海上卫星移动通信传播损耗仿真研究

杨超然 常广平 常江涛

摘 要 文章研究了地空微波传播的特性，分析在海上卫星移动通信中微波传播损耗的原因，并计算由平静海面反射与散射信号造成的衰落。仿真计算结果表明平静海面造成的信号衰落值比较小，在设计卫星通信链路时在信号自由空间传播损耗的基础上留出一定余量即可。

关键词 地空微波通信；传输损耗；信号衰落

中图分类号 TN92 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）226-0006-05

受地理条件等因素限制，地面蜂窝通信系统不可能做到全球无缝覆盖。如：海洋、极区、沙漠、山区还没有地面通信网的覆盖，因而野外勘探、飞机飞行、船舰航行、旅游探险、海上或野外紧急搜救等活动需要一种不受地域等条件限制的通信手段，在这方面卫星通信独具优势。卫星通信具有超大覆盖范围、超远通信距离、通信容量大、不受地理条件限制、性能稳定等优点，能解决航空、航海与偏远地区用户通信需求。卫星通信几乎包括地面通信业务的所有类型[ 1 ]。

卫星通信的无线电信号要穿越大气层中对流层、同温层、电离层，所以卫星通信中主要使用微波频段。卫星通信是微波通信的一种方式，微波的传播特性决定卫星通信的效果，分析研究微波传播特性对于卫星通信有着重要的意义。本文根据微波传播特点，分析卫星移动通信中微波在海上传播的损耗，探索精确预测海上卫星移动通信中微波传播衰减的方法[ 2 ]。

1 卫星通信系统

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个和多个地球站之间进行的通信。它是在微波通信和航天技术基础上发展起来的无线通信技术[3]。

1.1 世界卫星通信系统

低轨道卫星通信系统（LEO）距地面700km～1 500km。低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，其链路损耗小。中轨道卫星通信系统（MEO）距地面10 000km左右，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大。高椭圆轨道（HEO）距地面最近点为10 000km～21 000km左右，最远点为40 000km～50 000km。同步轨道卫星通信系统（GEO）距地面35 786km，即同步静止轨道[ 4 ]。

凡是移动的卫星和固定的终端、固定的卫星和移动的终端或二者均移动的通信系统，均称为卫星移动通信系统。已建成并投入应用的通信系统主要有：铱星（Iridium）系统、全球星（Globalstar）系统、轨道通信（Orbcomm）系统、国际移动卫星（Inmarsat）系统等。

1.2 国内卫星通信系统

1970年我国第一颗卫星（DFH-1）发射成功，1984年发射第一颗试验通信卫星，1997年我国发射第三代通信卫星（DFH-3）。到2005年，我国已建成国内卫星通信网，初步解决边远地区通信问题。

继卫星通信系统后，我国开始建设卫星导航系统。北斗卫星导航系统 （Beidou Navigation Satellite System）已经有20多年开发历史，预计2020年完成。其优点有：定位与通信相结合，定位与位置报告同时完成。

中国北斗通信链路可组成任意形式的差分信息，满足高精度用户需求。北斗卫星导航系统不仅具有与GPS系统相同的全球导航定位功能，而且还具有全球搜寻援救SAR（search and rescue） 功能。北斗卫星导航系统由27颗MEO卫星+5颗GEO卫星+3颗IGSO卫星构成，共有35颗卫星，以提供全球覆盖[5-6]。

2 微波傳播特性

卫星通信的主要频段属于微波频段。微波频段从300MHz～300GHz，包括很宽的频率域。微波频段又分成若干个子频段，如：L频段的频率范围为：1.12GHz～1.70GHz，C频段的频率范围为：3.95GHz～5.85GHz，Ku频段的频率范围为：12.4GHz～18.0GHz，Ka频段的频率范围为：26.5GHz～40.0GHz等。卫星微波通信主要采用空间直射波，即无线电波的传播路径中完全没有任何阻碍。在卫星通信中，无线电波穿过大气层沿倾斜路径传播[ 2 ]。

2.1 引起微波传播损耗的因素

影响微波传播的因素主要是大气层中的对流层，对流层中的气体成分（特别是水汽）、水凝体（雨、雾、雪、雹）、沙尘等因素会引起微波衰减。如果忽略空气的影响，可以认为无线电波是在自由空间中传播，要计算自由空间传播损耗。如果考虑大气层对无线电波的折射、吸收、散射等作用，传输损耗还要包括大气吸收损耗、降雨损耗和电离层闪烁造成的损耗等[2-4]。

