地球大氣對衛星信號的影響及應對方法

王曉霞　艾名舜

摘 要： 針對衛星信號下行路徑上存在的折射和延遲等問題，分析了大氣層的結構特點及其對衛星信道造成的不利影響，其中電離層對C波段信號的折射、對流層對Ka波段信號的延遲和電離層閃爍是分析的重點。提出了應對大氣層不利影響的方法，指出必須設計可變參數模型并結合實時空間天氣和氣象預報的數據才能實現對衛星信道的有效校正和補償。

關鍵詞： 衛星信號； 電離層； 對流層； 大氣層結構特點分析

中圖分類號： TN927+.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0082?03

Effect of atmosphere on satellite signals and countermeasures

WANG Xiao?xia， AI Ming?shun

（Sergeant College of the Second Artillery Engineering University， Qingzhou 262500， China）

Abstract： For the refraction and delay phenomena existing in the down?going way of satellite signal， the structure features of the atmosphere and the adverse effect of atmosphere on the satellite signal channel are analyzed. The C band signal refraction in ionosphere， the delay of Ka band signal in troposphere and the ionosphere scintillation are analyzed emphatically in this paper. The countermeasures for the adverse effects are proposed. It is pointed out that only by designing of the parameter variable model， and combination with the real?time space weather and forecasting data of meteorology can the effective correction and compensation of the satellite signal channel be realized.

Keyword： satellite signal； ionosphere； troposphere； atmospheric structure feature analysis

0 引 言

人造地球衛星在通信、環境監測、導航和定位等方面發揮著重要的作用。與傳統的監測手段相比，衛星的優勢在于作用范圍廣，可以在較大尺度上監視和測量環境變化情況。衛星獲取的數據信息最終要發回地面控制中心，但由于兩者相距遙遠，并且兩者之間存在大氣層，實際中衛星信號的傳輸問題十分突出[1]。對于很多環境監測衛星，尤其是氣象衛星而言，大氣層本身是被檢測的對象，但同時也成為限制衛星發揮作用的桎梏。

大氣層主要包括較低的中性層（距離地面高度在60 km以下）和較高的電離層，中性層又可進一步分為對流層和平流層。目前多數衛星信號集中在C波段和Ka波段，電離層對C波段的電磁波具有顯著的折射作用，而對流層的云、雨、霧及其他懸浮顆粒對Ka波段的電磁波具有較強的散射和吸收作用。重點分析了大氣層對C波段和Ka波段衛星信號傳輸的不利影響，并提出應對的策略。

1 大氣層對衛星信號傳輸的影響

1.1 電離層對C波段衛星信號的折射延遲

電離層一般是指高度位于60～1 000 km之間的大氣層。電離層的氣體分子由于受到太陽的強烈輻射電離，形成大量的自由電子和正離子。當衛星信號通過電離層時，如同其他電磁波一樣，信號的路徑會發生彎曲，傳播速度會發生變化。對于C頻段信號，傳播速度減緩而產生的延遲是影響衛星導航和定位精度的主要誤差。以GPS衛星信號為例，這種距離延遲在天頂方向最大可達50 m；在衛星仰角較低時，可以達到150 m。因此，電離層延遲是衛星系統中最重要的誤差源[2]。

衛星信號測量中，電離層延遲誤差和信號傳播路徑上的電離層總電子含量TEC（Total Electron Content）成正比。TEC是指底面積為1 m2的整個電離層柱體中的自由電子數，單位為個/m2。因此，電離層延遲可以用TEC來表征。例如GPS的L1頻率為1.575 GHz，1個單位的TEC對應于0.16 m的延遲，即1 TECU=0.16 m。研究表明，TEC隨下列因素而變化：

隨地方時的不同而變化，一般而言，白天（8～18 h）的電子含量高，夜晚的電子含量低；

隨季節的不同而變化，夏季電離層電子含量大于冬季；

隨年份的不同而變化，太陽活動高年，太陽輻射量變化劇烈，電離層電子含量往往較大；

隨測站位置的不同而變化，低緯度地區的探測站上空電離層電子含量較大。

另外，電離層異常會引起TEC劇烈變化，從而造成接收到的衛星信號振幅衰減和相位抖動，強烈時會導致衛星信號接收機的信號失鎖。

1.2 對流層對Ka波段衛星信號的折射延遲

對流層離地面較近，其高度在海拔20 km以下，大氣密度遠大于電離層的密度。對流層大氣的狀態隨地面氣候的變化而變化，因此其折射效應比電離層折射更為復雜。由于對流層不屬于彌散性介質，即電磁波在其中的傳播速度與頻率無關，所以，對流層延遲無法通過衛星發射的雙頻信號加以消除。

