对流层环境对地空传播特性影响研究.doc

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1、分类号分类号 密级密级 UDC 编号编号 电子科学研究院电子科学研究院 硕士硕士学位论文学位论文 对流层环境对地空传播特性影响研究对流层环境对地空传播特性影响研究 Influence of troposphere on radio propagation on Earth- Space paths 林 乐 科 指导教师 赵振维 研究员 学科专业名称 电磁场与微波技术 论文提交日期 二零零四年二月 论文答辩日期 培养单位 中国电波传播研究所 学位授予单位 电子科学研究院 答辩委员会主席 I 摘摘 要要 对流层环境，特别是降雨是影响 10GHz 以上频段地空无线电系统的重要因素， 地空无线电系统规

2、划设计必须考虑对流层传播特性。本文系统论述了影响 10GHz 以上频段地空路径电波传播的环境特性、传播预测方法和抗衰落方法，并对降雨 及其传播特性进行了重点研究： 1 在我国 6 个典型地区实测降雨数据的基础上，提出了我国 10 分钟和 5 分钟降 雨统计与 1 分钟降雨统计的统一转换模式，这一模式可较好地用于我国不同 地区的降雨率转换。 2 基于我国 56 个台站的降雨最坏月统计和世界不同地区的降雨最坏月统计，得 到我国降雨率最坏月转换的分区（南方区、北方区、戈壁区）模式和全球分 区(热带、亚热带和温带常湿区，温带、极区和戈壁区)最坏月转换模式，分 区转换模式具有较好的转换精度，并可方便地用

3、于不同地区降雨最坏月统计 的转换； 3 基于 ITU-R 的地空雨衰减数据和 ITU-R 雨衰减预测模式，综合考虑雨衰减的 物理过程，得到一种改进的地空传播雨衰减预测模式，改进了 ITU-R 模式中 等效路径因子、不同概率衰减与 0.01%降雨衰减的换算公式。与 ITU-R 数据库 数据进行的误差比较与分析表明，改进模式在预报性能上优于 ITU-R 模式， 同时其总衰减预报结果也较 ITU-R 模式为优。 4 基于 ITU-R 与 OPEX 数据库的地空雨致交叉极化数据和二阶小变量近似的预报 模式，提出了一种改进的雨致交叉极化预报模式。与其它模式比较表明，这 一模式的预测精度有了明显提高， 5

4、 利用我国各地气象台站实测 10 分钟积分时间降雨率转换得到的 1 分钟积分时 间降雨率数据，生成了中国地区 0.01%时间概率降雨率电子地图，其精度较 ITU-R 数据有较大提高。 本文的研究结果和得到的预报模式可改善传播预测精度，提高地空无线电系统传 播设计的可靠性。 关键词：关键词：对流层电波传播，地空通信，降雨率分布，最坏月，雨衰减，交叉极化，抗 衰落措施 II Abstract The troposphere, essentially rain，have important effects on the performance of earth- space systems oper

5、ating at frequencies above 10GHz, for the proper planning of Earth-space systems it is necessary to have appropriate tropospheric propagation data and prediction techniques. In this thesis, climatic statistical characteristics and prediction techniques and fade mitigation methods are reviewed system

6、atically. The rain and its propagation characteristics are mainly studied, and the main results obtained are the bellowing: Based on the rainfall rate data measured from 6 locations in China during 2 years and Burgueos conversion method, the conversion model in China is developed for 1-minute rainfa

7、ll rate statistics from 5 and 10-minute integration time data, and the model can be used in different rain zone in China with good accuracies. For the conversion of annual statistics to worst-month statistics for rainfall rates, three subregion models based on the parameters obtained by the rain rat

8、e data of 56 stations in China are developed for south China, north China and desert regions in China. The conversion results of subregion models have good agreements with the results of 56 stations. In the meantime, based on various parameters in ITU-R P.841 for different region in the world and th

