对流层环境对地空传播特性影响研究.doc
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1、分类号分类号 密级密级 UDC 编号编号 电子科学研究院电子科学研究院 硕士硕士学位论文学位论文 对流层环境对地空传播特性影响研究对流层环境对地空传播特性影响研究 Influence of troposphere on radio propagation on Earth- Space paths 林 乐 科 指导教师 赵振维 研究员 学科专业名称 电磁场与微波技术 论文提交日期 二零零四年二月 论文答辩日期 培养单位 中国电波传播研究所 学位授予单位 电子科学研究院 答辩委员会主席 I 摘摘 要要 对流层环境,特别是降雨是影响 10GHz 以上频段地空无线电系统的重要因素, 地空无线电系统规
2、划设计必须考虑对流层传播特性。本文系统论述了影响 10GHz 以上频段地空路径电波传播的环境特性、传播预测方法和抗衰落方法,并对降雨 及其传播特性进行了重点研究: 1 在我国 6 个典型地区实测降雨数据的基础上,提出了我国 10 分钟和 5 分钟降 雨统计与 1 分钟降雨统计的统一转换模式,这一模式可较好地用于我国不同 地区的降雨率转换。 2 基于我国 56 个台站的降雨最坏月统计和世界不同地区的降雨最坏月统计,得 到我国降雨率最坏月转换的分区(南方区、北方区、戈壁区)模式和全球分 区(热带、亚热带和温带常湿区,温带、极区和戈壁区)最坏月转换模式,分 区转换模式具有较好的转换精度,并可方便地用
3、于不同地区降雨最坏月统计 的转换; 3 基于 ITU-R 的地空雨衰减数据和 ITU-R 雨衰减预测模式,综合考虑雨衰减的 物理过程,得到一种改进的地空传播雨衰减预测模式,改进了 ITU-R 模式中 等效路径因子、不同概率衰减与 0.01%降雨衰减的换算公式。与 ITU-R 数据库 数据进行的误差比较与分析表明,改进模式在预报性能上优于 ITU-R 模式, 同时其总衰减预报结果也较 ITU-R 模式为优。 4 基于 ITU-R 与 OPEX 数据库的地空雨致交叉极化数据和二阶小变量近似的预报 模式,提出了一种改进的雨致交叉极化预报模式。与其它模式比较表明,这 一模式的预测精度有了明显提高, 5
4、 利用我国各地气象台站实测 10 分钟积分时间降雨率转换得到的 1 分钟积分时 间降雨率数据,生成了中国地区 0.01%时间概率降雨率电子地图,其精度较 ITU-R 数据有较大提高。 本文的研究结果和得到的预报模式可改善传播预测精度,提高地空无线电系统传 播设计的可靠性。 关键词:关键词:对流层电波传播,地空通信,降雨率分布,最坏月,雨衰减,交叉极化,抗 衰落措施 II Abstract The troposphere, essentially rain,have important effects on the performance of earth- space systems oper
5、ating at frequencies above 10GHz, for the proper planning of Earth-space systems it is necessary to have appropriate tropospheric propagation data and prediction techniques. In this thesis, climatic statistical characteristics and prediction techniques and fade mitigation methods are reviewed system
6、atically. The rain and its propagation characteristics are mainly studied, and the main results obtained are the bellowing: Based on the rainfall rate data measured from 6 locations in China during 2 years and Burgueos conversion method, the conversion model in China is developed for 1-minute rainfa
7、ll rate statistics from 5 and 10-minute integration time data, and the model can be used in different rain zone in China with good accuracies. For the conversion of annual statistics to worst-month statistics for rainfall rates, three subregion models based on the parameters obtained by the rain rat
8、e data of 56 stations in China are developed for south China, north China and desert regions in China. The conversion results of subregion models have good agreements with the results of 56 stations. In the meantime, based on various parameters in ITU-R P.841 for different region in the world and th
