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大气传播 troposphere, ionosphere, scintillation, attenuation, fade 卫星与接收机之间的空气对信号做了什么,以及它在某个频段很小、在另一个频段却是决定性的。

大气传播

卫星到接收机的信号路径穿过大气。约 10 GHz 以下大气近乎透明,唯一损耗来自几何。之上同一片空气成为预算中最大的单项,而在约 30 GHz 以上它可能就是链路根本闭合不了的原因。

定义

衰减是沿路径的信号功率下降。闪烁是由折射不规则性引起的幅度与相位的快速起伏。衰落是接收信号降到链路可用门限以下的区间,无论原因是衰减、闪烁还是几何。

这三者是机制不同、频率不同、缓解手段也不同,分开对待的设计不会自动涵盖其余。

数学含义

对流层衰减

约 10 GHz 以下晴空衰减是氧气与水汽两项贡献之和,各有其质量吸收曲线。它很小,在海平面约为几分贝,且在一次过境中近乎恒定。

约 10 GHz 以上水汽开始显著,约 30 GHz 以上它占主导。给定雨强的比衰减为


\gamma = \frac{k R^{\alpha}}{\cos\theta}

其中 R 为雨强、\theta 为天顶角,k 与 \alpha 依赖频率。1 / \cos\theta 就是低仰角过境严重的原因:在地平线上十度处,穿过该层的路径约长六倍。

雨衰落

衰落持续时间取决于终端相对雨胞移动的快慢。高仰角穿过小雨胞给出短而深的衰落,低仰角给出长而浅的。因此设计缓解措施取决于过境几何,不只取决于雨强。

电离层闪烁

约 1 GHz 以上电离层成为折射介质。自由电子含量产生正比于频率平方倒数的相移,而沿路径的不规则性产生快速起伏。闪烁指数是通用度量。

该效应在磁赤道附近、以及约 10 至 20 UTC 的等离子体频率峰附近最严重,也正是同一时刻一个站可用、另一个站不通的原因。

单位约定

  • 衰减与闪烁:分贝;指数无量纲。
  • 雨强:毫米每小时;模型按该单位制表。
  • 自由电子含量:电子每平方米,或用 TEC 单位。
  • 频率:吉赫;损耗按其平方或更高次幂标度。

适用边界

频段决定一切。在 1 至 10 GHz——覆盖有用频谱的很大一部分——大气只是预算中的一个细节;在 Ku 波段它是一个设计数值;在 Ka 及以上它就是设计本身。

大气的失效还有一个链路预算看不出的方向:闪烁取决于路径与时间的衰落,而非累积损耗,因此裕量充足的链路仍会劣化。

这就是现代星座对不同壳层使用不同频段与不同缓解手段的原因,也是把用户切换进入闪烁活跃区的切换被排程而非机会执行的原因。

标准

  • 比衰减:ITU-R P.838
  • 交叉极化与雨:ITU-R P.618
  • 闪烁:ITU-R P.1546
  • 区域雨强数据:ITU-R P.837

另见