9、ree subregions in China, two new semi-global models are developed for tropical, subtropical and temperate climate regions with frequent rain and for dry temperate, polar and desert regions. The semi-global models have better accuracy and can be used more conveniently in most region of the world than

10、 various parameters recommended by ITU-R P.841. Based on rain attenuation data of earth-space paths in ITU-R database and rain attenuation theory, a new method to predict the long-term statistics of the slant-path rain attenuation is presented, where the new path adjustment factor and the formula fo

11、r estimating the exceeded attenuation of other percentages of an average year from the exceeded attenuation of 0.01% of an average year are developed. Comparisons of this model and current ITU-R model with the data of ITU-R DBSG5 database show that this model improves the accuracy of rain attenuatio

12、n prediction, and it have more simple procedure for calculating the attenuation distribution. Meanwhile the total attenuation predicted with this model also have better accuracies than ITU-R model. Based on the data in ITU-R database and OPEX(OLYMPUS PROPAGATION EXPERRIMENTS) database and the two-or

13、der small argument approximation for rain- induced XPD, an improved model of hydrometeor-induced cross-polarization prediction is developed, which have better agreement with the measured data than the ITU-R models. The digital map of exceeded rainrate of 0.01% of an average year in China is obtaind

14、by using the statistical data from 65 station, which obtains better results than that computed by ITU-R model. The results obtained and the new prediction models developed in this thesis can improve the prediction of propagation effects, which is essential for earth-space system design. III Key word

15、s: tropospheric radio wave propagation, Earth-space communication, distribution of rainfall rate, worst month, rain attenuation, cross polarization, fade mitigation 目目 录录 第一章 绪 论.1 IV 1.1 研究背景和意义1 1.2 对流层地空传播特性研究概况2 1.3 对流层地空传播特性在地空通信系统设计中的应用4 1.4 论文安排与主要研究成果5 第二章 对流层电波环境特性8 2.1 对流层环境对地空电波传播的影响8 2.2

16、 我国不同积分时间降雨率的统一转换模式9 2.3 降雨率的最坏月分区转换模式研究15 2.4 环境特性栅格数据及其在地空传播预测中的应用5921 2.5 我国降雨率分布电子地图23 2.6 小结与讨论25 第三章 雨衰减特性研究.27 3.1 引 言.27 3.2 雨衰对数字通信链路的影响计算697027 3.3 特征雨衰减计算29 3.4 雨顶高度31 3.5 ITU-R 地空雨衰减预报模式32 3.6 地空路径雨衰减预报模式改进34 3.7 模式比较36 3.8 小结与讨论39 第四章 雨致交叉极化特性研究.40 4.1 引 言40 V 4.2 卫星信号的极化40 4.3 降雨的去极化机理

17、43 4.4 雨致交叉极化的小变量近似45 4.5 雨致交叉极化的预报模式46 4.6 预报模式的比较研究48 4.7 小结49 第五章 地空路径综合衰减研究.51 5.1 引 言51 5.2 自由空间衰减51 5.3 大气吸收52 5.4 闪烁衰落24.53 5.5 云衰减54 5.6 大气综合衰减预报模式24.56 5.7 小结57 第六章 抗衰落对策综述.58 6.1 引 言58 6.2 站址分集59 6.3 上行链路功率控制60 6.4 自适应调制技术11761 6.5 自适应去极化对消技术114119.63 6.6 衰落对策对对流层传播研究的要求11964 第七章 结 束 语66 V

18、I 附录 A 内插算法67 附录 B 遗传算法.69 附录 C 日凌中断.75 参考文献79 致谢.88 攻读硕士期间发表的论文89 论文应用与引用.90 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景和意义和意义 信息社会的飞速发展对信息传递提出了更高的要求，促使通信技术快速发展，不 断涌现出新的通信方式和通信体制。卫星通信也不例外，由于其不可替代的特性与固 有的优点，已成为实现远距离通信的重要手段。以往的卫星通信多使用 Ku 以下频段， 致使 Ku 以下频段频谱拥挤的问题日益突出，同时也难以适应互联网时代对通信大容量、 低成本和便携性等提出的新要求，卫星通信向更高频段