對流層延遲取決于信號傳播路徑上的氣壓、溫度和相對濕度的變化。因此，對流層延遲隨時間、地點、季節等因素而變化。當信號路徑上出現雨、霧等現象，信號的延遲會變得十分顯著。對流層延遲還與衛星信號穿越對流層的路徑長度有關，即對流層延遲與接收機至衛星的觀測仰角有關。一般來說，對流層延遲在天頂方向（仰角為90°）約為2 m；隨著仰角的減小，對流層延遲逐漸增大，在低仰角（20°以下）時可以達到20多米。同時考慮到對流層延遲變化的復雜性，消除這種延遲是衛星信號處理和信道校正中最大的難題。

1.3 電離層閃爍效應的影響

電離層絕非是一個均勻、穩定的氣態層，同一地區上空的電離層電子密度往往呈現不規則、非線性的整體漲落。電離層中的不規則體猶如水中翻騰的氣泡，將導致衛星信號幅度、相位的快速波動。這種現象稱為電離層閃爍，強電離層閃爍能導致衛星信號中斷。電離層閃爍主要影響30 MHz～10 GHz頻率范圍的載波。電離層閃爍對信號的影響是有頻率選擇性的，在一定范圍內，信號頻率愈低，電離層閃爍影響越顯著。

電離層閃爍主要發生在前半夜，每次閃爍持續時間最多可達幾小時，較強的閃爍主要發生在午夜前。在太陽活動高年的磁赤道異常區，電離層閃爍幾乎每天都發生。地球上有兩個強閃爍高發區：一個集中在磁赤道附近，以磁赤道異常區閃爍最強[3]；另一個閃爍高發區在高緯度地區。閃爍高發期一般出現在春分和秋分前后；太陽活動高年，閃爍活動出現的頻率和強度隨之增大。

電離層閃爍會影響系統的可用性、有效性和完備性。以GPS衛星為例，電離層閃爍帶來的影響體現為對載波相位測量精度的降低和對信號的失鎖。中國南方地區處于磁赤道異常區，是世界上電離層閃爍影響的主要區域之一。已開展的GPS觀測表明，在太陽活動高年，中國南方地區（廣州）電離層閃爍幾乎每天都能觀測到。在發生強電離層閃爍時，中國南方區域的可觀測GPS衛星數甚至減少到4顆以下，嚴重影響了定位。

2 衛星信道修正的方法

衛星接收機中一般采用電波傳播修正模型的方法修正電離層、對流層引起的折射誤差。由于電離層是色散性介質，即信號在電離層中傳播的速度與信號頻率有關。因此，衛星系統可以采用雙頻體制，目的在于利用兩個頻率上的測量差，消除電離層影響這一重要的誤差源。而對流層是非色散性介質，因此，不能利用雙頻測量的方法消除其影響。此外，對于定位衛星而言，差分定位（Differential Positioning）技術也是一種廣泛采用的用以消除衛星定位中測量誤差的重要技術，并應用于區域或廣域差分系統中。

2.1 衛星接收機電離層電波傳播修正方法

電離層對衛星信號傳輸的影響包括折射和延遲。對于折射問題，可采用雙頻傳輸來解決。由于電離層的色散效應，偽距測量中的電離層折射誤差可以表示為：

[dPion=40.28f2TEC] （1）

式中：TEC表示電離層總電子含量?？梢钥闯觯婋x層折射誤差與信號頻率[f]有關，因此，通過測量衛星導航系統發射的兩個不同頻率上的信號，可以獲得電離層折射誤差。在GPS系統中，利用雙頻測量獲得的電離層折射誤差為：

[dion=1.545 73×（ρ1-ρ2）] （2）

式中：[ρ1，ρ2]為GPS兩個頻率上的偽距測量。

對于單頻用戶而言，采用電離層修正模型修正電離層折射誤差也是常用的方法。電離層修正模型一般在利用長期電離層測量數據建立的電離層模型基礎上，經過改進用于衛星系統。衛星控制中心對地面監測數據進行處理，獲得電離層模型的參數估計，通過衛星導航電文向用戶播發。用戶接收到導航電文，獲取電離層模型參數后估計電離層誤差，并用于接收機定位中的電離層折射修正。

例如，NeQuick模型是Galileo系統中采用的電離層修正模型。用戶利用Galileo衛星播發的NeQuick模型參數，結合用戶自身的位置信息、衛星信息和太陽活動參量來估計和修正用戶衛星信道上的電離層折射延遲。中國電波傳播研究所利用衛星信號在海口、廣州、昆明、重慶、上海等地設觀測站，組成了電離層閃爍監測網，得出了我國的電離層閃爍預報模型。

