电离层闪烁和降雨衰落同时发生

1、ITU-RP.531-9建议书1ITU-RP.531-9建议书卫星业务和系统设计中需要的电离层流传数据和展望方法ITU-R218/3号研究课题）1978-1990-1992-1994-1997-1999-2001-2003-2005-2007年）范围ITU-RP.531建议书介绍了一种在0.1至12GHz频率范围内在地对空路径上议论电离层流传效应的方法。当信号经过电离层时，可能在地对空路径上发生以下效应：因为在路径上的地球磁场内电磁波与离子化媒质发生交互作用而以致的极化的旋转（法拉第旋转）；-因为在路径上积累的总电子含量（TEC）而以致的信号成组延缓；因为电离层的小规模不规则结构而以致的幅度和

2、相位的迅速变化（闪耀）；因为衍射而以致的到达方向的明显变化；因为非线性极化旋转和时延而以致的多普勒效应。本建议书所述的数据和方法适用于在附件1所述的各有效范围内所进行的卫星系统规划工作。国际电联无线电通讯全会，考虑到a）电离层对最少12GHz以下频率的流传有明显的影响；b）对3GHz以下频率的非对地静止卫星轨道业务影响尤其明显；c）已经给出了经验数据和/或提出了建模方法，可用于展望卫星系统规划所需的电离层流传参数；d）电离层作用有可能影响综合业务数字网（ISDN）以及包含空间翱翔器在内的其余无线电系统的设计和性能指标；e）已经发现这些数据和方法在流传现象自然变异性范围内可适用于卫星系统规划，建

3、议附件1中给出的数据和提出的方法在各自适用的范围内适用于规划卫星系统。2ITU-RP.531-9建议书附件1前言本附件涉及电离层流传对地空路径的影响。从系统设计的角度来说，电离层效应可以归为以下几类：a）卫星挪动业务（MSS）传输路径上齐集的电子总容量（TEC）浸透电离层可引起MSS载波的极化旋转（法拉第旋转）和信号时延，而且因为折射效应引起到达方向的变化；b）电离层的局部随机性，也就是平常所说的电离层不规则性，将进一步引起超量和随机的旋转以及信号时延，这些只好用随机术语进行描述；c）因为与旋转和时延相关的电子密度与频率的关系是非线性的，而且因为链路在局部不规则的电离层中的明显移入和移出产生的

4、多普勒效应，a）和b）会进一步以致MSS载波的散射和群速度失真；d）其余，电离层的局部不规则性如聚焦或散焦的棱镜也会引起电波的汇聚或发散。这些效应平常被称为闪耀，将引起MSS信号的幅度、相位和到达角的变化。因为电离层物理特征复杂，上边提到的受电离层效应影响的系统参数不总是能用简单的分析公式简洁地表述。相关数据将以表格和/或图片的方式表达，并辅以进一步描述或限制性说明，在实质使用中这是最好的表述。在考虑流传效对付3GHz以下频率的MSS系统设计的影响时，一定认识到：e）与f）和h）带来的影响对比，平常以为水汽现象对空地流传路径的影响较小；f）自然表面或人为阻碍物影响和/或在较低仰角状况下带来的近

5、地表面多径效应平常比较严重；g）近地表面多径效应在各个地址的影响是不一样的，所以在MSS系统设计中考虑全世界范围内流传因素时，该效应不占主导地位；h）在全世界范围内进行MSS系统设计时，电离层效应是需要考虑的最重要的流传因素。2背景因太阳辐射而产生的地球电离层由几个离子化地域构成。从实质通讯目的出发，电离层地域和电离地域顶端被以为有助于形成卫星和地面终端之间的TEC。D、E、F每个地域中的电离介质在空间上不均匀，在时间上也不稳固。一般而言，电离背景与有序的日夜、季节和为期11年的太阳活动周期的更替相关，而且激烈依赖于地理地址和地磁活动。除电离背景以外，总是存在着被称为不规则性的高动向、小规模、