19、推进已成为必然趋势。 本文主要研究 10GHz 以上频段固定卫星通信传播特性，部分研究成果也可应用于 10GHz 以上频段卫星移动通信、平流层通信等的传播设计。10GHz 以上频段中， Ku 频段(12/14GHz)已广泛应用卫星通信和电视广播，但仍难以满足用户对大容量宽带业 务的需求，Ka 及 EHF 频段成为下一代卫星通信的重要发展方向。由于 Ka(20/30GHz) 及以上频段具有大容量、抗干扰、设备体积小等优点，日益引起科学研究与工程应用 领域的广泛关注。大容量意味着需要更大带宽以及更高传输速率，Ka 频段可用带宽高 达 3.5GHz，是理想的宽带地空通信频段。因为 Ka 及以上频段具

20、有极强的扩、跳频能 力、窄波束，再加上大气衰减对波束外窃听和干扰的限制，因此其具有更好的保密性、 安全性和抗干扰性，同时也有利于系统间和系统内的电磁兼容性(EMC)，例如，对地 静止轨道上 30/20GHz 卫星可按 1的间隔来配置，可比 C 频段配置卫星的数目增加一 倍1。由于 Ka 及以上频段容易实现窄波束，可获得高的 EIRP 值，从而减小地面终端 （主要是天线）尺寸，例如，工作于 44GHz 的 3 米天线，可获得 60dBi 的增益， 其 半功率波束宽度约为 0.16，而工作于 8GHz 时为获得相同的天线增益和半功率波束宽 度，天线口径需增加到 16 米1。以上这些优点对军事通信是

21、特别有利的。 1974 年美国 NASA 在仙童公司研制的 ATS6（应用技术卫星 6）上进行过 20、30GHz 的传播试验，开辟了 Ka 频段卫星传播和通信实验的先河23。日本于 1983 年发射的 CS-2 卫星45，则是世界上第 1 颗搭载 Ka 频段转发器的实用通信卫星。进 入 20 世纪 90 年代末至 21 世纪初，由于元器件制造技术的进步以及信息时代发展的需 求，欧美发达国家普遍开展 Ka 及以上频段卫星通信技术研究与军事、商业应用。总部 设在荷兰的新天空卫星公司(New Skies Satellites)于 2002 年 12 月 17 日发射升空的 NSS- 6 卫星，定点

22、于东经 95 度， 星上带有 50 个 Ku 波段转发器和 12 个 Ka 波段转发器，信 号可覆盖中国大陆6。在最近几年当中，一批新一代的卫星通信系统已经或行将问世, 除个别系统采用 Ku 频段外，大多使用 Ka 频段，部分系统及参数见表 1-11。 Ka 及以上频段也广泛应用到军事卫星上。例如，美国的海军舰队卫星通信系统 (Fltsatcom)、国防部军事战略战术中继卫星(Milstar)、特高频后续卫星通信系统 对流层环境对地空传播特性影响研究 2 (UFO)、跟踪与数据中继卫星通信系统(TDRSS)，英国的天网 4(Skynet 4)卫星,法国的 第三代军事卫星通信系统 Syracus

23、e ,日本的超鸟通信卫星等军事卫星均搭载了 Ka 至 EHF 频段有效载荷789。 1971 年美国 Sky Station International Inc. 提出了“平流层通信业务”(STS, Stratospheric Telecommunicaion Services)的新设想，其通信方式类似于 VSAT 卫星 通信的企业专用网方式，综合考虑覆盖范围、系统造价、通信质量、维修成本等因素， 平流层通信相比卫星通信有一定的优越性。在军事应用领域，平流层通信系统由于架 设简便，成本低，更便于实现一定战区范围内的移动通信。有鉴于此，美国、印度、 英国、意大利和日本等国相继开展了研究，并取得了