2.1.1 自由空间传播损耗

卫星发射的信号经过自由空间传播后，地球接收站接收到的功率为

2.1.2 大气吸收损耗

微波在大气中传播时，大气中的水汽和氧气会吸收微波的能量，造成衰减。大气吸收主要发生在10GHz以上的频段。当频率低于10GHz，仰角大于5度，大气吸收影响基本可以忽略。

2.1.3 降雨损耗

雨滴是造成卫星通信系统性能降低的主要原因之一。降雨会吸收与散射无线电波，削弱信号电平、增加噪声温度、削弱交叉极化鉴别。对于10GHz以上的频率，雨衰减是严重的，对10GHz以下的无线电波雨衰减效应比较小。目前，宽带卫星通信系统主要采用Ka、Ku频段以获得较宽的可用带宽和较小的地面站天线口径，但这些频带的电波传播特性受降雨损耗的影响较大[ 1 ]。

2.1.4 电离层闪烁造成的损耗

电离层的电子密度不均匀且随时变化，会引起穿越电离层的无线电波聚焦与散焦，造成无线电信号的振幅、相位、到达角、极化状态等发生不规则变化，形成电离层闪烁现象。电离层闪烁在地磁赤道地区、极区比较严重。在超短波频段，电离层闪烁损耗是比较严重的。在1GHz以上的频段，电离层闪烁损耗基本上可以忽略[2-4]。

2.1.5 多普勒频移造成的损耗

当卫星与用户终端、卫星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的信号发生频移。圆轨道多普勒频移表达式：

其中Dv为卫星与用户的相对运动速度，C f为信号频率，c为光速，θ为卫星与用户连线和速度Dv方向的夹角。表1列出了GEO、MEO和LEO卫星系统工作在C频段时的最大多普勒频移的典型值[3-4]。

由表2可知，在1GHz～10GHz频段，信号受到的各种衰减比较小，因而卫星通信的主要频段是1GHz～10GHz频段。此时卫星链路的传输损耗主要是自由空间传播损耗，这部分损耗占整个传输损耗的绝大部分。

3 海上卫星移动通信的传播损耗仿真研究

海上通信过去一般采用短波通信，但短波通信存在严重衰落现象，抗干扰能力差。1976年卫星通信开始在海上使用，建立了海事卫星通信系统。

海上卫星移动通信的特点是：海面较为平坦时（浪高小于3米），镜面反射强烈，海面漫反射相对较弱，船舶在海上的活动范围较大。船舶在接收卫星通信的信号时，海面反射和散射引起信号衰落。相对陆地而言，海面反射波引起接收信号衰减较强，海面散射波引起接收信号衰减较弱，所以在海上卫星通信主要考虑由反射波与直达波相干叠加产生的干涉衰落[2-4]。

在卫星海上移动通信中，使用圆极化波。在海面地空传播引起的T%时间不被超过的衰落深度（ ）F T计算公式如下：

根据上面计算的数据可求出在海水盐度为2.8%，温度为15℃，无线电信号频率为2GHz时，在海面上地空传播引起的99.5%时间不被超过的衰落深度F（T），如表4所示。

表4中数值在-4dB～-1dB之间，而无线电信号频率为2GHz时，电波的自由空间传播损耗约为190dB。在地空微波通信链路分析中，自由空间传播损耗是主要部分，其他因素的损耗占全部损耗的2%左右。

4 结论与讨论

卫星微波通信的频段主要在1GHz～10GHz，此时信号受到大气吸收、雨雪损耗、电離层闪烁损耗等因素的影响相对较小。在海上卫星移动通信中，除了上述损耗，还要考虑海面反射和散射引起的损耗。当海面较为平静时，反射损耗较强，散射损耗较弱，此时主要考虑反射波引起的干涉衰落。仿真研究结果显示：海上卫星移动通信链路中的传播损耗主要是自由空间传播损耗，其他因素造成的损耗占全部损耗的2%左右。因而设计海上卫星移动通信链路时，在自由空间传播损耗的基础上留出一定余量即可。

参考文献

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