华夏看点网08月01日小杨来为大家解答以上问题，卫星轨道高度与信息传输速率，地球同步轨道卫星信道模型分析及实现）很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！
郭业才， 袁 涛， 周润之， 张秀再
(南京信息工程大学 电子与信息工程学院, 江苏 南京210044)
： 为研究地球同步轨道卫星信道的传播特性，依据星地链路空间分布情况，研究了自由空间损耗、电离层闪烁、大气吸收、多径及阴影对信道链路的影响；根据天气状况的“好”与“坏”，提出了地球同步轨道卫星信道的Rice模型和Suzuki模型，并用两状态Markov巧妙地联系在一个动态模型中，以反映天气变化带来的状态之间的转换；最后设计了信道模型的实现方法。仿真结果表明，所提模型仿真数据与实测数据具有很好的一致性。
： TN927.23文献标识码： A文章编号： 0258-7998(2014)08-0098-03
卫星信号传播特性是卫星通信技术中最基础的研究之一[1]。通过数学方法建立卫星信道模型可较准确地反映信道真实物理传播特性[2-4]。本文以地球同步轨道卫星和地面接收站之间链路为对象，先分析自由空间损耗、电离层闪烁、大气吸收、多径及阴影对信道链路的影响，再根据天气状况的“好”与“坏”，建立卫星信道Rice模型和Suzuki模型，视为两状态Markov链动态模型，以描述天气状态的转换，并给出信道模型的实现方法。
1 地球同步轨道卫星信道传播特性
现分析星地链路中自由空间损耗、电离层闪烁、大气吸收、多径阴影效应的特性。
1.1 自由空间损耗
同步卫星在36 785 km的高空中，由卫星向地面接收站传播的信号首先经历外层空间，外层空间含有密度很低的物质。由于信号在自由空间经历的路径很长，占总路径的95%以上，因此对静止卫星通信链路而言，自由空间损耗Lf是最主要的损耗，其具体计算方法为:
式中，R为传输距离，载波波长。因为卫星通信系统设计时，载波波长是确定的，所以自由空间损耗只与路径长度有关。
1.2 电离层闪烁效应
卫星信号经过外层空间后，依次通过散逸层、热层和中间层，这几层物质处于部分电离或完全电离的状态,能使无线电波改变传播速度。其中，电离层闪烁[5]的影响比较明显，它与季节、频率、观测点的几何位置有很大关系,通常用幅度闪烁指数S4来定量描述这种闪烁效应，S4为每分钟信号强度S的标准差与均值的比值，计算方法为:
式中，<·>为时间均值；S4为电离层闪烁的强度大小。
1.3 大气吸收损耗
电波信号由上而下依次经过平流层和对流层，它们集中了几乎所有的大气和水蒸气，其中臭氧、氧气和水蒸气会对电波传播造成损耗。大气吸收损耗主要与电波的频率、地面站天线波束仰角、地面站海拔高度及水蒸气密度有关，且随着频率升高，损耗明显增加，因此在通信线路设计时必须考虑大气吸收损耗。主要是H2O和O2引起的大气吸收损耗，即:
其中，下标L可分别代表水蒸气或氧气；L为损耗系数；h为有效高度；为仰角。
1.4 多径、阴影传播效应
当终端所处地区为浓雾环境时，信号在传播过程中由于雾的阻碍产生多径效应，会造成信号传播方向的改变及强度的变化，从而导致多径衰落。接收信号的包络服从Rayleigh分布[4]，幅度a1的概率分布函数为:
其中，12为a1的功率；a1=a1(t)是时间t的函数。
与此同时，卫星信号在传播的过程中经历诸如云层、树木环境时，信号会产生阴影衰落效应，这种效应存在于不理想传播环境的整个路径。这种阴影衰落信号包络a2=a2(t)服从Lognormal分布，即:
式中，2和2分别是a2的方差和均值。
2 同步轨道卫星信道Markov模型
研究发现对流层以上各层影响卫星信道的传播损耗存在以下特点：外层空间的自由空间损耗仅是传输距离的函数，电离层闪烁和对流层的大气吸收在某一确定时间和地点是确定值，所以星地链路概率统计模型可建模成多径与阴影效应模型。
由第1节分析可知，同步轨道卫星信道的多径阴影效应与星地链路天气状况有直接关系，可按天气状况的“好”、“坏”分别建模。
2.1 “好”天气下的Rice模型