24、一定的成果。平流层通信一般选 择在毫米波段。ITU-R SG9 会议为 Sky Station International Inc.建议的频段为上 行 47.2-47.5GHz,下行为 47.9-48.2GHz。日本选择了 Ka 频段(上行 31.0-31.3GHz,下行 为 27.5-28.35GHz)，并得到了 WRC-00 的认可1011。 我国下一代通信卫星也将使用 Ka 频段，EHF 频段也将是未来的发展方向。因此 开展 Ka 乃至更高频段卫星信道传播特性的研究已是迫在眉睫。对 Ka 及以上频段卫星 通信信道传播的环境制约因素进行深入研究，对提高卫星通信系统传播设计可靠性和 充分利用

25、通信卫星有效载荷具有重要的应用价值。 表表 1-11-1 新一代新一代的卫星通信系统的卫星通信系统 系统 运行 时间 卫星 高度 （公里） 频率接入方式网络容量业务 Astolink20039 GEO36000Ka FDMA TDMA IP/ATM ISDN 6.5Gb/s 高速多媒体 Cyberstar20013 GEO36000Ka FDMA TDMA IP/ATM 帧中继 9.6Gb/s Internet, VoD 宽带业务 Spaceway2002 16 GEO 20 MEO 36000 10352 Ka FDMA TDMA IP/ATM 帧中继 ISDN 4.4Gb/s 高速因特网

26、多媒体 Sky Bridge 200180 LEO1469Ku CDMA TDMA FDMA IP/ATM 20M 用户 以上 高速 Internet 接 入，交互多 媒体业务 Teledesic200228 LEO1375 Ka 60GHz MF-TDMA ATDMA IP/ATM ISDN 10Gb/s Internet 高 质量话音、 数据业务 i Sky20012 GEO36000Ka -IP/ATM- Internet, DBS, PCS 1.2 对流对流层地空传层地空传播特性研究概况播特性研究概况 欧美发达国家在应用 Ka 及以上频段进行地空通信应用之前，都利用卫星信标等进 第一章

27、 绪论 3 行多地域、长时间、多方面的传播实验，取得大量的实测数据与研究成果，应用于其 后实际运行的系统设计中，例如，美国宇航局（NASA）1993 年发射 ACTS（Advanced Communication Technology Satellite）卫星12，欧洲 OLYMPUS 卫星 13，意大利的 ITALSAT 卫星14, 这些卫星均用于 Ka 频段的通信及传播特性研究。 日本也发射工程试验卫星（ETS-）、COMETS15 和 CS 系列卫星开展 Ka 频段和毫 米波频段（47GHz）卫星通信试验的研究。这些实验取得了大量研究成果。如欧洲空 间局（European Space A

28、gency，ESA）的专门的研究组OPEX(OLYMPUS PROPAGATION EXPERRIMENTS)所取得的欧洲广大不同地区的大量统计分布数据已 进入国际电联(ITU)数据库, 其取得的大量理论研究成果则汇编成不同的参考手册, 如 “Reference Book on Attenuation Measurements and Prediction”，“ Reference Book on Depolarization”和“Reference Book on Radiometry & Meteorological Measurements” 等等16-18。此外，为了全面系统地研究水凝

29、物及其它传播因素对微波毫米波通信系 统的影响，自上世纪七十年代以来，欧洲还组织一系列大规模的合作研究，如 COST 25/4（1971-1978）19、COST205（1980-1985）20、COST 210（1984-1990）21、 COST 235（1991-1996）22和 COST 25523（1996-2000） COST 为 European Co- operation in the Field of Science and Technical Research 的缩写，新的研究计划 COST 280 已经开始实施。这些计划的实施取得了大量研究成果, 奠定了一系列国际标准的基