相對于折射誤差，電離層延遲對衛星信道造成的影響更為顯著，這個問題的解決思路仍然是建立以電離層特性為依據的信道延遲補償模型（被稱為Augmentation System），其目的就是向用戶提供電離層延遲修正信息。模型中將電離層假設成位于350 km高的一層薄球殼，如圖1所示。兩條虛線之間的部分代表電離層球殼，衛星信號經過電離層到達地面上的接收機，在電離層球殼上根據一定規則建立矩形或其他形式的網格；系統主控站利用參考站的觀測數據估計得到每個網格點處的電離層延遲（TEC），并發布給用戶；用戶可以利用接收到的網格點電離層延遲進行內插，獲得用戶處的電離層修正信息。

這實際上是一種較為理想化的模型。由于電離層具有明顯的區域特性和不穩定性，因此，電離層網格模型在應用時存在以下問題待深入研究。

首先，對于中緯度地區而言，電離層變化較為平緩，電離層網格模型可以很好地描述電離層的變化。隨著地磁緯度的下降，電離層子午面內出現明顯的傾斜，尤其在中國南部地區存在明顯的電離層異常現象。電離層傾斜以及電離層異常峰值的存在將影響電離層網格模型的修正精度，并進一步影響衛星導航系統的完好性。

其次，電離層暴也是不可忽視的。伴隨電離層暴的發生，將出現電離層TEC增強（或減弱）和更陡峭的電離層TEC梯度變化。電離層的變化很大程度上受太陽活動的影響，在太陽活動高年，太陽黑子、耀斑頻發，電離層模型十分復雜，必須有空間天氣預報作為保障，實時對模型參數進行調整。

從圖2（a）可以看出[4]，2001年（太陽活動高年）3月20日發生的電離層暴在中國南方地區引起的電離層TEC變化達到了近30個TECU單位，該天夜間發生了電離層暴；而在2005年（太陽活動低年）的12月31日同樣的時刻，如圖2（b）所示，電離層變化很平緩，電離層TEC變化僅為幾個TECU單位。這說明電離層暴會引起電離層TEC的增強和劇烈變化。

2.2 衛星接收機對流層電波傳播修正方法

對流層空氣密度較大，充滿云霧等水含量較高的氣團，對頻率為10 GHz以上的信號傳輸影響特別大，其影響主要表現在大氣對信號的延遲和折射。對流層誤差主要采用模型進行修正，其中延遲誤差可以表示為：

[dtro=10-16×usersatN?ds] （3）

式中：[N]為大氣折射率，與溫度、濕度和壓力有關。對流層模型中，首先通過建立大氣模型，獲得溫、濕和氣壓隨高度的變化規律，進而獲得大氣折射率[N]的變化規律，通過上述公式可以獲得對流層延遲誤差估計。

衛星導航系統中，一般將上述過程簡化，獲得對流層延遲的經驗估計公式。衛星導航系統中經常采用的對流層模型包括Hopfield模型、Saastamoinen模型等。在文獻[5]中，Gao認為WAAS（Wide Area Augmentation System）對流層延遲模型適用于中國地區，如圖3所示。該模型的出發點是差分校正思想，所謂差分技術是建立在衛星誤差的空間和時間相關性基礎上的。差分技術中，利用接收機在精確位置進行測量，提取定位中的誤差信息，并向附近用戶播發；用戶利用差分修正信息提高定位精度。差分技術的進一步發展實現了廣域差分系統。

廣域差分系統中，通過一定數量的地面參考站組成監測網絡和同步通信衛星（GEO）對衛星導航系統進行增強。廣域差分定位系統主站至用戶的鏈路采用衛星廣播的形式，覆蓋面廣并可向沙漠、海上的用戶提供服務，因而具有重要的軍事和經濟價值。

3 結 論

衛星觀測、導航和定位技術在現代環境和氣象監測預警以及軍事偵察方面發揮著越來越重要的作用，保障衛星信道的暢通是衛星應用中的關節環節之一。由于大氣層結構復雜且多變，使之成為了衛星信道上無法繞開的攔路石。對大氣層的深入研究發現，衛星信號在大氣層中發生的衰減、折射和延遲可以用數學函數近似描述，因此可以建立大氣層數學模型對衛星信道進行補償?？紤]到大氣層，尤其是電離層和對流層的時變性，信道補償模型必須是可變參數的，而且要與空間氣象和天氣預報數據相結合才能充分發揮作用。

參考文獻

[1] 何昉，趙正予.電離層對高頻電波吸收衰減的影響研究[J].電波科學學報，2009（4）：140?143.

[2] 王衛國，李素琴.一種基于特征向量法的高分辨率GPS多路徑信號延遲估計方法[J].信號處理，2009（6）：141?145.

[3]方涵先，楊升高.太陽活動對赤道電離層閃爍影響的初步研究[J].電波科學學報，2012（2）：171?176.