当天气状况良好时，信号经信道传输时没有受到云层的阻碍，终端接收的信号包含多径和直射分量，此时接收信号包络a3=a3(t)服从Rice分布，即
式中，表示直射信号幅度；32为a3=a3(t)的功率；I0为第一类修正贝塞尔函数。当直射信号幅度减小时，Rice分布转化为Rayleigh分布。
2.2 “坏”天气下的Suzuki模型
当天气状况较差时，信号经卫星信道传播时主要受到阴影效应和不存在直射信号的多径效应影响，可以描述为Suzuki模型[3]，即:
式中，4是Rayleigh中各高斯分量的标准差；2和2分别为服从Lognormal分布信号的均值和标准差。
2.3 同步轨道卫星信道Markov模型
卫星和接收终端是静止的，接收环境也比较理想，但卫星信道随着天气的变化、云朵的移动，会产生Rice模型(表示“好”状态)和Suzuki模型(表示“坏”状态)之间的相互转换,这种转换可用两状态Markov模型描述[6]，以较确切地反映卫星信道的动态特性。Markov模型可以由状态矩阵S和转移矩阵P表示。状态矩阵S为:
S=[sg,sb] (8)
式中，sg表示“好”状态的Rice模型，sb表示“坏”状态的Suzuki模型。
式中，pgb表示由“好”状态转移到“坏”状态的转移概率，Pgg表示仍然保持“好”状态的概率，Pbb和Pbg的物理意义依此类推。由于Markov链是非周期、不可约的，所以它的稳态分布存在且等于状态分布。在Markov链中，k次转移之后的状态Sk为:
Sk=SP k-1 (10)
式中，P k-1表示转移矩阵的k次相乘。
3 同步轨道卫星信道实现方法
信道模型是物理信道传播特性的数学表示，只有用硬件或软件实现才有意义。因此，需要研究卫星信道模型的实现方法。
3.1 实高斯随机过程实现方法
在介绍实现方法之前，首先说明实高斯随机过程i(t),i=1,2,3,4,5的产生方法，如图1所示，i(t)是由有限多个加权谐波叠加产生的第i个实高斯随机过程。
图1中ci,n为产生第i个实高斯随机过程时第n次谐波的权值[6]，取值为:
式中，为功率；i,n和fi,n为产生第i个实高斯随机过程时第n次谐波的初始相位和频率[7-8]，取值为:
3.2 信道模型的实现方法
“好”天气状态下，Rice信道表式为:
3.3 Suzuki信道模型的实现方法
对按图1所示方法产生的实高斯随机过程3(t)和4(t)求和，再取模得瑞利分布Rayleigh信号包络1(t)，如图3所示。产生1(t)时，式(11)中取1。
由图1所示方法产生的实高斯随机过程5(t)通过指数变换得Lognormal信号包络(t)，如图4所示。产生(t)时，式(11)中取3。
由Rayleigh信号包络和对数正态分布信号包络相乘可得到Suzuki信道模型信号包络(t)，其表达式为:
(t)的实现原理如图5所示。
4 仿真与分析
为验证所建信道模型的有效性,采用FY-2D卫星广州站的相关数据进行仿真。假定某一段时间内，自由空间损耗、电离层闪烁[7]、大气吸收及极化损耗等物理量是定值，只考虑对流层和平流层中的天气变化，云的移动带来的卫星信道在“好”和“坏”状态之间发生变化[7,9]。
图6（因数值变化范围较大，纵轴和横轴标记是不均匀的）表明，外层空间中信号的衰落与传输路径长度成线性关系，而散逸层、热层和中间层出表现为波动。
图7表明，地球同步轨道卫星信道会随着天气变化、云的移动在“好”状态和“坏”状态之间转换。
图8和图9是卫星信道二阶统计特性电平交叉率和平均衰落时间，它们反映卫星信道的通信质量[9]。通过两图可知，本文的卫星信道模型可以较好地模拟天气状态变化对卫星信道传播特性的影响。
通过对卫星信道建模、实现方法及仿真结果分析知：
(1)对同步轨道卫星，可根据实际的天气状况，将卫星和接收终端之间的物理信道建模为由Suzuki模型和Rice模型构成的两状态Markov模型，以描述“坏”天气和“好”天气状态下的信道特性。
(2)两状态Markov模型较好地克服了单一状态信道模型不能贴近实际信道特性的问题。
因此，研究同步轨道卫星信道模型及其实现方法有着十分重要的意义。
参考文献
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