《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第5章

第5章大氣效應(yīng)及其對衛(wèi)星鏈路的影響5.1概述5.2雨和冰的影響5.3其他各種大氣效應(yīng)的影響5.4降低大氣效應(yīng)影響的對策5.5

本章小結(jié)

5.1概述

對流層是大氣的最底層,從地球表面到約15km高度的區(qū)域,通常云、霧、雨、雪等氣候現(xiàn)象都發(fā)生在該層,這些云、霧、雨、雪等水汽凝結(jié)物對頻率在10GHz以上的電磁波有較強(qiáng)的散射和吸收作用,會(huì)造成傳輸信號的衰減。自對流層頂端向上到約60km的高度,為平流層。平流層內(nèi)的臭氧對電磁波有吸收作用。

電離層是從60km開始一直伸展到約1000km高度的高層大氣區(qū)域,整個(gè)區(qū)域都處于部分電離或完全電離的狀態(tài),其中存在相當(dāng)多的自由電子和離子,能使電磁波改變傳播速度,發(fā)生折射、反射和散射,產(chǎn)生極化面的旋轉(zhuǎn)并受到不同程度的吸收,特別是對于頻率在10GHz以下的C波段影響較大?？偨Y(jié)起來,以上的各種影響統(tǒng)稱為大氣效應(yīng),由大氣效應(yīng)對衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路造成的傳輸損耗和影響具體如表5-1所示。

5.2雨和冰的影響

5.2.1量化衰減衰減A是某一時(shí)刻t時(shí)接收端接收到的信號功率Pr(t)與在理想條件下接收到的信號功率Pr的分貝差,用公式表示如下:

層狀云降雨產(chǎn)生于含冰的云層,通常出現(xiàn)在低壓區(qū)中暖峰的前面。它覆蓋很大的地理區(qū)域,引起的降雨強(qiáng)度小于10mm/h,持續(xù)時(shí)間會(huì)超過1h。在層狀云降雨的情況下,可以

認(rèn)為覆蓋層內(nèi)信號在傳播路徑上的降雨強(qiáng)度是相同的。圖5-1給出了層狀云降雨的信號傳播示意圖,通過此圖可以分析雨的量化衰減的計(jì)算方法。

圖5-1中,融化層是大氣層中的一個(gè)區(qū)域,這里是0℃的分界點(diǎn),高于融化層的雪在此處融化成雨水后降落到地面。假設(shè)層狀云的高度為h,信號的傳播路徑與地面夾角為θ,可以得出在此降雨層的有效傳播路徑長度為h/sinθ,將單位衰減與物理傳播路徑長度相乘便可以計(jì)算出在層狀云降雨時(shí)的信號功率衰減量。

圖5-1層狀云降雨的信號傳播示意圖

對流云降雨是由非常強(qiáng)的垂直大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,并同時(shí)會(huì)引起風(fēng)暴和很高的降雨強(qiáng)度,通常出現(xiàn)在夏季。對流云降雨是造成鏈路中斷的主要原因,因此,研究對流云降雨對衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言是非常重要的。對流云降雨一般限于一個(gè)窄而高的雨柱,此雨柱若在地面站與衛(wèi)星通信鏈路之間,則除了仰角大于70°的路徑以外,其余情況下信號的傳播路徑都會(huì)從對流暴風(fēng)雨的邊上穿出。對流云降雨時(shí)的信號傳播示意圖如圖5-2所示。

圖5-2對流云降雨的信號傳播示意圖

5.2.2ITU－R雨衰模型

目前,大部分降雨衰減預(yù)測模型都采取ITU－R雨衰模型,此模型輸入?yún)?shù)少,使用比較方便,并且適用于許多不同區(qū)域和降雨類型。根據(jù)ITU－R模型計(jì)算雨衰的具體方法如下:通過經(jīng)驗(yàn)近似計(jì)算出雨中有效路徑長度Le,假設(shè)降雨率在此有效路徑上都是恒定不變的,由恒定的降雨率相應(yīng)得到一個(gè)恒定的單位衰減γR,因此由降雨引起的衰減A可以簡單表示為

這種半經(jīng)驗(yàn)近似的方法基于兩個(gè)前提:

一是要求至少一年的時(shí)間里,在地球表面某一點(diǎn)處測得的降雨率與從該點(diǎn)到衛(wèi)星路徑上遇到的降雨衰減在統(tǒng)計(jì)上相關(guān);

二是可以調(diào)節(jié)穿過降雨媒質(zhì)的實(shí)際路徑長度而得到一有效路徑長度,在此有效路徑長度上可以認(rèn)為降雨率相同。

當(dāng)單位衰減γR確定后,若再計(jì)算出雨中有效路徑長度Le,便可得出雨衰值。由于信號在實(shí)際的傳播路徑上,雨水的密度是不均勻的,因此必須采用有效路徑長度實(shí)際的幾何路徑長度,相應(yīng)的幾何圖解如圖5-3所示。

圖5-3衛(wèi)星通信路徑穿過降雨層的幾何圖

圖5-3中,LS表示電磁波穿過降雨層的幾何路徑長度,LG

為LS在水平方向上的投影,θ為天線仰角,hS表示地面站的海拔高度,降雨層高度為hR。根據(jù)圖中的幾何關(guān)系,LS可表示為

當(dāng)天線仰角小于5°時(shí),需要考慮地表弧度的因素,因此LS的求解會(huì)比較復(fù)雜。而在天線仰角大于或等于5°的情況下,可以近似認(rèn)為地面是平的。

根據(jù)幾何路徑長度LS,可以求得有效路徑長度Le,計(jì)算式為

式中,rp為路程縮短因子。實(shí)際的降雨環(huán)境中,很難實(shí)時(shí)獲得降雨率Rp與降雨區(qū)域路徑分布的精確值,為解決此問題,引入了路程縮短因子rp,它的計(jì)算公式如下:

其中,LO=35exp(-0.015Rp),水平投影LG=LScosθ。

5.2.3雨去極化

雨不僅會(huì)使電磁波產(chǎn)生衰減,還會(huì)產(chǎn)生去極化。雨滴的理想形狀是球形的,在下落過程中受到空氣阻力的作用而變成略微扁平的形狀,雨去極化就是由這種非球形雨滴引起的

差分衰減和相移所造成的。這種極化現(xiàn)象對單極化傳輸系統(tǒng)影響并不大,但對于正交極化復(fù)用的雙極化傳輸系統(tǒng),會(huì)造成極化隔離度降低,導(dǎo)致正交極化的信號互相干擾加大。

去極化的量化相對比較難,下面以圖5-4為例對去極化的過程進(jìn)行說明。圖5-4是傳播路徑中信號去極化的圖解。在雙極化的發(fā)射電場E的作用下,矢量EV和EH分別表示相互正交的垂直極化波與水平極化波的振幅。在晴天的理想傳輸條件下,矢量EV會(huì)在接收天線處引起一個(gè)振幅為EV1的垂直極化波,矢量EH也會(huì)引起一個(gè)振幅為EH1的水平極化波。若傳輸媒質(zhì)中存在雨或冰晶微粒,則EV中會(huì)有一些能量耦合到水平極化場,在接收天線端的振幅為EV2,EH引起的垂直極化分量的振幅為EH2。

圖5-4傳播路徑中信號去極化的圖解

假設(shè)接收系統(tǒng)是理想的,那么在垂直極化方向上接收到的信號為EV1+EH2,在水平極化方向上接收到的信號為EH1+EV2。其中的交叉極化分量EV2和EH2的產(chǎn)生稱為去極化,而去極化造成的干擾會(huì)使模擬鏈路上串話,數(shù)字鏈路上的BER增大。在通信系統(tǒng)中,最有用的去極化的度量是交叉極化隔離(XPI,CrossPolarizationIsolation),它是同一極化方向上同向極化接收功率與交叉極化功率的比值,通常以分貝為單位來表示,即

XPI值越大,信道中的干擾就會(huì)越小,并且信道的性能也會(huì)越好,但是XPI值很難測得。近年來通過很多實(shí)驗(yàn)研究,利用簡單的方法就可以測量出EV1、EV2、EH1和EH2的值,通過這些數(shù)據(jù)還可以導(dǎo)出交叉極化分辨力XPD的值,其計(jì)算公式為