6、非稳固的结构。电离背景和不规则性都将使无线电波恶化，进一步地还会使得折射率由频率决定，也即介质色散。ITU-RP.531-9建议书33电离背景引起的主要恶化好多效应，比方折射、散射和群时延，在幅度上和射线路径不一样部分的加权后，法拉第旋转和TEC的电离层效应可以被定量地评估。TEC存在直接的比率关系；考虑磁场经度重量对也存在近似的比率关系。对于TEC的认知使得好多重要3.1TECTEC以NT表示，可以用下边的公式求值：NTne(s)ds（1）s此中：s：流传路径（m）ne：电子密度（el/m3）因为ne跟着日夜、季节和太阳活动周期变化，即使知道精确的流传路径，对NT进行评估也是困难的。为建立模

7、型，平常供给天顶路径上1m2截面面积内的TEC值。该垂直柱状体的TEC在1016到1018el/m2的范围内变化，峰值出此刻一天中有阳光照耀的时段。为了对TEC进行评估，可以采纳基于国际参照电离层（IRI）的步骤，也许采纳更为灵巧的、基于NeQuick的适用于倾斜角TEC评估的步骤。全部的步骤将在下边供给。基于IRI的方法标准的电离层月中值是COSPAR-URSIIRI-95。在太阳活动为低强度到中等强度的状况下，经过数字方法可能获取选定一系列高度（最高2000km）上任意地址、时间的电子容量值。当太阳活动在高强度时，从IRI-95获取的电子容量值可能产生问题。在好多场合，用峰值电子密度乘以3

8、00km的等效层厚度评估电子容量就足够了。基于NeQuick的方法本模型中给出的电子密度分布以一个连续函数表述，该函数全部的一阶空间导数也是连续的。它由底部（在F2层峰值以下）和顶层（F2层峰值以上）两部分构成。F2层的峰值高度由M(3000)F2以及foF2/foE比值计算获取（见ITU-RP.1239建议书）。底部由代表了E、F1和F2层的不完好爱普斯坦层（semi-Epstein）描述。顶层也是不完好爱普斯坦层，其高度由厚度参数决定。NeQuick模型给出了沿任意地星或卫星地球路径的电子密度和TEC。计算机程序和相关数据文件可由（国际电联）无线电通讯局获取。4ITU-RP.531-9建议

9、书模型精度由与无线电通讯第3研究组相关的ITU-R网站给出了用于评估NeQuick和IRI模型精度的文件以及超电离层的流传数据库。3.2法拉第旋转在电离层中流传时，因为地磁场的存在和等离子介质的各向异性，线极化波的极化平面将逐渐旋转。法拉第旋转的幅度，取决于无线电波的频率、磁场强度以及等离子区的电子密度：2.361014BavNT(2)f2此中：为旋转角度（rad）Bav为均匀地球磁场（Wbm-2或Teslas）NT为总电子含量（TEC）（电子m-2）为频率（GHz）。的典型值如图1所示。1法拉第旋转作为TEC和频率的函数法拉第旋转与频率的平方成反比，与电子密度和沿流传路径的地球磁场强度的乘积

10、成正比。给定频率上的中值表现出特别规则的可以展望的每日的、季节性的、太阳活动循环的特征。所以手动调理地球站天线的极化倾斜角可以对法拉第旋转中这些规则的部分进行赔偿。可是，在小时间范围内，因为地磁场风暴和相对较小范围内电离层骚扰的大规模挪动，规则的特征可能发生较大的偏离。这些偏离是不可以提前展望的。在位于赤道近点角峰值周边地址，激烈而迅速颠簸的VHF信号的法拉第旋转角度已经和激烈幅度闪耀、迅速幅度闪耀分别结合。ITU-RP.531-9建议书线性天线的交织极化鉴别能力XPD(dB)，与法拉第角度相关：XPD20log(tan)3.3群时延电离层中充电粒子的存在减缓了无线电信号在路径上的流传。超出自