30、础。 近年来，根据最新的研究成果，ITU-R 对地空传播预测的主要模式多有重要改进， 并随着现代地空通信的需求形成了部分新的建议。例如，自 1994 年以来，包含雨衰减、 雨致交叉极化、闪烁与多径效应、大气综合效应、分集增益、雨衰减频率换算、水凝 物噪声温度等多种主要地空传播特性预测或计算方法的 ITU-R P.618 建议，已从 P.618-4 修订为 P.618-8 建议24；2000 年我所首先向 ITU-R 提出了分频段的特征雨衰 减解析模式25，在此基础上，英国专家提出了统一的解析模式，并于 2002 年形成了 新的 ITU-R P.838 建议26；ITU-R 于 2002 年形成

31、了预报降雨衰落持续期和衰落斜率的 新建议27；大气衰减模式已发展为 ITU-R P.676-5 建议28，其中包含我所张明高院士 提出的大气特征衰减解析模式；在卫星移动通信方面，相关建议分别增加了建筑物衰 减、海面反射衰落、街道遮蔽函数（MKF）、卫星分集、路边建筑遮蔽模型、路边树衰 落等重要内容，并分别形成了 ITU-R P.833-429、P.679-330，P.680-331，P.681- 632建议等。其它相关的建议有给出了协调距离新的计算方法的 ITU-R P.620 建议33， 新增大量世界不同地区的最坏月统计参数的 ITU-R P.841 建议34等，并正在发展的统 一的不同积分

32、时间降雨率的转换方法的新建议。以往电波环境特性主要以图表和经验 公式等形式表示，如温度、折射指数等值线图、雨区、雨顶高度的经验公式等。这些 电波环境数据精度较低，并在不同分区的交界处产生预测结果的不连续性，而且不便 于实际应用。为此，在 COST-255 的研究中，利用欧洲中期气象预报中心（ECMWF）的 对流层环境对地空传播特性影响研究 4 全球气象数据，形成了数字化的电波环境特性，修订 ITU-R 多个电波环境建议，部分 已形成新建议。这些新建议多数以地理信息系统的方式表征电波环境特性，将全球划 分为等精度的网格，给出格点数据，其它地点数据采用推荐的插值方法获得。可以用 这种方法获得的对流

33、层电波环境数据包括全球降雨率累计分布(ITU-R P. 837- 4)35, 雨顶高度(ITU-R P.839-3)36,积分水汽含量和地面水汽密度(ITU-R P.836-3)37，地 表平均温度和海拔高度(ITU-R P.1510)38，折射指数湿项(ITU-R P.453-9) 39，云积 分水含量(ITU-R P.840-3) 40等等。 我国在地空传播特性方面，虽曾对 L、C 和 Ku 波段卫星信号电波传播特性进行了 有关试验和理论研究，得到了一些有用的结果，但取得的数据和测量的区域还很少， 不足以取得适合我国不同地区的传播预测模式或验证国际上已有的预报模式。还没有 开展 Ka 波段

34、卫星通信试验和电波传播特性的测量研究。由于我国幅员辽阔，气候类型 多样，也造成对流层地空传播特性的复杂性。我国在追赶世界信息化潮流中，时间与 财力均不允许我们重复发达国家的道路，超越式发展要求我们充分利用现有资源与国 际先进的研究成果，尽快赶上发达国家的研究与应用水平。有鉴于此，我们必须另辟 奚径。如前所述，Ka 及以上频段地空传播特性深受对流层环境的影响，结合我国气象 部门累积的大量气象数据，获得更适合我国实际情况的电波环境特性统计数据，并对 国际传播预测模式加以改进，提高预测精度，建立更适合中国地区的对流层地空传播 特性预报方法，是实现我国下一代通信卫星系统传播设计的现实途径，其结果对我国