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,衛(wèi)星通信鏈路上觀測到的去極化測量值與同一鏈路上同時(shí)觀測到的雨衰測量值相比較時(shí),所測量的XPD統(tǒng)計(jì)量與雨水衰減A之間的關(guān)系可以近似地用下

面的關(guān)系式表示:

其中,U和V是經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取決于頻率、極化傾角、仰角、傾斜角以及其他鏈路參數(shù)。

由于式(5-13)的計(jì)算比較簡單,而且可以用已有的雨水衰減值確定XPD,因此它比較適用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖5-5給出了XPD與雨衰的關(guān)系曲線。圖中兩條曲線分別對應(yīng)的頻率為12GHz與27GHz,其他參數(shù)均相同。極化傾角τ=15°,仰角θ=30°,雨滴傾斜角σ=10°,對應(yīng)的p值為0.01%。

圖5-5-XPD與雨衰的關(guān)系曲線

5.2.4ITU－R去極化模型

ITU－R去極化模型需要以下輸入?yún)?shù):工作頻率f,天線仰角θ,水平極化傾角τ以及所討論路徑上要求的時(shí)間百分比p超出的雨衰Ap。下面分步進(jìn)行XPD預(yù)測,但此方法僅適用于8GHz≤f≤35GHz且θ≤60°的情況。

5.2.5-降雨噪聲

由降雨引起的噪聲溫度Tr可以根據(jù)雨衰A直接確定:

式中:A為傳播路徑上的總雨衰;Tm為路徑上的平均溫度,根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出,Tm的取值在270~280K之間時(shí)噪聲溫度與衰減測量之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性最好。值得注意的是,噪聲溫度只與雨衰值相關(guān),而與電磁波頻率無關(guān)。

5.3其他各種大氣效應(yīng)的影響

5.3.1大氣吸收電磁波在大氣層傳播時(shí),會(huì)與大氣中的分子相互作用,致使到達(dá)接收點(diǎn)的電磁波信號產(chǎn)生額外的損耗,這種現(xiàn)象稱為大氣吸收。不同的大氣氣體分子具有不同的吸收和輻射譜線,因此大氣吸收造成的損耗會(huì)隨著頻率的變化而變化。在某些特定頻率上,電磁波與氣體分子還會(huì)發(fā)生共振吸收,從而導(dǎo)致?lián)p耗更為嚴(yán)重。

常用的衛(wèi)星通信頻帶內(nèi),直到約100GHz,僅有氧氣分子和水蒸氣分子具有明顯的諧振頻率,因此我們主要討論氧氣和水蒸氣對100GHz頻率內(nèi)的電磁波造成的損耗。圖5-6所示為通信仰角為90°時(shí)大氣吸收損耗與電磁波頻率的關(guān)系曲線。

圖5-6大氣吸收損耗與電磁波頻率的關(guān)系曲線

5.3.2云和霧引起的衰減

雨是影響電磁波傳播的最重要的水汽凝結(jié)體,云和霧對衛(wèi)星通信鏈路的影響也不容忽視。云和霧通常都是由直徑小于0.1mm的小雨滴組成的,因此它們引起的衰減相對較小,其衰減值γc可以由下式確定:

5.3.3對流層和電離層閃爍

衛(wèi)星通信鏈路中,大氣湍流會(huì)引起大氣折射率的起伏,當(dāng)電磁波信號在此鏈路中傳播時(shí),會(huì)引起接收信號電平的振幅和相位起伏,這種波動(dòng)通常稱為閃爍。大多數(shù)的波動(dòng)都產(chǎn)生于距地球表面4km以內(nèi),因此將它們稱為對流層閃爍。

5.3.4法拉第旋轉(zhuǎn)

電離層是地球大氣層中含有大量電子和離子的部分,當(dāng)線極化的電磁波通過電離層時(shí),加速了電離層中自由電子的運(yùn)動(dòng)。這些電子在地球磁場中運(yùn)動(dòng),因此會(huì)受力,使得電子運(yùn)動(dòng)的方向不再與電磁波的電場方向一致,從而產(chǎn)生極化面相對于入射波的旋轉(zhuǎn),即法拉第旋轉(zhuǎn)。對于圓極化的入射波,法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)不會(huì)改變其極化方向。

