地球大气对卫星信号的影响及应对方法

王晓霞　艾名舜

摘 要： 针对卫星信号下行路径上存在的折射和延迟等问题，分析了大气层的结构特点及其对卫星信道造成的不利影响，其中电离层对C波段信号的折射、对流层对Ka波段信号的延迟和电离层闪烁是分析的重点。提出了应对大气层不利影响的方法，指出必须设计可变参数模型并结合实时空间天气和气象预报的数据才能实现对卫星信道的有效校正和补偿。

关键词： 卫星信号； 电离层； 对流层； 大气层结构特点分析

中图分类号： TN927+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 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

人造地球卫星在通信、环境监测、导航和定位等方面发挥着重要的作用。与传统的监测手段相比，卫星的优势在于作用范围广，可以在较大尺度上监视和测量环境变化情况。卫星获取的数据信息最终要发回地面控制中心，但由于两者相距遥远，并且两者之间存在大气层，实际中卫星信号的传输问题十分突出[1]。对于很多环境监测卫星，尤其是气象卫星而言，大气层本身是被检测的对象，但同时也成为限制卫星发挥作用的桎梏。

大气层主要包括较低的中性层（距离地面高度在60 km以下）和较高的电离层，中性层又可进一步分为对流层和平流层。目前多数卫星信号集中在C波段和Ka波段，电离层对C波段的电磁波具有显著的折射作用，而对流层的云、雨、雾及其他悬浮颗粒对Ka波段的电磁波具有较强的散射和吸收作用。重点分析了大气层对C波段和Ka波段卫星信号传输的不利影响，并提出应对的策略。

1 大气层对卫星信号传输的影响

1.1 电离层对C波段卫星信号的折射延迟

电离层一般是指高度位于60～1 000 km之间的大气层。电离层的气体分子由于受到太阳的强烈辐射电离，形成大量的自由电子和正离子。当卫星信号通过电离层时，如同其他电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化。对于C频段信号，传播速度减缓而产生的延迟是影响卫星导航和定位精度的主要误差。以GPS卫星信号为例，这种距离延迟在天顶方向最大可达50 m；在卫星仰角较低时，可以达到150 m。因此，电离层延迟是卫星系统中最重要的误差源[2]。

卫星信号测量中，电离层延迟误差和信号传播路径上的电离层总电子含量TEC（Total Electron Content）成正比。TEC是指底面积为1 m2的整个电离层柱体中的自由电子数，单位为个/m2。因此，电离层延迟可以用TEC来表征。例如GPS的L1频率为1.575 GHz，1个单位的TEC对应于0.16 m的延迟，即1 TECU=0.16 m。研究表明，TEC随下列因素而变化：

随地方时的不同而变化，一般而言，白天（8～18 h）的电子含量高，夜晚的电子含量低；

随季节的不同而变化，夏季电离层电子含量大于冬季；

随年份的不同而变化，太阳活动高年，太阳辐射量变化剧烈，电离层电子含量往往较大；

随测站位置的不同而变化，低纬度地区的探测站上空电离层电子含量较大。

另外，电离层异常会引起TEC剧烈变化，从而造成接收到的卫星信号振幅衰减和相位抖动，强烈时会导致卫星信号接收机的信号失锁。

1.2 对流层对Ka波段卫星信号的折射延迟

对流层离地面较近，其高度在海拔20 km以下，大气密度远大于电离层的密度。对流层大气的状态随地面气候的变化而变化，因此其折射效应比电离层折射更为复杂。由于对流层不属于弥散性介质，即电磁波在其中的传播速度与频率无关，所以，对流层延迟无法通过卫星发射的双频信号加以消除。

对流层延迟取决于信号传播路径上的气压、温度和相对湿度的变化。因此，对流层延迟随时间、地点、季节等因素而变化。当信号路径上出现雨、雾等现象，信号的延迟会变得十分显著。对流层延迟还与卫星信号穿越对流层的路径长度有关，即对流层延迟与接收机至卫星的观测仰角有关。一般来说，对流层延迟在天顶方向（仰角为90°）约为2 m；随着仰角的减小，对流层延迟逐渐增大，在低仰角（20°以下）时可以达到20多米。同时考虑到对流层延迟变化的复杂性，消除这种延迟是卫星信号处理和信道校正中最大的难题。

