對流層散射傳輸損耗預(yù)測*

宋 達，張海勇，賀 寅，夏吉業(yè)

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

0 引言

對流層散射通信是利用對流層中的不均勻體[1]對超短波、微波進行前向散射來實現(xiàn)超視距無線通信的方式[2]，傳播媒質(zhì)永恒存在[3]，在國內(nèi)外超視距通信中占有重要作用[4]。相比于其他的通信方式，對流層散射有其獨特的優(yōu)勢和特點,與短波超視距通信相比，通信距離不如短波，但是其信道容量和信道可靠程度優(yōu)于短波；與微波通信相比，通信容量不及微波，但是通信單跳大于微波，在視距受阻的情況下優(yōu)勢比較明顯；與衛(wèi)星通信相比，通信距離、容量和質(zhì)量都不如衛(wèi)星通信，但是對流層散射通信不易受到敵方監(jiān)視與干擾，不必占用衛(wèi)星頻率資源，能夠?qū)崿F(xiàn)自主通信[5]。

對流層散射有著較多優(yōu)點的同時，其缺點也非常明顯。對流層散射通信是電磁波發(fā)射到對流層時，電磁波使對流層中的散射體變成電偶極子后再向四面八方進行散射，從而使接收方接收到信號，因其特殊的傳輸機理導(dǎo)致對流層散射傳輸損耗較大，只有百萬分之一的能量可以到達接收機[6,7]。因此準確預(yù)算對流層散射傳輸損耗，對對流層散射傳輸系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用有著重要的影響。

在對流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測方面，我國張明高院士通過對國內(nèi)外大量實驗數(shù)據(jù)進行分析，提出了對流層散射預(yù)測方法，該方法于1992 年被ITU-R.P.617-1[8]建議采納，之后進行了氣候區(qū)地圖、概率損耗擬合等公式的改進，升級到ITU-R.P.617-3，但未改變主體預(yù)測方法。另外，ITU-R.P.617-3 于2017 年升級到ITU-R.P.617-4，而2019 年升級為ITU-R.P.617-5，并更新了傳輸損耗預(yù)測方法?；贗TU-R.P.617-5 模型，通過對對流層散射鏈路傳輸損耗進行分析，得出了考慮天線架高、大氣吸收和天線方位角情況下的對流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測模型，并通過ITU 發(fā)布的實測數(shù)據(jù)進行驗證，證明該模型的準確性。

1 ITU-R.P.617-5 損耗預(yù)測方法

ITU-R.P.617-5 建議書給出的對流層散射傳輸損耗預(yù)測中值為：

其中氣候因子F為：

hs:地球表面海拔高度（km）

hb:可根據(jù)不同的氣候條件統(tǒng)計確定的垂直高度（km）。全球平均垂直高度可由hb=7.35 km 定義，并可供參考。

氣候因子F中的平均海平面折射率N0和平均年無線電折射指數(shù)遞減率dN可通過查詢ITU-R.P.617-5 建議書獲得。

散射角θ為：

其中θt和θr分別為發(fā)收機和接收機的水平角，θe為：

d為傳輸路徑長度，a為有效地球半徑，k為地球有效半徑因子。

在標準條件下，海面折射率N0=318N單位，折射率梯度為dN/dh≈-40N單位/千米，帶入公式（5）中得出k=4/3。

口面介質(zhì)耦合損耗Lc為：

Yq為估算q時間百分比內(nèi)不超過的轉(zhuǎn)換因子：

2 對流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測模型

ITU-R.P.617-5 建議書中給出的傳輸損耗中值包含了主基本傳輸損耗和口面介質(zhì)耦合損耗，但當使用拋物面天線進行對流層散射通信時的方位角偏移損耗、大氣吸收損耗和天線架低損耗沒有進行考慮。

2.1 大氣吸收損耗

當無線電在空氣中傳播時，大氣中的空氣和水汽會對無線電進行吸收，從而造成無線電信號的衰減，這種信號衰減稱為大氣吸收損耗。在晴空大氣環(huán)境下，大氣吸收損耗計算公式LA為：

其中A(d)為與傳輸距離相關(guān)的量，d為傳輸距離，單位為km，B(f)為與傳輸頻率相關(guān)的量，f為傳輸頻率，單位為MHz。

當使用拋物面天線進行對流層散射通信時，經(jīng)常使用的傳輸頻段為：L、S、C、X 頻段，因此取傳輸頻率為1GHz-10GHz,傳輸距離為100km、200km、300km,通過仿真得出：

