1引言

隨著航天裝備的作用日益重要，各國(guó)對(duì)制空權(quán)的爭(zhēng)奪也日益激烈，空間作戰(zhàn)依賴于信息，空間電磁環(huán)境是空間作戰(zhàn)信息依存的主要媒介。在電磁控制權(quán)的爭(zhēng)奪上是否能夠取得優(yōu)勢(shì)，很大程度上取決于電子對(duì)抗指揮員對(duì)電磁環(huán)境的準(zhǔn)確判斷以及對(duì)電子對(duì)抗作戰(zhàn)力量的合理部署及調(diào)配。通過對(duì)空間通信電磁傳播的影響進(jìn)行分析，構(gòu)建空間通信的電磁傳播模型，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空間戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境仿真或可視化可為指戰(zhàn)人員提供更直觀的輔助決策。目前針對(duì)衛(wèi)星通信中電磁傳播的研究主要是關(guān)注于自由損耗及大氣吸收、極化損耗和降雨損耗等低層大氣損耗。本文全面分析了衛(wèi)星通信所經(jīng)歷的傳播環(huán)境和影響因素，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)各種影響因素的數(shù)學(xué)模型及其適用范圍，為分析構(gòu)建衛(wèi)星通信范圍內(nèi)電磁傳播整體模型提供支持。

2傳播環(huán)境及影響因素分析

電磁波傳播主要受其傳播媒介的影響，因此需先弄清傳播路徑所經(jīng)歷的環(huán)境。近地空間是指地球周圍附近的區(qū)域，它是實(shí)現(xiàn)地面通信與空間通信的無線電波的基本傳播場(chǎng)所。近地空間之外是外層空間，這是星際通信的主要場(chǎng)所。

當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，主要使用頻段為L(zhǎng)頻段、K頻段、C頻段、Ku頻段，Ka頻段。星地通信中電波從地球站發(fā)出之后，經(jīng)過底層空間的對(duì)流層、平流層、電磁層到達(dá)外層空間，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)至其它空間飛行器，或者從外層空間傳播回地面，完成信息傳輸過程。星際通信中電波信號(hào)從宇宙空間的飛行器發(fā)出，經(jīng)過近于真空的環(huán)境傳播至其它飛行器。

無論在哪一層范圍內(nèi)，電磁傳播都要考慮由于能量的球面擴(kuò)散而引起的電波衰減，即自由傳播損耗，這也是衛(wèi)星信道的主要傳播損耗。

2.1對(duì)流層

平流層中物質(zhì)分子稀少，對(duì)電波影響甚小，一般在研究電波傳播時(shí)所指的對(duì)流層包括對(duì)流層和平流層兩部分。從地面到60km左右高空，其主要成分為中性大氣。對(duì)流層含有大量水分，除水汽外還包括各種降水，主要出現(xiàn)在近地面數(shù)千米高度范圍。在晴空條件下主要考慮大氣吸收衰減、大氣折射率變化等引起的閃爍或多徑衰減和波束的聚焦和散射，在其它天氣情況下，可能還要考慮其它衰減，比如降水考慮雨衰減及其退極化效應(yīng)或云衰減。

1.大氣吸收

大氣的損耗是由于吸收引起的，其的作用范圍在對(duì)流層空間范圍內(nèi)。在10GHz頻率以下通常可以忽略。在10GHz以上的頻率，重要性逐漸增加。

2.降水衰減

降水主要包含云、雨、霧、雪等現(xiàn)象，其中對(duì)電波影響最大的是雨。在10GHz以上頻段多云陰雨等條件下需考慮降雨和云。霧的厚度通常較小，且在約100GHz或以上的霧衰減效果才比較顯著，在空間通信中不考慮。

3.退極化效應(yīng)

目前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中部分頻段上采用正交極化方式，對(duì)流層降雨對(duì)微波段有明顯的退極化影響，引起電波極化面的變動(dòng)，降低了波的極化純度，產(chǎn)生了交叉極化干擾及附加的退極化傳輸損耗。降雨率比較小、L以下頻段的退極化現(xiàn)象對(duì)電波傳播的影響可以忽略。

4.波束聚焦或散焦

由于大氣中折射率隨著高度有規(guī)則地減少導(dǎo)致射線彎曲并形成低仰角時(shí)天線波束的擴(kuò)大或縮小也可能導(dǎo)致信號(hào)電平的改變。波束的聚焦或散焦與發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)仰角、傳播距離以及傳播方向有關(guān)，這一影響在仰角大于3°時(shí)可以忽略不計(jì)。