1.3 电离层闪烁效应的影响

电离层绝非是一个均匀、稳定的气态层，同一地区上空的电离层电子密度往往呈现不规则、非线性的整体涨落。电离层中的不规则体犹如水中翻腾的气泡，将导致卫星信号幅度、相位的快速波动。这种现象称为电离层闪烁，强电离层闪烁能导致卫星信号中断。电离层闪烁主要影响30 MHz～10 GHz频率范围的载波。电离层闪烁对信号的影响是有频率选择性的，在一定范围内，信号频率愈低，电离层闪烁影响越显著。

电离层闪烁主要发生在前半夜，每次闪烁持续时间最多可达几小时，较强的闪烁主要发生在午夜前。在太阳活动高年的磁赤道异常区，电离层闪烁几乎每天都发生。地球上有两个强闪烁高发区：一个集中在磁赤道附近，以磁赤道异常区闪烁最强[3]；另一个闪烁高发区在高纬度地区。闪烁高发期一般出现在春分和秋分前后；太阳活动高年，闪烁活动出现的频率和强度随之增大。

电离层闪烁会影响系统的可用性、有效性和完备性。以GPS卫星为例，电离层闪烁带来的影响体现为对载波相位测量精度的降低和对信号的失锁。中国南方地区处于磁赤道异常区，是世界上电离层闪烁影响的主要区域之一。已开展的GPS观测表明，在太阳活动高年，中国南方地区（广州）电离层闪烁几乎每天都能观测到。在发生强电离层闪烁时，中国南方区域的可观测GPS卫星数甚至减少到4颗以下，严重影响了定位。

2 卫星信道修正的方法

卫星接收机中一般采用电波传播修正模型的方法修正电离层、对流层引起的折射误差。由于电离层是色散性介质，即信号在电离层中传播的速度与信号频率有关。因此，卫星系统可以采用双频体制，目的在于利用两个频率上的测量差，消除电离层影响这一重要的误差源。而对流层是非色散性介质，因此，不能利用双频测量的方法消除其影响。此外，对于定位卫星而言，差分定位（Differential Positioning）技术也是一种广泛采用的用以消除卫星定位中测量误差的重要技术，并应用于区域或广域差分系统中。

2.1 卫星接收机电离层电波传播修正方法

电离层对卫星信号传输的影响包括折射和延迟。对于折射问题，可采用双频传输来解决。由于电离层的色散效应，伪距测量中的电离层折射误差可以表示为：

[dPion=40.28f2TEC] （1）

式中：TEC表示电离层总电子含量。可以看出，电离层折射误差与信号频率[f]有关，因此，通过测量卫星导航系统发射的两个不同频率上的信号，可以获得电离层折射误差。在GPS系统中，利用双频测量获得的电离层折射误差为：

[dion=1.545 73×（ρ1-ρ2）] （2）

式中：[ρ1，ρ2]为GPS两个频率上的伪距测量。

对于单频用户而言，采用电离层修正模型修正电离层折射误差也是常用的方法。电离层修正模型一般在利用长期电离层测量数据建立的电离层模型基础上，经过改进用于卫星系统。卫星控制中心对地面监测数据进行处理，获得电离层模型的参数估计，通过卫星导航电文向用户播发。用户接收到导航电文，获取电离层模型参数后估计电离层误差，并用于接收机定位中的电离层折射修正。

例如，NeQuick模型是Galileo系统中采用的电离层修正模型。用户利用Galileo卫星播发的NeQuick模型参数，结合用户自身的位置信息、卫星信息和太阳活动参量来估计和修正用户卫星信道上的电离层折射延迟。中国电波传播研究所利用卫星信号在海口、广州、昆明、重庆、上海等地设观测站，组成了电离层闪烁监测网，得出了我国的电离层闪烁预报模型。

相对于折射误差，电离层延迟对卫星信道造成的影响更为显著，这个问题的解决思路仍然是建立以电离层特性为依据的信道延迟补偿模型（被称为Augmentation System），其目的就是向用户提供电离层延迟修正信息。模型中将电离层假设成位于350 km高的一层薄球壳，如图1所示。两条虚线之间的部分代表电离层球壳，卫星信号经过电离层到达地面上的接收机，在电离层球壳上根据一定规则建立矩形或其他形式的网格；系统主控站利用参考站的观测数据估计得到每个网格点处的电离层延迟（TEC），并发布给用户；用户可以利用接收到的网格点电离层延迟进行内插，获得用户处的电离层修正信息。