35、 地空通信系统的发展有重要意义。 1.3 对流层地空传播特性在地空通信系统设计中的应用对流层地空传播特性在地空通信系统设计中的应用 对流层是指接触地面的低层大气部分，是具有明显对流运动的大气层41，根据 1976 年美国标准大气，对流层顶的高度约为 11gpkm(位势千米)4243,实际上其厚度与 纬度和季节有关。对流层里集中了大气质量的 3/4 和几乎全部水汽，又有强烈的垂直运 动，因此主要的天气现象和过程都发生在这一层42。影响 10GHz 以上频率地空通信的 对流层传播因素主要有降水(雨、雪、冰雹、雨夹雪等)、云、雾、大气(主要是氧气和 水汽)、沙尘暴等对电波的吸收、散射、闪烁、去极化等

36、效应。标准大气引起的微波毫 米波频段吸收衰减见图 1-144。大气的强烈吸收波段通常不能用于地空通信，而在窗 口频率，上述对流层传播效应必须加以考虑，其中降雨损耗首当其冲。例如，降雨对 Ka 波段引起的雨衰减比 Ku 波段更为严重，暴雨时甚至可引起高达数十 dB 的信号衰减， 导致信号中断；降雨和冰晶层的散射还可引起地面电路和地空电路间的同频干扰，引 起使用正交极化的频率复用系统的交叉极化隔离度或交叉极化分辨率的下降，引起信 号的附加时延45；等等。由此可知，对流层传播影响是科学地规划与设计地空通信系 统的必要因素，为使地空通信系统可靠工作，必须首先摸清电波在地空传播路径上所 第一章 绪论 5

37、 有因素的影响，找到其统计规律。如果低估了电波传播的影响，轻则不能达到预期的 系统可靠性要求，重则可能导致系统失效，如果高估了电波传播的影响，势必增加系 统负荷和复杂度，既造成浪费，也增加技术难度。由此可见，传播预测是保证卫星通 信，特别是军用通信卫星在恶劣气象条件下高可靠通信的重要保障。通过对对流层传 播环境的深入研究，可以正确评估系统运行后的性能，为系统设计相应的预防措施提 供有力的参考，倍增系统的效能。图 1-2 以固定卫星通信系统设计为例，给出了对流 层传播分析在地空通信系统设计中的应用46。 图图 1-1 标准大气情况下的天顶方向特征衰减标准大气情况下的天顶方向特征衰减 图图 1-2

38、 固定卫星通信系统设计过程固定卫星通信系统设计过程 对流层环境对地空传播特性影响研究 6 1.4 论文安排与主要研究成果论文安排与主要研究成果 本文系统综述了以降雨为主的对流层环境对微波毫米波地空传播的影响，根据物 理统计特性进行了模式化研究，并综合介绍了抗衰落措施。后续章节安排如下： 第二章对对流层物理特性进行统计分析。概述了对微波毫米波频段地空传播有影 响的主要对流层物理现象，对降雨率统计特性进行模式化研究。取得了我国 10 分钟、 5 分钟积分时间降雨率与 1 分钟积分时间降雨率的统一转换公式，以及我国降雨率的最 坏月分布与年平均分布的分区转换模式，介绍了中国地区 0.01%时间概率降雨

39、率电子地 图的生成方法。 第三章介绍了地空链路雨衰减预报模式国际国内研究概况，提出了一种改进的地 空路径雨衰减预报模式。详细介绍了模式改进过程中的考虑因素，利用 ITU-R 数据库 对改进模式与 ITU-R 预报模式进行比较研究，分析了已有雨衰减预报模式的不足之处。 第四章论述了地空路径雨致交叉极化的预报。首先，对雨致交叉极化进行理论分 析，介绍了二阶小变量近似理论；在基于二阶小变量近似理论及 ITU-R 与 OPEX 的数据 库数据的基础上，提出了一种改进的雨致交叉极化预报模式；并对该模式与 ITU-R 模 式的预报精度进行了对比研究。 第五章论述了对 10GHz 以上频段地空通信有影响的其