9、ree subregions in China, two new semi-global models are developed for tropical, subtropical and temperate climate regions with frequent rain and for dry temperate, polar and desert regions. The semi-global models have better accuracy and can be used more conveniently in most region of the world than
10、 various parameters recommended by ITU-R P.841. Based on rain attenuation data of earth-space paths in ITU-R database and rain attenuation theory, a new method to predict the long-term statistics of the slant-path rain attenuation is presented, where the new path adjustment factor and the formula fo
11、r estimating the exceeded attenuation of other percentages of an average year from the exceeded attenuation of 0.01% of an average year are developed. Comparisons of this model and current ITU-R model with the data of ITU-R DBSG5 database show that this model improves the accuracy of rain attenuatio
12、n prediction, and it have more simple procedure for calculating the attenuation distribution. Meanwhile the total attenuation predicted with this model also have better accuracies than ITU-R model. Based on the data in ITU-R database and OPEX(OLYMPUS PROPAGATION EXPERRIMENTS) database and the two-or
13、der small argument approximation for rain- induced XPD, an improved model of hydrometeor-induced cross-polarization prediction is developed, which have better agreement with the measured data than the ITU-R models. The digital map of exceeded rainrate of 0.01% of an average year in China is obtaind
14、by using the statistical data from 65 station, which obtains better results than that computed by ITU-R model. The results obtained and the new prediction models developed in this thesis can improve the prediction of propagation effects, which is essential for earth-space system design. III Key word
15、s: tropospheric radio wave propagation, Earth-space communication, distribution of rainfall rate, worst month, rain attenuation, cross polarization, fade mitigation 目目 录录 第一章 绪 论.1 IV 1.1 研究背景和意义1 1.2 对流层地空传播特性研究概况2 1.3 对流层地空传播特性在地空通信系统设计中的应用4 1.4 论文安排与主要研究成果5 第二章 对流层电波环境特性8 2.1 对流层环境对地空电波传播的影响8 2.2
16、 我国不同积分时间降雨率的统一转换模式9 2.3 降雨率的最坏月分区转换模式研究15 2.4 环境特性栅格数据及其在地空传播预测中的应用5921 2.5 我国降雨率分布电子地图23 2.6 小结与讨论25 第三章 雨衰减特性研究.27 3.1 引 言.27 3.2 雨衰对数字通信链路的影响计算697027 3.3 特征雨衰减计算29 3.4 雨顶高度31 3.5 ITU-R 地空雨衰减预报模式32 3.6 地空路径雨衰减预报模式改进34 3.7 模式比较36 3.8 小结与讨论39 第四章 雨致交叉极化特性研究.40 4.1 引 言40 V 4.2 卫星信号的极化40 4.3 降雨的去极化机理