这实际上是一种较为理想化的模型。由于电离层具有明显的区域特性和不稳定性，因此，电离层网格模型在应用时存在以下问题待深入研究。

首先，对于中纬度地区而言，电离层变化较为平缓，电离层网格模型可以很好地描述电离层的变化。随着地磁纬度的下降，电离层子午面内出现明显的倾斜，尤其在中国南部地区存在明显的电离层异常现象。电离层倾斜以及电离层异常峰值的存在将影响电离层网格模型的修正精度，并进一步影响卫星导航系统的完好性。

其次，电离层暴也是不可忽视的。伴随电离层暴的发生，将出现电离层TEC增强（或减弱）和更陡峭的电离层TEC梯度变化。电离层的变化很大程度上受太阳活动的影响，在太阳活动高年，太阳黑子、耀斑频发，电离层模型十分复杂，必须有空间天气预报作为保障，实时对模型参数进行调整。

从图2（a）可以看出[4]，2001年（太阳活动高年）3月20日发生的电离层暴在中国南方地区引起的电离层TEC变化达到了近30个TECU单位，该天夜间发生了电离层暴；而在2005年（太阳活动低年）的12月31日同样的时刻，如图2（b）所示，电离层变化很平缓，电离层TEC变化仅为几个TECU单位。这说明电离层暴会引起电离层TEC的增强和剧烈变化。

2.2 卫星接收机对流层电波传播修正方法

对流层空气密度较大，充满云雾等水含量较高的气团，对频率为10 GHz以上的信号传输影响特别大，其影响主要表现在大气对信号的延迟和折射。对流层误差主要采用模型进行修正，其中延迟误差可以表示为：

[dtro=10-16×usersatN?ds] （3）

式中：[N]为大气折射率，与温度、湿度和压力有关。对流层模型中，首先通过建立大气模型，获得温、湿和气压随高度的变化规律，进而获得大气折射率[N]的变化规律，通过上述公式可以获得对流层延迟误差估计。

卫星导航系统中，一般将上述过程简化，获得对流层延迟的经验估计公式。卫星导航系统中经常采用的对流层模型包括Hopfield模型、Saastamoinen模型等。在文献[5]中，Gao认为WAAS（Wide Area Augmentation System）对流层延迟模型适用于中国地区，如图3所示。该模型的出发点是差分校正思想，所谓差分技术是建立在卫星误差的空间和时间相关性基础上的。差分技术中，利用接收机在精确位置进行测量，提取定位中的误差信息，并向附近用户播发；用户利用差分修正信息提高定位精度。差分技术的进一步发展实现了广域差分系统。

广域差分系统中，通过一定数量的地面参考站组成监测网络和同步通信卫星（GEO）对卫星导航系统进行增强。广域差分定位系统主站至用户的链路采用卫星广播的形式，覆盖面广并可向沙漠、海上的用户提供服务，因而具有重要的军事和经济价值。

3 结 论

卫星观测、导航和定位技术在现代环境和气象监测预警以及军事侦察方面发挥着越来越重要的作用，保障卫星信道的畅通是卫星应用中的关节环节之一。由于大气层结构复杂且多变，使之成为了卫星信道上无法绕开的拦路石。对大气层的深入研究发现，卫星信号在大气层中发生的衰减、折射和延迟可以用数学函数近似描述，因此可以建立大气层数学模型对卫星信道进行补偿。考虑到大气层，尤其是电离层和对流层的时变性，信道补偿模型必须是可变参数的，而且要与空间气象和天气预报数据相结合才能充分发挥作用。

参考文献

[1] 何昉，赵正予.电离层对高频电波吸收衰减的影响研究[J].电波科学学报，2009（4）：140?143.

[2] 王卫国，李素琴.一种基于特征向量法的高分辨率GPS多路径信号延迟估计方法[J].信号处理，2009（6）：141?145.

[3]方涵先，杨升高.太阳活动对赤道电离层闪烁影响的初步研究[J].电波科学学报，2012（2）：171?176.

[4] 《电波与信息化》编委会.电波与信息化[M].北京：航空工业出版社，2009.

[5] 高伟星，程鹏飞.WAAS对流层延迟模型及其在网络RTK中的应用[J].测绘科学，2011（3）：82?84.

[6] 刘斌，梁美美，李欣.基于NIOSH的GPS信息接收系统设计与实现[J].现代电子技术，36（6）：105?108.