40、它传播与环境因素。主要介 绍了对流层传播因素，包括对流层闪烁、云衰减、大气吸收、综合衰减等的原理与预 报模式。另外也介绍了自由空间衰减及日凌中断的计算。 第六章综合论述了对流层传播影响(主要是雨衰)的对消措施。通过雨衰对消措施 与去极化补偿措施的分析，确定需要知道的对流层环境统计特性，明确进一步研究的 方向。 主要研究成果： 1. 1 分钟积分时间降雨率累积分布是 10GHz 以上无线电系统雨衰减预测的基础性 数据，但从多数气象台站获得的是积分时间为 5 分钟、10 分钟或更长积分时 间的降雨率数据，因而需要一种有效的转换方法，为此利用我国典型气候区的 实测降雨率数据对几种不同积分时间降雨率转

41、换模式进行了分析和比较研究， 在比较研究的基础上，提出了我国统一的转换模式，这一模式可较好地用于我 国不同地区的降雨率转换。该模式在 2003 年 ITU-R 第三研究组相关工作组会 议上列入相关临时文件，用于支持 ITU-R 形成一个不同积分时间降雨率转换方 法的新建议(2003 年 ITU-R 3J 主席报告 ITU-R Doc. 3J/ 33-E Annex 38)。 2. ITU-R 提供了最坏月分布与年平均分布的转换模式，但其中尚无中国地区的参 数。本文利用我国 56 个气象台站降雨率的最坏月分布和年平均分布的转换关 系，对转换模式参数进行了分析，得到我国降雨率最坏月转换的分区模式，

42、将 第一章 绪论 7 我国分为三个区，即南方区、北方区、戈壁区，各区采用统一参数。该分区模 式与不同台站转换结果间有很好的一致性，可用于我国不同地区的降雨率最坏 月转换。同时利用 ITU-R 提供的世界不同地区的参数及中国分区参数，得到了 全球分区参数。其中全球分区(热带、亚热带和温带常湿区，温带、极区和戈 壁区)降雨最坏月转换模式已在 2003 年 ITU-R 3J 工作组会议上形成了对 ITU- R P.841-3 修订的建议文件（2003 年 3J 主席报告 ITU-R Doc. 3J/ 33-E Annex 21），同时我国分区转换参数也增加进 ITU-R P.841 建议的附表中。

43、3. 基于 ITU-R 的地空雨衰减数据和 ITU-R 雨衰减预测模式，综合考虑雨衰减的物 理过程，得到一种改进的地空传播雨衰减预测模式，改进了 ITU-R 模式中等效 路径因子、不同概率衰减与 0.01%降雨衰减的换算公式。与 ITU-R 数据库数据 进行的误差比较与分析表明，改进模式在预报性能上优于 ITU-R 模式，同时其 总衰减预报结果也较 ITU-R 模式为优。这一预测方法在 2003 年 ITU-R 相关工 作组会议上列为进一步检验的两个候选方法之一(2003 年 3M 主席报告 ITU-R Doc. 3M/45-E Annex 11 和 Annex 15)。 4. 水凝物的交叉极

44、化预报模式对 10GHz 以上频段使用正交极化频率复用的卫星通 信系统设计具有重要意义。基于 ITU-R 与 OPEX 数据库的地空雨致交叉极化数 据和二阶小变量近似的预报模式，提出了一种改进的雨致交叉极化预报模式。 与其它模式比较表明，这一模式的预测精度有了明显提高，并在 2003 年 ITU- R 3M 工作组主席报告（ITU-R Doc. 3M/45-E）中列为进一步检验的模式。 5. 目前 ITU-R 的降雨率数据库生成的中国地区 0.01%时间概率降雨率电子地图与 我国的实测数据误差较大，为此利用我国各地气象台站实测 10 分钟积分时间 降雨率转换得到的 1 分钟积分时间降雨率数据，

