸收損耗

當(dāng)無(wú)線電在空氣中傳播時(shí)，大氣中的空氣和水汽會(huì)對(duì)無(wú)線電進(jìn)行吸收，從而造成無(wú)線電信號(hào)的衰減，這種信號(hào)衰減稱為大氣吸收損耗。在晴空大氣環(huán)境下，大氣吸收損耗計(jì)算公式LA為：

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

當(dāng)使用拋物面天線進(jìn)行對(duì)流層散射通信時(shí)，經(jīng)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(guò)仿真得出：

如圖1 所示，傳輸距離一定時(shí)，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(shí)，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(dāng)進(jìn)行對(duì)流層散射通信時(shí)，要根據(jù)傳輸距離與傳輸頻率確定大氣吸收損耗是否忽略不計(jì)。

2.2 天線架低損耗

當(dāng)天線高度較低時(shí)，電磁波的波峰與波谷隔得很遠(yuǎn)，這時(shí)散射公共體下相當(dāng)多的部分接近波谷，導(dǎo)致部分散射場(chǎng)被地面反射取消或者消弱，從而造成相應(yīng)的損耗，即為天線架低損耗,天線架低損耗LR的計(jì)算公式為：

圖1 傳輸頻率對(duì)大氣吸收損耗的影響

LbR1為發(fā)射端天線架低損耗，LbR2為接收端天線架低損耗。

Θ10，Θ20為發(fā)、收雙方視平線與收發(fā)點(diǎn)連線間的夾角，H為最低散射點(diǎn)到天線高度，h為最低散射點(diǎn)離地高度，hte為天線架高，λ為波長(zhǎng)。

最低散射點(diǎn)到天線高度H為：

最低散射點(diǎn)離地高度h為：

當(dāng)傳輸距離為200km,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)水平角為0，傳輸頻率為1GHz，天線架高為3m-12m 時(shí)，通過(guò)計(jì)算得出天線架高與波長(zhǎng)的比值和天線架低損耗的關(guān)系。

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

圖2 天線架高與波長(zhǎng)比對(duì)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(jìn)行對(duì)流層散射通信時(shí)，因拋物面天線具有指向性，當(dāng)收發(fā)天線波束對(duì)準(zhǔn)時(shí)為最佳指向，當(dāng)收發(fā)天線波束偏離最佳指向，或信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)偏離天線主軸而產(chǎn)生的傳輸損耗為方向角偏移損耗，方位角偏移損耗Lah的計(jì)算公式為：

方位角偏移損耗是因發(fā)、收端天線波束在方位上彼此對(duì)得不準(zhǔn)，散射信號(hào)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(yīng)的：

方位角偏移損耗為：

Lah1為發(fā)射端方位角偏移損耗，Lah2為接收端方位角偏移損耗。

Ψh1為發(fā)射天線水平寬度，Ψh2為接收天線水平寬度，φ10為發(fā)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(fā)射天線水平波束寬度為2°,接收機(jī)方位角為0°，發(fā)射機(jī)的方位角取值為-2～2°，通過(guò)計(jì)算得出：

如圖3 所示，當(dāng)方位角為0 時(shí)，為最佳指向，此時(shí)方位角偏移損耗為0。方位角為-2°～0°和0°～2°時(shí)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(dāng)進(jìn)行對(duì)流層散射通信時(shí)，應(yīng)盡量使收發(fā)天線波束對(duì)準(zhǔn)，從而減小方位角偏移損耗。

圖3 方位角偏移損耗

2.4 對(duì)流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測(cè)模型

根據(jù)上述方法得到對(duì)流層散射鏈路傳輸損耗模型為：

以ITU 發(fā)布的數(shù)據(jù)為參考[9]，對(duì)流層散射鏈路傳輸損耗模型和ITU-R.P.617-5 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際傳輸損耗對(duì)比得出：

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)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(duì)流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)傳輸損耗的平均誤差為3dB,與ITU-R.P.617-5 計(jì)算模型相比，降低了傳輸損耗預(yù)計(jì)誤差，為散射通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種參考。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際鏈路測(cè)試表明，當(dāng)使用對(duì)流層散射通信時(shí)，需要考慮天線架低損耗、大氣吸收損耗和方位角偏移損耗?；贗TU-R.P.617-5 計(jì)算模型，對(duì)對(duì)流層散射鏈路進(jìn)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(duì)流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合，為使用對(duì)流層散射通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了比較準(zhǔn)確的依據(jù)，具有實(shí)用價(jià)值。