如圖1 所示，傳輸距離一定時，隨著傳輸頻率的增加，大氣吸收損耗在逐漸增大，傳輸頻率一定時，大氣吸收損耗隨著傳輸距離的增加在逐漸增大。隨著傳輸距離的增加，大氣吸收損耗大于1dB 所需要的傳輸頻率在逐漸減小，因此當進行對流層散射通信時，要根據(jù)傳輸距離與傳輸頻率確定大氣吸收損耗是否忽略不計。

2.2 天線架低損耗

當天線高度較低時，電磁波的波峰與波谷隔得很遠，這時散射公共體下相當多的部分接近波谷，導(dǎo)致部分散射場被地面反射取消或者消弱，從而造成相應(yīng)的損耗，即為天線架低損耗,天線架低損耗LR的計算公式為：

圖1 傳輸頻率對大氣吸收損耗的影響

LbR1為發(fā)射端天線架低損耗，LbR2為接收端天線架低損耗。

Θ10，Θ20為發(fā)、收雙方視平線與收發(fā)點連線間的夾角，H為最低散射點到天線高度，h為最低散射點離地高度，hte為天線架高，λ為波長。

最低散射點到天線高度H為：

最低散射點離地高度h為：

當傳輸距離為200km,發(fā)射機和接收機水平角為0，傳輸頻率為1GHz，天線架高為3m-12m 時，通過計算得出天線架高與波長的比值和天線架低損耗的關(guān)系。

如圖2 所示，傳輸頻率為1GHz，天線架高為3m 時，天線架高與波長比為10，天線架低損耗為6.4dB；天線架高為10.5m 時，天線架高與波長比為35，天線架低損耗為1dB；天線架高為12m 時，天線架高與波長比為40，天線架低損耗為0.8dB。隨著天線架高與波長比的增加，天線架低損耗在逐漸減小，因此當進行對流層散射通信時，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量架高天線，使天線架高與波長比增大，從而減小天線架低損耗。

圖2 天線架高與波長比對天線架低損耗的影響

2.3 方位角偏移損耗

使用拋物面天線進行對流層散射通信時，因拋物面天線具有指向性，當收發(fā)天線波束對準時為最佳指向，當收發(fā)天線波束偏離最佳指向，或信號到達接收點時偏離天線主軸而產(chǎn)生的傳輸損耗為方向角偏移損耗，方位角偏移損耗Lah的計算公式為：

方位角偏移損耗是因發(fā)、收端天線波束在方位上彼此對得不準，散射信號在方位角上偏離接收天線主軸，以及附加的散射傳輸損耗所造成的。

最佳方位角為：

相應(yīng)的：

方位角偏移損耗為：

Lah1為發(fā)射端方位角偏移損耗，Lah2為接收端方位角偏移損耗。

Ψh1為發(fā)射天線水平寬度，Ψh2為接收天線水平寬度，φ10為發(fā)射端主軸方位角，φ20為接收端主軸方位角。取傳輸距離為200km，發(fā)射天線水平波束寬度為2°,接收機方位角為0°，發(fā)射機的方位角取值為-2～2°，通過計算得出：

如圖3 所示，當方位角為0 時，為最佳指向，此時方位角偏移損耗為0。方位角為-2°～0°和0°～2°時方位角偏移損耗相同。隨著方位角的增大，方位角偏移損耗逐漸增大，因此當進行對流層散射通信時，應(yīng)盡量使收發(fā)天線波束對準，從而減小方位角偏移損耗。

圖3 方位角偏移損耗

2.4 對流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測模型

根據(jù)上述方法得到對流層散射鏈路傳輸損耗模型為：

以ITU 發(fā)布的數(shù)據(jù)為參考[9]，對流層散射鏈路傳輸損耗模型和ITU-R.P.617-5 模型計算結(jié)果與實際傳輸損耗對比得出：

表1 實測數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果

從表1 中可以看出，考慮大氣吸收損耗、天線架低損耗和方位角偏移損耗后的對流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果與實測傳輸損耗的平均誤差為3dB,與ITU-R.P.617-5 計算模型相比，降低了傳輸損耗預(yù)計誤差，為散射通信系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種參考。

3 結(jié)語

實際鏈路測試表明，當使用對流層散射通信時，需要考慮天線架低損耗、大氣吸收損耗和方位角偏移損耗。基于ITU-R.P.617-5 計算模型，對對流層散射鏈路進行分析，給出考慮了天線架低損耗、大氣吸收損耗和方位角偏移損耗的對流層散射鏈路傳輸損耗預(yù)測方法，預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較吻合，為使用對流層散射通信系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用提供了比較準確的依據(jù)，具有實用價值。