45、采用内插方式生成中国地区 0.01%时间概率降雨率电子地图，其精度较 ITU-R 数据有较大提高。该方法可 应用于其他物理参数的电子地图生成。 对流层环境对地空传播特性影响研究 8 第二章第二章 对流层电波环境特性对流层电波环境特性 2.1 对流层环境对地空电波传播的影响对流层环境对地空电波传播的影响 10GHz 以上频段高可靠通信最主要的制约因素是雨衰减，它是由于雨滴对电磁波的 吸收与散射作用产生的，通常雨衰减随频率和降雨率的增加而增大。降雨的物理特性 与衰减特性一直是对流层传播研究的热门领域。为研究抗雨衰措施，降雨的动态特性 也成为近来的研究热点。降雨还将增加地面接收设备的噪声温度，使接收

46、信噪比恶化。 群雨滴对电波的散射作用可能造成台站之间的相互干扰，在 6/4GHz 频段上，就曾经发 生过相距 200400km 远的两站，因降雨散射造成干扰47。雨泡尺度的研究还是空间 分集抗雨衰的重要参考。由于雨滴的非球形，降雨还将引起电磁波的交叉极化，其与 降雨强度、雨滴谱分布、雨滴倾角分布等降雨的物理特性有关。雨和冰晶层的去极化 效应会降低采用正交极化频率复用系统的可用性。随着工作频率的提高，更多的对流 层环境因素会对地空传播造成显著影响，如大气、云、雾、雪、冰雹、沙尘暴等。对 电波传播的研究表明，对 Ku 以下频段电磁波，大气的影响可以忽略不计；Ka 及毫米波 频段则不然。无线电波通过

47、大气层时引起的衰减主要是水蒸气和氧的吸收所致。水汽 分子具有电偶极矩，氧分子具有磁偶极矩，它们与电波相互作用，在某些频段产生谐 振而吸收其能量。这种吸收与大气压强及温湿度有关，它决定了地空传播的晴空衰落 电平1。大气湍流引起的折射指数变化会造成晴空大气闪烁，它也与大气温、湿、压 剖面有关。沈广德等发现中纬度地区 C 波段地空链路大气闪烁与地面气温有较强的相 关性48，对比中纬度地区电离层闪烁衰落深度分布随频率的变化规律24，说明在 C 波 段对流层闪烁已成为闪烁的重要原因。在 10GHz 以上频段，对流层闪烁的影响会更严 重。降雨衰减中通常也包括云衰减，但对于无雨时的云衰减需单独考虑。降雪和冰

48、雹 的衰减通常较小，但其去极化效应对使用正交极化的频率复用系统也要认真考虑。此 外，在多雾地区和沙尘暴多发地区，还需要考虑雾与沙尘的传播效应，但其影响通常 较小。很显然，对流层传播效应与对流层环境的物理特性是密切相关的。因此，从对 流层环境的物理统计特性着手研究对流层传播是一个很好的切入点。图 2-1 说明了主 要的对流层物理特性与传播效应之间的关系。由图可见，相关物理特性的研究是一件 很有意义的工作，其不仅可应用于地空链路的传播设计，对通过传播参数反演气象特 性(如主、被动遥感等)也是必备的。 由于对流层气象的随机性，使无线电波在大气中的传播也具有随机性，这种随机 性既有固定态和周期态(具有

49、可预报性)，又有混沌性(难以预报)41。因此对流层地空 传播在理论研究方面有很大的难度,目前基本的研究手段是概率统计的办法。例如，固 定卫星通信最关心其信道可靠度，通常允许每年或每月很少时间的中断概率，这就涉 第二章 对流层电波环境特性 9 及年平均或最坏月的对流层气象(主要是降雨)的统计特性。目前应用较多的是每年 0.01%时间的中断概率，因此每年 1 分钟积分时间 0.01%时间不超过的降雨率(即全年只 有 0.01%时间的降雨率大于此值)成为对流层传播环境研究的重点。在对流层闪烁、云 衰减、水汽吸收、水凝物致交叉极化、分集改善因子、雨衰动态特性(持续期、间隔期、 斜率)等 ITU-R 建议中也采用概