2.2 卫星接收机对流层电波传播修正方法

对流层空气密度较大，充满云雾等水含量较高的气团，对频率为10 GHz以上的信号传输影响特别大，其影响主要表现在大气对信号的延迟和折射。对流层误差主要采用模型进行修正，其中延迟误差可以表示为：

[dtro=10-16×usersatN?ds] （3）

式中：[N]为大气折射率，与温度、湿度和压力有关。对流层模型中，首先通过建立大气模型，获得温、湿和气压随高度的变化规律，进而获得大气折射率[N]的变化规律，通过上述公式可以获得对流层延迟误差估计。

卫星导航系统中，一般将上述过程简化，获得对流层延迟的经验估计公式。卫星导航系统中经常采用的对流层模型包括Hopfield模型、Saastamoinen模型等。在文献[5]中，Gao认为WAAS（Wide Area Augmentation System）对流层延迟模型适用于中国地区，如图3所示。该模型的出发点是差分校正思想，所谓差分技术是建立在卫星误差的空间和时间相关性基础上的。差分技术中，利用接收机在精确位置进行测量，提取定位中的误差信息，并向附近用户播发；用户利用差分修正信息提高定位精度。差分技术的进一步发展实现了广域差分系统。

广域差分系统中，通过一定数量的地面参考站组成监测网络和同步通信卫星（GEO）对卫星导航系统进行增强。广域差分定位系统主站至用户的链路采用卫星广播的形式，覆盖面广并可向沙漠、海上的用户提供服务，因而具有重要的军事和经济价值。

3 结 论

卫星观测、导航和定位技术在现代环境和气象监测预警以及军事侦察方面发挥着越来越重要的作用，保障卫星信道的畅通是卫星应用中的关节环节之一。由于大气层结构复杂且多变，使之成为了卫星信道上无法绕开的拦路石。对大气层的深入研究发现，卫星信号在大气层中发生的衰减、折射和延迟可以用数学函数近似描述，因此可以建立大气层数学模型对卫星信道进行补偿。考虑到大气层，尤其是电离层和对流层的时变性，信道补偿模型必须是可变参数的，而且要与空间气象和天气预报数据相结合才能充分发挥作用。

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[4] 《电波与信息化》编委会.电波与信息化[M].北京：航空工业出版社，2009.

[5] 高伟星，程鹏飞.WAAS对流层延迟模型及其在网络RTK中的应用[J].测绘科学，2011（3）：82?84.

[6] 刘斌，梁美美，李欣.基于NIOSH的GPS信息接收系统设计与实现[J].现代电子技术，36（6）：105?108.

2.2 卫星接收机对流层电波传播修正方法

对流层空气密度较大，充满云雾等水含量较高的气团，对频率为10 GHz以上的信号传输影响特别大，其影响主要表现在大气对信号的延迟和折射。对流层误差主要采用模型进行修正，其中延迟误差可以表示为：

[dtro=10-16×usersatN?ds] （3）

式中：[N]为大气折射率，与温度、湿度和压力有关。对流层模型中，首先通过建立大气模型，获得温、湿和气压随高度的变化规律，进而获得大气折射率[N]的变化规律，通过上述公式可以获得对流层延迟误差估计。

卫星导航系统中，一般将上述过程简化，获得对流层延迟的经验估计公式。卫星导航系统中经常采用的对流层模型包括Hopfield模型、Saastamoinen模型等。在文献[5]中，Gao认为WAAS（Wide Area Augmentation System）对流层延迟模型适用于中国地区，如图3所示。该模型的出发点是差分校正思想，所谓差分技术是建立在卫星误差的空间和时间相关性基础上的。差分技术中，利用接收机在精确位置进行测量，提取定位中的误差信息，并向附近用户播发；用户利用差分修正信息提高定位精度。差分技术的进一步发展实现了广域差分系统。

广域差分系统中，通过一定数量的地面参考站组成监测网络和同步通信卫星（GEO）对卫星导航系统进行增强。广域差分定位系统主站至用户的链路采用卫星广播的形式，覆盖面广并可向沙漠、海上的用户提供服务，因而具有重要的军事和经济价值。

3 结 论

卫星观测、导航和定位技术在现代环境和气象监测预警以及军事侦察方面发挥着越来越重要的作用，保障卫星信道的畅通是卫星应用中的关节环节之一。由于大气层结构复杂且多变，使之成为了卫星信道上无法绕开的拦路石。对大气层的深入研究发现，卫星信号在大气层中发生的衰减、折射和延迟可以用数学函数近似描述，因此可以建立大气层数学模型对卫星信道进行补偿。考虑到大气层，尤其是电离层和对流层的时变性，信道补偿模型必须是可变参数的，而且要与空间气象和天气预报数据相结合才能充分发挥作用。

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