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太阳活动对卫星通信的影响& lt;2>

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太阳活动对卫星通信的影响<2>
3 太阳活动对信号传播的影响
卫星信号在传播过程中穿越对流层、大气层、电离层,不同传播环境会对信号
产生不同影响。
3.1 电离层对卫星信号的影响
电离层中充满了电子,相当于一个等离子导体,当电磁信号在其中传播时会产
生相互作用。当信号频率在某个特定频率之下时,会在电离层处被反射;当信号频
率在这个特定频率之上时,信号将穿过电离层,同时会受到电离层折射,从而改变
传播方向,信号频率越高,传播路径因电离层折射而弯曲程度越小。卫星通信信号
传播方式属于后者。但电离层并不是一个均匀的等离子层,其密度随每日不同时刻
、高度、纬度、季节及太阳活动情况而改变,同时电离层还是一个色散媒体,并处
于地球磁场中。这些特性决定了电磁信号在电离层中传播时必然会受到各种各样的
影响。
对于卫星通信频段的信号而言,电离层的影响主要表现为折射、散射、闪烁及
法拉第旋转效应。雷达跟踪目标对电离层折射非常敏感,但如果电离层相对均匀,
折射对于卫星通信却影响不大。电离层色散效应会引起信号延时,对宽带通信还会
产生差分延时,这对于宽带的卫星电视信号影响相对较大。以上效应正常情形下,
对卫星通信不产生明显影响,但在剧烈太阳活动中,紫外线和X射线倍增,使电离
层离子化程度加剧,不均匀性增强,地球磁场也因此有所改变,所以也需加以注意。
卫星通信信号穿过电离层时,信号极化同时会受到偏转,即发生法拉第极化旋
转效应,对接收系统而言,这不仅减小了正极化接收信号的强度,同时增大了反极
化干扰。对于一个极化隔离度在35dB以上的接收系统,如果法拉第效应将下行信号
极化旋转5度,则极化隔离度会降到约20dB。法拉第极化旋转量正比于磁场强度和
电离层总离子数,反比于信号频率的平方根,因此对低频信号影响相对较大,对低
仰角传播的信号,由于传播路径长,影响相对较大。在剧烈太阳活动中,VHF频段
信号的极化可被旋转多周,而C波段(4GHz)信号的极化旋转最多在几度之内。
由于电离层不均匀,信号在电离层中传播时,其强度会随电离层密度的不规则
变化产生快速波动,即形成所谓的电离层闪烁现象。电离层闪烁会给通信信号叠加
一个低频分量的噪声,越靠近两极,电离层的不规则变化越强。在两极,电离层闪
烁随时出现,但夜间更强一些;在靠近赤道区域,电离层闪烁一般在晚间出现,在
午夜时消失,很少数情况下才会持续到清晨。当太阳紫外线、X射线增多时,离子
化加强,电离层增厚,则电离层闪烁现象加剧,有时造成信号严重衰减,因此,电
离层闪烁强度也随着太阳活动变化。此外,由于太阳表面辐射不均匀,因此,电离
层闪烁强度一般又随着太阳的旋转,以27天为一个周期变化。
电离层闪烁对信号的强度和相位均会产生影响。事实上,信号强度的波动并不
是由于电离层的不规则吸收引起的,而是由于信号不同成分的相位变化不同,从而
使合成信号的强度产生波动引起的。
同步卫星通信主要考虑地磁赤道附近区域(地磁赤道南北20度范围内)的闪烁
,同步卫星通信信号在地磁纬度15~20度区域内穿过电离层时,电离层闪烁现象最
强。地磁赤道与地理赤道稍有差异。
通信频率越低,电离层闪烁现象越严重,军用VHF频段影响最重,L波段次之,
只有最强的闪烁(发生在剧烈太阳活动中)才会对C波段及其以上频段造成影响。
3.2 对流层对卫星信号传播的影响
对流层对卫星通信链路的影响主要表现为吸收衰减,属太空天气对卫星通信的
影响范畴,太阳活动对其无直接影响。对流层中的水蒸气对2GHz以上的信号损伤较
大,且随频率增加而影响加剧。Ku波段(10~20GHz)除了对水蒸气吸收敏感外,
对对流层中的尘埃也较为敏感。频率在20GHz以上的信号除了以上因素外,还会出
现谐振吸收,如某些频率的信号会同空气中的氧分子产生谐振,其能量会因此被吸
收。
4 太阳活动对地面站的影响
地面站的作用是向卫星发射式接收来自卫星的电磁波信号,太阳活动对卫星上
行站没有影响,但对卫星接收站却影响显著,即日凌干扰。
当通信卫星运行到地球和太阳之间时,地面站在接收卫星下行信号的同时,也
会接收到大量太阳噪声,从而使接收信噪比大大下降,严重时甚至使信号完全被太
阳噪声淹没,此即为日凌现象。对同步卫星,日凌出现在每年春分和秋分时期的连
续数天内。
根据太阳直射点在地球南、北回归线之间的移动规律,日凌在每年发生的时间
因地面站的纬度不同而异。春分期间,地面站越靠北发生日凌的时间越早;秋分期
间,地面站越靠南发生日凌的时间越早。根据地球的自转方向,日凌现象每天出现
的具体时间由地面站和卫星的相对位置而定,卫星如果在地面站的西边,该地面站
的日凌在下午发生;卫星如果在地面站的东边,则该地面站的日凌出现在上午。日
凌每天持续的时间长短由地面站接收天线的波束宽度决定,天线波束宽度越宽,日
凌每次持续时间越长。太阳噪声是一个宽带噪声,辐射强度随频率升高而增大,因
此,日凌对接收信噪比的影响程度取决于太阳噪声的大小、工作频率及信号频带宽
度。太阳活动高峰期日凌干扰最严重;工作频带越宽收到的噪声越多,日凌干扰也
相对严重;工作频率越高,收到的相应频段上的噪声强度也越大,例如,Ku波段的
卫星通信系统在日凌持续期间比C波段受干扰程度严重。
表1为近三次CCTV1、CCTV7及CCTV4几套模拟电视在北京地区实际日凌情况的比
较。
5 结束语
通常情况下,太阳活动对短波及较低频段(L频段以下)的卫星通信影响较为
明显,对低轨卫星的影响比高轨卫星大,对于同步卫星通信系统,来自太阳的最主
要的影响是日凌干扰。但是,在太阳活动峰年,剧烈的太阳活动对卫星通信的影响
增大,通信系统和通信业务遭受损失的可能性也大大增加。在此期间,同步卫星本
身可能会因高速度、高密度的太阳风出现各种故障,严重时可能导致卫星丢失;日
凌中断影响加剧;电离层磁暴使电离层闪烁加剧,从而可能导致VHF-L波段的卫星
通信信号出现短时中断,严重时会影响到C波段卫星通信信号;宽带通信系统比窄
带通信系统受太阳噪声影响严重;法拉第电磁旋转效应在此期间甚至可能会对C波
段及以上频段卫星信号产生影响。
由此可见,卫星通信与太阳活动情况密不可分,积极主动地掌握有关太阳活动
的预报,对于提前采取必要措施,保护卫星通信设施,尽可能保障卫星通信链路通
畅等,都是非常有益而且必要的。
摘自《广播与电视技术》

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