太陽活動對衛(wèi)星通信的影響<2>

太陽活動對衛(wèi)星通信的影響<2>
  3 太陽活動對信號傳播的影響
    衛(wèi)星信號在傳播過程中穿越對流層、大氣層、電離層，不同傳播環(huán)境會對信號
產(chǎn)生不同影響。
3.1 電離層對衛(wèi)星信號的影響
    電離層中充滿了電子，相當(dāng)于一個等離子導(dǎo)體，當(dāng)電磁信號在其中傳播時會產(chǎn)
生相互作用。當(dāng)信號頻率在某個特定頻率之下時，會在電離層處被反射；當(dāng)信號頻
率在這個特定頻率之上時，信號將穿過電離層，同時會受到電離層折射，從而改變
傳播方向，信號頻率越高，傳播路徑因電離層折射而彎曲程度越小。衛(wèi)星通信信號
傳播方式屬于后者。但電離層并不是一個均勻的等離子層，其密度隨每日不同時刻
、高度、緯度、季節(jié)及太陽活動情況而改變，同時電離層還是一個色散媒體，并處
于地球磁場中。這些特性決定了電磁信號在電離層中傳播時必然會受到各種各樣的
影響。
    對于衛(wèi)星通信頻段的信號而言，電離層的影響主要表現(xiàn)為折射、散射、閃爍及
法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。雷達(dá)跟蹤目標(biāo)對電離層折射非常敏感，但如果電離層相對均勻，
折射對于衛(wèi)星通信卻影響不大。電離層色散效應(yīng)會引起信號延時，對寬帶通信還會
產(chǎn)生差分延時，這對于寬帶的衛(wèi)星電視信號影響相對較大。以上效應(yīng)正常情形下，
對衛(wèi)星通信不產(chǎn)生明顯影響，但在劇烈太陽活動中，紫外線和X射線倍增，使電離
層離子化程度加劇，不均勻性增強(qiáng)，地球磁場也因此有所改變，所以也需加以注意。
    衛(wèi)星通信信號穿過電離層時，信號極化同時會受到偏轉(zhuǎn)，即發(fā)生法拉第極化旋
轉(zhuǎn)效應(yīng)，對接收系統(tǒng)而言，這不僅減小了正極化接收信號的強(qiáng)度，同時增大了反極
化干擾。對于一個極化隔離度在35dB以上的接收系統(tǒng)，如果法拉第效應(yīng)將下行信號
極化旋轉(zhuǎn)5度，則極化隔離度會降到約20dB。法拉第極化旋轉(zhuǎn)量正比于磁場強(qiáng)度和
電離層總離子數(shù)，反比于信號頻率的平方根，因此對低頻信號影響相對較大，對低
仰角傳播的信號，由于傳播路徑長，影響相對較大。在劇烈太陽活動中，VHF頻段
信號的極化可被旋轉(zhuǎn)多周，而C波段（4GHz）信號的極化旋轉(zhuǎn)最多在幾度之內(nèi)。
    由于電離層不均勻，信號在電離層中傳播時，其強(qiáng)度會隨電離層密度的不規(guī)則
變化產(chǎn)生快速波動，即形成所謂的電離層閃爍現(xiàn)象。電離層閃爍會給通信信號疊加
一個低頻分量的噪聲，越靠近兩極，電離層的不規(guī)則變化越強(qiáng)。在兩極，電離層閃
爍隨時出現(xiàn)，但夜間更強(qiáng)一些；在靠近赤道區(qū)域，電離層閃爍一般在晚間出現(xiàn)，在
午夜時消失，很少數(shù)情況下才會持續(xù)到清晨。當(dāng)太陽紫外線、X射線增多時，離子
化加強(qiáng)，電離層增厚，則電離層閃爍現(xiàn)象加劇，有時造成信號嚴(yán)重衰減，因此，電
離層閃爍強(qiáng)度也隨著太陽活動變化。此外，由于太陽表面輻射不均勻，因此，電離
層閃爍強(qiáng)度一般又隨著太陽的旋轉(zhuǎn)，以27天為一個周期變化。
    電離層閃爍對信號的強(qiáng)度和相位均會產(chǎn)生影響。事實上，信號強(qiáng)度的波動并不
是由于電離層的不規(guī)則吸收引起的，而是由于信號不同成分的相位變化不同，從而
使合成信號的強(qiáng)度產(chǎn)生波動引起的。
    同步衛(wèi)星通信主要考慮地磁赤道附近區(qū)域（地磁赤道南北20度范圍內(nèi)）的閃爍
，同步衛(wèi)星通信信號在地磁緯度15～20度區(qū)域內(nèi)穿過電離層時，電離層閃爍現(xiàn)象最
強(qiáng)。地磁赤道與地理赤道稍有差異。
    通信頻率越低，電離層閃爍現(xiàn)象越嚴(yán)重，軍用VHF頻段影響最重，L波段次之，