5.閃爍和多徑衰落

對(duì)流層產(chǎn)生閃爍主要是由于大氣氣象條件變化隨機(jī)。在低仰角（<10°）且10GHz以上頻率，對(duì)流層閃爍在個(gè)別情況下會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重性能下降，10GHz以下頻段或10°以上仰角可以不予考慮。

2.2電離層

在電離層范圍從平流層頂延伸至大約1000km的高度。衛(wèi)星通信使用的微波頻段在電離層具有很好的穿透性，電磁層的吸收可以忽略。電磁波在電離層傳播主要的損耗為法拉第極化旋轉(zhuǎn)和閃爍。

1.法拉第極化旋轉(zhuǎn)

電磁波在電離層傳播時(shí)，使用較低頻段時(shí)需要考慮法拉第效應(yīng)，10GHz以上頻段的法拉第效應(yīng)即可忽略。

2.閃爍

電磁層閃爍影響最大的地區(qū)是極光區(qū)和地磁赤道附近的帶狀地區(qū)，夜間強(qiáng)白天弱，與太陽活動(dòng)成正比，且隨頻率的增加而減弱。電磁層閃爍對(duì)我國(guó)衛(wèi)星通信影響較小。電磁層閃爍對(duì)6GHz以下頻段影響較大，太陽寂靜期6GHz以上頻段及中緯度地區(qū)不預(yù)考慮。

2.3外層空間

外層空間環(huán)境相對(duì)前幾層來說對(duì)電磁波傳播干擾較小，是星際鏈路傳播的主要空間，基本可以認(rèn)為是自由空間傳播，最主要的傳播損耗是自由空間傳播損耗，但也受到外層空間宇宙輻射和太陽活動(dòng)等的影響。

1.宇宙噪聲

在衛(wèi)星通信頻段，主要的噪聲干擾是宇宙噪聲。宇宙噪聲的主要來源是外層空間星體的熱氣體在星際空間的輻射，其中最主要的噪聲源來自太陽，當(dāng)接收機(jī)的天線不對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，靜寂期太陽噪聲對(duì)系統(tǒng)影響不大。對(duì)于地面站而言，太陽系天體運(yùn)行規(guī)律確定一年內(nèi)在春分和秋分前后出現(xiàn)日凌干擾，干擾發(fā)生的具體時(shí)間和地面站的位置有關(guān)。衛(wèi)星通信中依據(jù)衛(wèi)星的通信鏈路方位考慮其宇宙噪聲影響。

2.太陽宇宙射線

外層空間的輻射中，在太陽耀斑爆發(fā)期間，揮發(fā)出太陽宇宙射線，太陽爆發(fā)可能引起地磁暴等。太陽磁暴可能引發(fā)電磁層暴，導(dǎo)致電磁層閃爍、折射誤差、信號(hào)大幅衰減。目前活動(dòng)期的太陽輻射對(duì)電磁傳播的影響沒有確定的預(yù)測(cè)模型。

4總結(jié)

空間通信中，電磁傳播受到的主要影響依次為低層大氣的大氣吸收損耗、云霧雨衰減損耗、波束擴(kuò)散損耗、閃爍或多徑傳播、退極化以及外層空間輻射等影響。這些影響因素多為頻率、地理位置、時(shí)間和仰角的函數(shù)。對(duì)流層云衰、雨衰、大氣吸收及閃爍等一般在10GHz以上頻段作用才比較明顯，晴天要考慮自由傳輸損耗、大氣吸收損耗、波束擴(kuò)散損耗，多云天還要考慮云衰，陰雨天還要考慮雨衰和降雨引起的退極化。電磁層閃爍和法拉第極化旋轉(zhuǎn)在10GHz以下效果才明顯。宇宙噪聲和輻射在特定的時(shí)期或?qū)μ囟ǚ较蜴溌酚绊懨黠@。其中不確定性的計(jì)算模型，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行估計(jì)。

本文給出的對(duì)各種衰減計(jì)算模型中所用到的全球氣象數(shù)據(jù)，由于測(cè)試點(diǎn)覆蓋面小，某些地區(qū)可能誤差比較大，對(duì)于特定地點(diǎn)的預(yù)測(cè)計(jì)算，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)值計(jì)算或者直接測(cè)量。通過對(duì)空間電磁傳播過程中影響因素的模型構(gòu)建，為預(yù)測(cè)空間復(fù)雜電磁場(chǎng)值、實(shí)現(xiàn)空間電磁環(huán)境的仿真提供很好的支撐。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)空間戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境可視化平臺(tái)，為指戰(zhàn)員提供更直觀的決策支撐將是下一步的研究工作。