旋轉(zhuǎn)效應(yīng)與電離層厚度和電子密度有關(guān),并隨著時(shí)間、季節(jié)和太陽周期而變化。旋轉(zhuǎn)角度與極化方向相反,并與頻率的平方成反比。根據(jù)長期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),有人提出了計(jì)算最

大極化旋轉(zhuǎn)角的經(jīng)驗(yàn)公式:

5.4降低大氣效應(yīng)影響的對策

5.4.1功率控制功率控制是指通過調(diào)整發(fā)射機(jī)功率來補(bǔ)償信號在傳播路徑中出現(xiàn)的衰減,使接收機(jī)接收到的信號接近于預(yù)期值。上行鏈路是整個(gè)衛(wèi)星鏈路系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,降雨衰減最先影響到上行鏈路。如果上行鏈路在降雨時(shí)有一個(gè)增大了的EIRP,則總的鏈路性能就會(huì)提高,這種方法稱為上行鏈路功率控制。

目前,已成功研制出可以同時(shí)控制上行鏈路衰減和下行鏈路衰減的自動(dòng)功率控制系統(tǒng)。這種動(dòng)態(tài)功率控制是以衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)為基準(zhǔn)的,該網(wǎng)管系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地測出各個(gè)地球站的接收電平值,將該值與基準(zhǔn)電平(即晴天時(shí)的接收值)進(jìn)行比較,比較結(jié)果通過網(wǎng)管信息傳輸通道傳送給相應(yīng)的地球站,控制該地球站的發(fā)信設(shè)備的輸出功率。因此,采用自動(dòng)功率控制能使衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性大大提高,很大程度地節(jié)約系統(tǒng)資源。

5.4.2分集技術(shù)

分集的基本原理是通過時(shí)間、頻率或者空間等多個(gè)信道來接收多個(gè)復(fù)制信號。由于每個(gè)信道的傳輸特性不同,多個(gè)復(fù)制信號的衰落就會(huì)不同,因此,接收機(jī)就可以通過解碼還原出發(fā)射信號。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,分集技術(shù)主要有3種:頻率分集、時(shí)間分集和位置分集。

頻率分集是使用不同的載波頻率發(fā)射信號,在接收端對信號進(jìn)行合成或選擇,從而減輕衰落影響。

時(shí)間分集是一種實(shí)用的恢復(fù)技術(shù),當(dāng)有些信號無需實(shí)時(shí)操作時(shí),可以利用這種技術(shù)。

位置分集也稱空間分集。這種技術(shù)是在通信鏈路中利用兩個(gè)地理位置不同的地面站接收信號,以此來克服降雨期間下行鏈路的衰減效應(yīng)。

位置分集的改善質(zhì)量通常用分集改善因子和分集增益兩個(gè)指標(biāo)來衡量。改善效果會(huì)隨地面站間距離的增大而增大,但超過一定距離后,其改善程度就會(huì)非常小。

5.4.3自適應(yīng)

自適應(yīng)包括改變信號衰減期間的鏈路參數(shù),以這樣的方式可維持所需要的載噪比,面介紹幾種常用方式。

采用自適應(yīng)速率降低技術(shù)克服衰落的影響。這種方式通過減少衰減信道的數(shù)據(jù)速率來增加信道容量,降低速率所帶來的增益與速率減小成正比,例如速率減小為原來的1/4時(shí)增益為5dB。雖然使用糾錯(cuò)編碼和降速率技術(shù)可以補(bǔ)償不同程度的雨衰,但隨著深度的增加,有效可用容量會(huì)減少。

5.5-本章小結(jié)

進(jìn)行衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)要求設(shè)計(jì)者制定精確的鏈路預(yù)算,其中包括鏈路余量。鏈路余量關(guān)系著系統(tǒng)的性能和可用率,因此,任何一條給定鏈路上造成性能和可用率下降到可接受水平之下的所有可能損耗都需要進(jìn)行精確的估算。這就要求詳細(xì)地了解衛(wèi)星和地面站之間路徑上的各種大氣效應(yīng)及其影響。

大氣效應(yīng)的影響在接收端