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title: 大气传播
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tags: troposphere, ionosphere, scintillation, attenuation, fade
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summary: 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。
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# 大气传播
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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。
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## 定义
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**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。
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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。
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## 数学含义
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### 对流层衰减
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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。
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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
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$$
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\gamma = \frac{k R^{\alpha}}{\cos\theta}
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$$
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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。
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### 雨衰落
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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。
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### 电离层闪烁
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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。
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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。
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## 单位约定
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- 衰减与闪烁：分贝；指数无量纲。
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- 雨强：毫米每小时；模型按该单位制表。
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- 自由电子含量：电子每平方米，或用 TEC 单位。
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- 频率：吉赫；损耗按其平方或更高次幂标度。
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## 适用边界
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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。
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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。
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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。
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## 标准
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- 比衰减：ITU-R P.838
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- 交叉极化与雨：ITU-R P.618
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- 闪烁：ITU-R P.1546
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- 区域雨强数据：ITU-R P.837
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## 另见
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- [[link-budget]]：这些项进入的算术
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- [[access-and-availability]]：几何是否允许过境
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- [[doppler-and-rate]]：测量所受的损害 |