11、由空间流传时间的时间延缓称为群时延，平常以t表示。对MSS系统，它是一定考虑的重要因素。它的数目由以下公式计算：t1.345NT/f2107此中：t：与真空中流传对比的时延（s）f：流传频率（Hz）NT：由倾斜的流传路径决定。图2是对应射线路径上几个电子容量状况下，时延t和频率f的相对关系图。图2不一样电子容量时电离层时延和频率的关系53）4）6ITU-RP.531-9建议书当TEC区间变化。图在1016到1019el/m2区间变化时，在1600MHz3示出在太阳活动相对较强的时期内，时延超出频带周边信号的群时延在大概20ns的白天小时的年百分比。0.5ns到500ns31.6GHz垂直入射状

12、况下，时延超出20ns的白天小时年均匀百分比等值曲线（太阳黑子=140）3.4散射当超电离层的信号占用很大的带宽时，流传时延（作为一个与频率相关的函数）将引入色散。带宽范围内时延的差分与射线路径上电子密度的积分成正比。当带宽固准时，相关的色散与频率的立方成反比。所以，在VHF波段涵盖宽带传输的系统一定考虑色散的影响，而在UHF波段有可能需要考虑。比方，如172时延为0.02s，而当频率为600MHz时，差分时延仅为0.00074s（见图4）。3.5TEC变化速率在轨卫星观察到的TEC变化速率一部分源至射线路径方向的变化，一部分源至电离层自己的变化。对于一颗高度22000km穿越极光地域的卫星，

13、所观察到的TEC最大变化速率为0.710162el/m/s。对导航目的，这样的变化速率对应于0.11m/s的视在速率。ITU-RP.531-9建议书74脉冲宽度（的信号）单向流传穿越电离层，在低到高的频谱范围内对应的时延差异不规则性引起的主要恶化4.1闪耀3GHz以下超电离层流传路径的信号，最严重的中断之一来自电离层闪耀。电离密度规模较小的不规则结构引起的闪耀现象，主要系统表现为前向散射和衍射，它使得接收机端信号不再稳固，在幅度、相位和到达方向上产生颠簸。闪耀的不一样方面对系统性能的影响不一样，这取决于系统的调制方式。最平常使用的表征颠簸强度的参数是闪耀指数S4由公式（5）定义：21I22I（

14、5）S42I此中I是信号强度，表示均匀。散射指数S4与颠簸强度峰峰值相关。正确的关系取决于强度的分布。对于大范围内S4的取值，Nakagami分布最好地描述了强度分布。当S4趋近于1.0，分布趋近于瑞利分布。有时S4的值可能超出1而达到1.5，这应归于不规则性引起的电波汇聚。当取值小于0.6，S4显示出与fVHF和UHF波的坚固关系，在8ITU-RP.531-8建议书段的大多数宽频观察中，光谱指数的取值为1.5。当S4大于0.6，闪耀更强，光谱指数减小，这应归于瑞利衰减遇到多次散射的激烈影响而引起闪耀的饱和。表1依照经验供给了S4和近似的峰峰颠簸值Pfluc(dB)方便的转变，这个关系可以近似

15、地表示为：Pfluc1.26（6）27.5S4表1闪耀指数的经验性变换表S4Pfluc(dB)0.11.50.23.50.360.48.50.5110.6140.7170.8200.9241.027.54.2闪耀与地理、春（秋）分和太阳的相关性在地理上有两个激烈的闪耀地域，一个在高纬度地域，另一个在地磁赤道20的地域（如图5所示）。在这两个地域，向来到吉赫兹的频率已经观察到严重的闪耀，而在中纬度地域闪耀主要影响VHF信号。全部的地域在晚间均存在明显的活动最大值，这一点相同在图5中示出。在赤道地域吉赫兹频率上，已经观察到闪耀活动在秋分时很活跃，而在春分时达到峰值。在临时特征方面，电离层闪耀的衰落

16、速率大概为0.1到1Hz。一个典型的闪耀事件从当地电离层日落时开始，并能连续30分钟到一个小时。在太阳活动极大值的年份，对于赤道地域的台站，电离层闪耀几乎每日夜晚日落后都会发生，4GHz信号幅度的峰峰颠簸将超出10dB。ITU-RP.531-8建议书95在太阳活动最大值和最小值年份，L波段闪耀衰落的深度（与交织影线的深度成比率）4.3电离层闪耀模型为了对地空路径上的电离层闪耀的强度进行展望，建议使用全世界电离层闪耀模型（闪耀是一个与卫星和地面站地址、数据、时间和工作频率相关的函数，GISM同意展望GISM）。因为S4指数、幅度衰落的深度、相位的均方根值和角误差。这个模型基于多相位挑选方法，其主