17、43 4.4 雨致交叉极化的小变量近似45 4.5 雨致交叉极化的预报模式46 4.6 预报模式的比较研究48 4.7 小结49 第五章 地空路径综合衰减研究.51 5.1 引 言51 5.2 自由空间衰减51 5.3 大气吸收52 5.4 闪烁衰落24.53 5.5 云衰减54 5.6 大气综合衰减预报模式24.56 5.7 小结57 第六章 抗衰落对策综述.58 6.1 引 言58 6.2 站址分集59 6.3 上行链路功率控制60 6.4 自适应调制技术11761 6.5 自适应去极化对消技术114119.63 6.6 衰落对策对对流层传播研究的要求11964 第七章 结 束 语66 V
18、I 附录 A 内插算法67 附录 B 遗传算法.69 附录 C 日凌中断.75 参考文献79 致谢.88 攻读硕士期间发表的论文89 论文应用与引用.90 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景和意义和意义 信息社会的飞速发展对信息传递提出了更高的要求,促使通信技术快速发展,不 断涌现出新的通信方式和通信体制。卫星通信也不例外,由于其不可替代的特性与固 有的优点,已成为实现远距离通信的重要手段。以往的卫星通信多使用 Ku 以下频段, 致使 Ku 以下频段频谱拥挤的问题日益突出,同时也难以适应互联网时代对通信大容量、 低成本和便携性等提出的新要求,卫星通信向更高频段
19、推进已成为必然趋势。 本文主要研究 10GHz 以上频段固定卫星通信传播特性,部分研究成果也可应用于 10GHz 以上频段卫星移动通信、平流层通信等的传播设计。10GHz 以上频段中, Ku 频段(12/14GHz)已广泛应用卫星通信和电视广播,但仍难以满足用户对大容量宽带业 务的需求,Ka 及 EHF 频段成为下一代卫星通信的重要发展方向。由于 Ka(20/30GHz) 及以上频段具有大容量、抗干扰、设备体积小等优点,日益引起科学研究与工程应用 领域的广泛关注。大容量意味着需要更大带宽以及更高传输速率,Ka 频段可用带宽高 达 3.5GHz,是理想的宽带地空通信频段。因为 Ka 及以上频段具
20、有极强的扩、跳频能 力、窄波束,再加上大气衰减对波束外窃听和干扰的限制,因此其具有更好的保密性、 安全性和抗干扰性,同时也有利于系统间和系统内的电磁兼容性(EMC),例如,对地 静止轨道上 30/20GHz 卫星可按 1的间隔来配置,可比 C 频段配置卫星的数目增加一 倍1。由于 Ka 及以上频段容易实现窄波束,可获得高的 EIRP 值,从而减小地面终端 (主要是天线)尺寸,例如,工作于 44GHz 的 3 米天线,可获得 60dBi 的增益, 其 半功率波束宽度约为 0.16,而工作于 8GHz 时为获得相同的天线增益和半功率波束宽 度,天线口径需增加到 16 米1。以上这些优点对军事通信是
21、特别有利的。 1974 年美国 NASA 在仙童公司研制的 ATS6(应用技术卫星 6)上进行过 20、30GHz 的传播试验,开辟了 Ka 频段卫星传播和通信实验的先河23。日本于 1983 年发射的 CS-2 卫星45,则是世界上第 1 颗搭载 Ka 频段转发器的实用通信卫星。进 入 20 世纪 90 年代末至 21 世纪初,由于元器件制造技术的进步以及信息时代发展的需 求,欧美发达国家普遍开展 Ka 及以上频段卫星通信技术研究与军事、商业应用。总部 设在荷兰的新天空卫星公司(New Skies Satellites)于 2002 年 12 月 17 日发射升空的 NSS- 6 卫星,定点
22、于东经 95 度, 星上带有 50 个 Ku 波段转发器和 12 个 Ka 波段转发器,信 号可覆盖中国大陆6。在最近几年当中,一批新一代的卫星通信系统已经或行将问世, 除个别系统采用 Ku 频段外,大多使用 Ka 频段,部分系统及参数见表 1-11。 Ka 及以上频段也广泛应用到军事卫星上。例如,美国的海军舰队卫星通信系统 (Fltsatcom)、国防部军事战略战术中继卫星(Milstar)、特高频后续卫星通信系统 对流层环境对地空传播特性影响研究 2 (UFO)、跟踪与数据中继卫星通信系统(TDRSS),英国的天网 4(Skynet 4)卫星,法国的 第三代军事卫星通信系统 Syracus
23、e ,日本的超鸟通信卫星等军事卫星均搭载了 Ka 至 EHF 频段有效载荷789。 1971 年美国 Sky Station International Inc. 提出了“平流层通信业务”(STS, Stratospheric Telecommunicaion Services)的新设想,其通信方式类似于 VSAT 卫星 通信的企业专用网方式,综合考虑覆盖范围、系统造价、通信质量、维修成本等因素, 平流层通信相比卫星通信有一定的优越性。在军事应用领域,平流层通信系统由于架 设简便,成本低,更便于实现一定战区范围内的移动通信。有鉴于此,美国、印度、 英国、意大利和日本等国相继开展了研究,并取得了
24、一定的成果。平流层通信一般选 择在毫米波段。ITU-R SG9 会议为 Sky Station International Inc.建议的频段为上 行 47.2-47.5GHz,下行为 47.9-48.2GHz。日本选择了 Ka 频段(上行 31.0-31.3GHz,下行 为 27.5-28.35GHz),并得到了 WRC-00 的认可1011。 我国下一代通信卫星也将使用 Ka 频段,EHF 频段也将是未来的发展方向。因此 开展 Ka 乃至更高频段卫星信道传播特性的研究已是迫在眉睫。对 Ka 及以上频段卫星 通信信道传播的环境制约因素进行深入研究,对提高卫星通信系统传播设计可靠性和 充分利用
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- 关 键 词:
- 对流层 环境 传播 特性 影响 研究
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