海上衛(wèi)星移動通信傳播損耗仿真研究

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造成的衰落。仿真計(jì)算結(jié)果表明平靜海面造成的信號衰落值比較小，在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信鏈路時(shí)在信號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；信號衰落

中圖分類號 TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 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)不可能做到全球無縫覆蓋。如：海洋、極區(qū)、沙漠、山區(qū)還沒有地面通信網(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。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)星通信的無線電信號要穿越大氣層中對流層、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)星移動通信中微波在海上傳播的損耗，探索精確預(yù)測海上衛(wèi)星移動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)展起來的無線通信技術(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 ]。

凡是移動的衛(wèi)星和固定的終端、固定的衛(wèi)星和移動的終端或二者均移動的通信系統(tǒng)，均稱為衛(wèi)星移動通信系統(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)、國際移動衛(wèi)星（Inmarsat）系統(tǒng)等。

1.2 國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1970年我國第一顆衛(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年我國發(fā)射第三代通信衛(wèi)星（DFH-3）。到2005年，我國已建成國內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)，初步解決邊遠(yuǎn)地區(qū)通信問題。

繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)后，我國開始建設(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，即無線電波的傳播路徑中完全沒有任何阻礙。在衛(wèi)星通信中，無線電波穿過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流層，對流層中的氣體成分（特別是水汽）、水凝體（雨、霧、雪、雹）、沙塵等因素會引起微波衰減。如果忽略空氣的影響，可以認(rèn)為無線電波是在自由空間中傳播，要計(jì)算自由空間傳播損耗。如果考慮大氣層對無線電波的折射、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)射的信號經(jīng)過自由空間傳播后，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。降雨會吸收與散射無線電波，削弱信號電平、增加噪聲溫度、削弱交叉極化鑒別。對于10GHz以上的頻率，雨衰減是嚴(yán)重的，對10GHz以下的無線電波雨衰減效應(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，會引起穿越電離層的無線電波聚焦與散焦，造成無線電信號的振幅、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)星之間存在相對運(yùn)動時(shí)，接收端收到的信號發(fā)生頻移。圓軌道多普勒頻移表達(dá)式：

其中Dv為衛(wèi)星與用戶的相對運(yùn)動速度，C f為信號頻率，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)星移動通信的傳播損耗仿真研究

海上通信過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，海面漫反射相對較弱，船舶在海上的活動范圍較大。船舶在接收衛(wèi)星通信的信號時(shí)，海面反射和散射引起信號衰落。相對陸地而言，海面反射波引起接收信號衰減較強(qiáng)，海面散射波引起接收信號衰減較弱，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℃，無線電信號頻率為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，而無線電信號頻率為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較小。在海上衛(wèi)星移動通信中，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.移動通信無線電波傳播[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反射信號的岸基海冰探測研究[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.