17、要内部参数的缺省值以下：强度谱的斜率，p=3不规则性的均匀大小，L0=500km电子密度颠簸的标准误差，Ne=0.2。在使用NeQuick电离层模型的子程序中考虑了射线曲折度并对电离层背景的特征进行了计算。GISM的源程序和相关文档可以从与无线电通讯第3研究组相关的ITU-R网站获取。4.4瞬时统计和频谱特征瞬时统计在一个电离层闪耀的事件中，Nakagami密度函数被以为足够凑近描述幅度的瞬时分布。信号强度的密度函数由下式给出：mmm1（7）p(I)Iexp(?mI)(m)10ITU-RP.531-8建议书这里Nakagami“m系数”与闪耀指数S4相关：m1/S2（8）4在公式（7）的计算中

18、，均匀强度值I规一化为1.0。对信号在给定门限以上或以下的时间部分的计算，在很大程度上因为对应于Nakagami密度的分布函数，经过以下式表述的限制格式而获取简化：I(m,mI)P(I)p(x)dx（9）(m)0此中(m,mI)和(m)分别为不完好和完好的伽马函数。使用公式（9）可以计算出一个电离层事件内信号在给定门限以上或以下的时间部分。比方，信号低于均匀数XdB的时间部分由P(10X/10)给出，信号高于YdB的时间部分由1P(10Y/10)给出。4.4.2频谱特征因为电离层闪耀被以为是因为相对固定折射率的不规则性在无线电波路径的水平挪动而引起的，所以空间和时间上的功率谱与漂移速率相关。实

19、质关系取决于不规则成分（功率谱）以及大批其余的物理因素。所以，功率谱可以用一个广阔范围的斜线族表示。依据不一样的观察资料报告，斜率范围从f-1到f-6。一个典型的频谱特征如图6所示。假如没有直接丈量结果，建议将以以下图的f3斜率用于系统应用。4.5几何考虑天顶角关系在大多数模型中，S42表现为与流传路径上的天顶角（的。对于更大的天顶角，关系式取值范围应该从1/2到i）的割线成比率，这个关系直到i正割值的一次幂。i70都是正确季节经度关系闪耀的发生和S4的幅度与经度和季节相关，这个关系可以由如图7b所示的角度参数化。该角度是不规则层高度上经过视距的磁力线极点处日落明暗界限和当地磁子午线的夹角。季

20、节经度关系的加权函数由下式给出：S4exp（10）W此中W是加权常数，它取决于地址和当年的历日。比方，使用坦瓜、中国香港和夸贾林环礁获取的数据，加权常数的数值可以如图8所示建模。ITU-RP.531-8建议书116对地静止轨道卫星（Intelsat-IV）在4GHz功率谱密度预计12ITU-RP.531-8建议书图7a地域高度上流传路径和磁力线的交织点图7b如图7a所示磁力线极点处当地磁子午线和日落明暗界限的夹角ITU-RP.531-8建议书138不一样纬度地域台站的季节加权函数4.6累计统计当考虑设计卫星无线电通讯系统和对频率共用进行评估时，通讯工程师不但需要考虑一个事件中系统恶化和搅乱，还

21、需要考虑长远的积累发生统计。对于通讯系统，包含最简单无线电系统配置的一个对地静止轨道卫星，建议使用图9和图10对发生概率进行评估和定标。此中引用的太阳黑子数是12个月的均匀太阳黑子数。信号强度的长远积累分布P(I)与均匀值相关，可以由峰峰颠簸值（如图10中所示）的长远积累统F()获取：nP(I)fiPi(I)（11）i0此中：f0=F(1)（11a）fi=F(ii+1)(i=1,2,n,1)（11b）fn=F(n)（11c）14ITU-RP.531-8建议书1和n分别是峰峰颠簸值的最小和最大值，n是用户感兴趣的的间隔数目。Pi(I)=(mi,miI)/(mi)mi1/S42i1/1.2611S