[4] 《電波與信息化》編委會.電波與信息化[M].北京：航空工業出版社，2009.

[5] 高偉星，程鵬飛.WAAS對流層延遲模型及其在網絡RTK中的應用[J].測繪科學，2011（3）：82?84.

[6] 劉斌，梁美美，李欣.基于NIOSH的GPS信息接收系統設計與實現[J].現代電子技術，36（6）：105?108.

2.2 衛星接收機對流層電波傳播修正方法

對流層空氣密度較大，充滿云霧等水含量較高的氣團，對頻率為10 GHz以上的信號傳輸影響特別大，其影響主要表現在大氣對信號的延遲和折射。對流層誤差主要采用模型進行修正，其中延遲誤差可以表示為：

[dtro=10-16×usersatN?ds] （3）

式中：[N]為大氣折射率，與溫度、濕度和壓力有關。對流層模型中，首先通過建立大氣模型，獲得溫、濕和氣壓隨高度的變化規律，進而獲得大氣折射率[N]的變化規律，通過上述公式可以獲得對流層延遲誤差估計。

衛星導航系統中，一般將上述過程簡化，獲得對流層延遲的經驗估計公式。衛星導航系統中經常采用的對流層模型包括Hopfield模型、Saastamoinen模型等。在文獻[5]中，Gao認為WAAS（Wide Area Augmentation System）對流層延遲模型適用于中國地區，如圖3所示。該模型的出發點是差分校正思想，所謂差分技術是建立在衛星誤差的空間和時間相關性基礎上的。差分技術中，利用接收機在精確位置進行測量，提取定位中的誤差信息，并向附近用戶播發；用戶利用差分修正信息提高定位精度。差分技術的進一步發展實現了廣域差分系統。

廣域差分系統中，通過一定數量的地面參考站組成監測網絡和同步通信衛星（GEO）對衛星導航系統進行增強。廣域差分定位系統主站至用戶的鏈路采用衛星廣播的形式，覆蓋面廣并可向沙漠、海上的用戶提供服務，因而具有重要的軍事和經濟價值。

3 結 論

衛星觀測、導航和定位技術在現代環境和氣象監測預警以及軍事偵察方面發揮著越來越重要的作用，保障衛星信道的暢通是衛星應用中的關節環節之一。由于大氣層結構復雜且多變，使之成為了衛星信道上無法繞開的攔路石。對大氣層的深入研究發現，衛星信號在大氣層中發生的衰減、折射和延遲可以用數學函數近似描述，因此可以建立大氣層數學模型對衛星信道進行補償?？紤]到大氣層，尤其是電離層和對流層的時變性，信道補償模型必須是可變參數的，而且要與空間氣象和天氣預報數據相結合才能充分發揮作用。

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2.2 衛星接收機對流層電波傳播修正方法

對流層空氣密度較大，充滿云霧等水含量較高的氣團，對頻率為10 GHz以上的信號傳輸影響特別大，其影響主要表現在大氣對信號的延遲和折射。對流層誤差主要采用模型進行修正，其中延遲誤差可以表示為：

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衛星導航系統中，一般將上述過程簡化，獲得對流層延遲的經驗估計公式。衛星導航系統中經常采用的對流層模型包括Hopfield模型、Saastamoinen模型等。在文獻[5]中，Gao認為WAAS（Wide Area Augmentation System）對流層延遲模型適用于中國地區，如圖3所示。該模型的出發點是差分校正思想，所謂差分技術是建立在衛星誤差的空間和時間相關性基礎上的。差分技術中，利用接收機在精確位置進行測量，提取定位中的誤差信息，并向附近用戶播發；用戶利用差分修正信息提高定位精度。差分技術的進一步發展實現了廣域差分系統。

廣域差分系統中，通過一定數量的地面參考站組成監測網絡和同步通信衛星（GEO）對衛星導航系統進行增強。廣域差分定位系統主站至用戶的鏈路采用衛星廣播的形式，覆蓋面廣并可向沙漠、海上的用戶提供服務，因而具有重要的軍事和經濟價值。

3 結 論

衛星觀測、導航和定位技術在現代環境和氣象監測預警以及軍事偵察方面發揮著越來越重要的作用，保障衛星信道的暢通是衛星應用中的關節環節之一。由于大氣層結構復雜且多變，使之成為了衛星信道上無法繞開的攔路石。對大氣層的深入研究發現，衛星信號在大氣層中發生的衰減、折射和延遲可以用數學函數近似描述，因此可以建立大氣層數學模型對衛星信道進行補償。考慮到大氣層，尤其是電離層和對流層的時變性，信道補償模型必須是可變參數的，而且要與空間氣象和天氣預報數據相結合才能充分發揮作用。

參考文獻

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