只有最強(qiáng)的閃爍（發(fā)生在劇烈太陽活動中）才會對C波段及其以上頻段造成影響。
3.2 對流層對衛(wèi)星信號傳播的影響
    對流層對衛(wèi)星通信鏈路的影響主要表現(xiàn)為吸收衰減，屬太空天氣對衛(wèi)星通信的
影響范疇，太陽活動對其無直接影響。對流層中的水蒸氣對2GHz以上的信號損傷較
大，且隨頻率增加而影響加劇。Ku波段（10～20GHz）除了對水蒸氣吸收敏感外，
對對流層中的塵埃也較為敏感。頻率在20GHz以上的信號除了以上因素外，還會出
現(xiàn)諧振吸收，如某些頻率的信號會同空氣中的氧分子產(chǎn)生諧振，其能量會因此被吸
收。
4 太陽活動對地面站的影響
    地面站的作用是向衛(wèi)星發(fā)射式接收來自衛(wèi)星的電磁波信號，太陽活動對衛(wèi)星上
行站沒有影響，但對衛(wèi)星接收站卻影響顯著，即日凌干擾。
    當(dāng)通信衛(wèi)星運(yùn)行到地球和太陽之間時，地面站在接收衛(wèi)星下行信號的同時，也
會接收到大量太陽噪聲，從而使接收信噪比大大下降，嚴(yán)重時甚至使信號完全被太
陽噪聲淹沒，此即為日凌現(xiàn)象。對同步衛(wèi)星，日凌出現(xiàn)在每年春分和秋分時期的連
續(xù)數(shù)天內(nèi)。
    根據(jù)太陽直射點(diǎn)在地球南、北回歸線之間的移動規(guī)律，日凌在每年發(fā)生的時間
因地面站的緯度不同而異。春分期間，地面站越靠北發(fā)生日凌的時間越早；秋分期
間，地面站越靠南發(fā)生日凌的時間越早。根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)方向，日凌現(xiàn)象每天出現(xiàn)
的具體時間由地面站和衛(wèi)星的相對位置而定，衛(wèi)星如果在地面站的西邊，該地面站
的日凌在下午發(fā)生；衛(wèi)星如果在地面站的東邊，則該地面站的日凌出現(xiàn)在上午。日
凌每天持續(xù)的時間長短由地面站接收天線的波束寬度決定，天線波束寬度越寬，日
凌每次持續(xù)時間越長。太陽噪聲是一個寬帶噪聲，輻射強(qiáng)度隨頻率升高而增大，因
此，日凌對接收信噪比的影響程度取決于太陽噪聲的大小、工作頻率及信號頻帶寬
度。太陽活動高峰期日凌干擾最嚴(yán)重；工作頻帶越寬收到的噪聲越多，日凌干擾也
相對嚴(yán)重；工作頻率越高，收到的相應(yīng)頻段上的噪聲強(qiáng)度也越大，例如，Ku波段的
衛(wèi)星通信系統(tǒng)在日凌持續(xù)期間比C波段受干擾程度嚴(yán)重。
    表1為近三次CCTV1、CCTV7及CCTV4幾套模擬電視在北京地區(qū)實際日凌情況的比
較。
  5 結(jié)束語
    通常情況下，太陽活動對短波及較低頻段（L頻段以下）的衛(wèi)星通信影響較為
明顯，對低軌衛(wèi)星的影響比高軌衛(wèi)星大，對于同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，來自太陽的最主
要的影響是日凌干擾。但是，在太陽活動峰年，劇烈的太陽活動對衛(wèi)星通信的影響
增大，通信系統(tǒng)和通信業(yè)務(wù)遭受損失的可能性也大大增加。在此期間，同步衛(wèi)星本
身可能會因高速度、高密度的太陽風(fēng)出現(xiàn)各種故障，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致衛(wèi)星丟失；日
凌中斷影響加�。浑婋x層磁暴使電離層閃爍加劇，從而可能導(dǎo)致VHF-L波段的衛(wèi)星
通信信號出現(xiàn)短時中斷，嚴(yán)重時會影響到C波段衛(wèi)星通信信號；寬帶通信系統(tǒng)比窄
帶通信系統(tǒng)受太陽噪聲影響嚴(yán)重；法拉第電磁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)在此期間甚至可能會對C波
段及以上頻段衛(wèi)星信號產(chǎn)生影響。
    由此可見，衛(wèi)星通信與太陽活動情況密不可分，積極主動地掌握有關(guān)太陽活動
的預(yù)報，對于提前采取必要措施，保護(hù)衛(wèi)星通信設(shè)施，盡可能保障衛(wèi)星通信鏈路通
暢等，都是非常有益而且必要的。
摘自《廣播與電視技術(shù)》