22、4027.5211/1.26ii1n1)S4i2(i=1,2,27.51/1.26S4n1n13n27.54图11示出一个由图10曲线P6获取信号强度长时间积累分布的例子。11d）11e）11f）11g）11h）4.7电离层闪耀和降雨衰落同时发生电离层闪耀和降雨衰落是物理发源完好不一样的两种伤害。可是，在太阳黑子高发的年份，在赤道区域这两种效应可能在一个年度百分比时间内同时发生，这对系统设计特别重要。印度尼西亚Djutiluhar地球站记录到的4GHz频带内积累同时发生时间大概为每年0.06%。这么高的数值对于ISDN种类的应用是不行接受的。同时发惹祸件拥有特别明显的特色，与只有一个伤害发生的

23、状况（无论是闪耀还是降雨衰落单独存在）对比总是存在巨大差异。单独的电离层闪耀不是一个去极化现象，单独的降雨衰落不是一个信号颠簸现象，同时发惹祸件在交织极化信道上产生严重的信号颠簸。这些同时发惹祸件的认识对于要求高稳固性的卫星地球无线电系统应用是必要的。ITU-RP.531-8建议书159对应太阳黑子月均匀数的4GHz赤道电离层闪耀的关系曲线4.8GHz闪耀模型对在给定状况下预期发生的闪耀效应进行评估可以依照以下步骤：步骤1：图10供给赤道电离层路径上闪耀发生的统计：4GHz频率接收卫星信号的峰峰颠簸值Pfluc（dB），卫星位于东面仰角20（P实曲线）和卫星位于西面仰角30（I虚曲线）。每年中

24、不一样时间和不一样太阳黑子数的数据已经给出。步骤2：图10示出4GHz的状况，对于其余感兴趣的频率f（GHz）内的取值可以经过原数值乘以(f/4)1.5获取。16ITU-RP.531-8建议书步骤3：对地理地址和每日发生的Pfluc的分布，可经过图5对进行定性评估。步骤4：作为链路余量计算的一个因素，Pfluc与信号损失Lp相关LpPfluc/2。步骤5：在描述闪耀中使用最为广泛的参数闪耀指数S4在4.1定义，使用表1从Pfluc中可获取其取值。图10中国香港地球站（曲线I1，P1，I3-I6，P3-P6）和中国台北地球站（曲线P2和I2）观察到的峰峰颠簸值年统计表ITU-RP.531-8建议

25、书1711一个信号强度长远积累统计的例子（4GHz，20仰角）5汲取当直接信息没法获取时，对于30MHz以上频率的电离层汲取消耗可以经过依照的可用模型进行预计，此中i是电离层中流传路径的天顶角。对于赤道和中纬度地域，无线电波确立可以穿过电离层而不会被明显汲取。(seci)/f2关系式建立70MHz以上频率的中纬度地域的丈量显示，平常状况下垂直入射单向穿越电离层，30MHz的典型汲取为0.2到0.5dB。在太阳耀斑时期，汲取增添但将小于5dB。汲取的加强会在高纬度地域发生，应归于极冠和极光现象，这两种现象在随机区间发生，连续不一样的时间范围，其效应是终端站地址和路径仰角的函数。所以，对于大多数有效系统设计，这两个现象应该统计地对待，而且记住极光汲取连续时间以小时计而极冠汲取连续时间以天计。18ITU-RP.531-8建议书5.1极光汲取高能电子使得D和E地域电子浓度增添，因此引起极光汲取。观察到的汲取地域覆盖10到20的纬度范围，中心在最易产生视觉极光的纬度周边。它的发生表现为在一连串失散的每个相对较短连续时间内的汲取加强，也就是从几分钟到几个小时，均匀连续时间大概30分钟，平常显示为不规则的时间结构。夜间加强偏向于由迅速光滑的上升和缓慢的衰落构成。127MHz典型幅度值如表2所示。