对流层散射传输损耗预测*

宋 达，张海勇，贺 寅，夏吉业

（海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

0 引言

对流层散射通信是利用对流层中的不均匀体[1]对超短波、微波进行前向散射来实现超视距无线通信的方式[2]，传播媒质永恒存在[3]，在国内外超视距通信中占有重要作用[4]。相比于其他的通信方式，对流层散射有其独特的优势和特点,与短波超视距通信相比，通信距离不如短波，但是其信道容量和信道可靠程度优于短波；与微波通信相比，通信容量不及微波，但是通信单跳大于微波，在视距受阻的情况下优势比较明显；与卫星通信相比，通信距离、容量和质量都不如卫星通信，但是对流层散射通信不易受到敌方监视与干扰，不必占用卫星频率资源，能够实现自主通信[5]。

对流层散射有着较多优点的同时，其缺点也非常明显。对流层散射通信是电磁波发射到对流层时，电磁波使对流层中的散射体变成电偶极子后再向四面八方进行散射，从而使接收方接收到信号，因其特殊的传输机理导致对流层散射传输损耗较大，只有百万分之一的能量可以到达接收机[6,7]。因此准确预算对流层散射传输损耗，对对流层散射传输系统设计与应用有着重要的影响。

在对流层散射链路传输损耗预测方面，我国张明高院士通过对国内外大量实验数据进行分析，提出了对流层散射预测方法，该方法于1992 年被ITU-R.P.617-1[8]建议采纳，之后进行了气候区地图、概率损耗拟合等公式的改进，升级到ITU-R.P.617-3，但未改变主体预测方法。另外，ITU-R.P.617-3 于2017 年升级到ITU-R.P.617-4，而2019 年升级为ITU-R.P.617-5，并更新了传输损耗预测方法。基于ITU-R.P.617-5 模型，通过对对流层散射链路传输损耗进行分析，得出了考虑天线架高、大气吸收和天线方位角情况下的对流层散射链路传输损耗预测模型，并通过ITU 发布的实测数据进行验证，证明该模型的准确性。

1 ITU-R.P.617-5 损耗预测方法

ITU-R.P.617-5 建议书给出的对流层散射传输损耗预测中值为：

其中气候因子F为：

hs:地球表面海拔高度（km）

hb:可根据不同的气候条件统计确定的垂直高度（km）。全球平均垂直高度可由hb=7.35 km 定义，并可供参考。

气候因子F中的平均海平面折射率N0和平均年无线电折射指数递减率dN可通过查询ITU-R.P.617-5 建议书获得。

散射角θ为：

其中θt和θr分别为发收机和接收机的水平角，θe为：

d为传输路径长度，a为有效地球半径，k为地球有效半径因子。

在标准条件下，海面折射率N0=318N单位，折射率梯度为dN/dh≈-40N单位/千米，带入公式（5）中得出k=4/3。

口面介质耦合损耗Lc为：

Yq为估算q时间百分比内不超过的转换因子：

2 对流层散射链路传输损耗预测模型

ITU-R.P.617-5 建议书中给出的传输损耗中值包含了主基本传输损耗和口面介质耦合损耗，但当使用抛物面天线进行对流层散射通信时的方位角偏移损耗、大气吸收损耗和天线架低损耗没有进行考虑。

2.1 大气吸收损耗

当无线电在空气中传播时，大气中的空气和水汽会对无线电进行吸收，从而造成无线电信号的衰减，这种信号衰减称为大气吸收损耗。在晴空大气环境下，大气吸收损耗计算公式LA为：

其中A(d)为与传输距离相关的量，d为传输距离，单位为km，B(f)为与传输频率相关的量，f为传输频率，单位为MHz。

当使用抛物面天线进行对流层散射通信时，经常使用的传输频段为：L、S、C、X 频段，因此取传输频率为1GHz-10GHz,传输距离为100km、200km、300km,通过仿真得出：

如图1 所示，传输距离一定时，随着传输频率的增加，大气吸收损耗在逐渐增大，传输频率一定时，大气吸收损耗随着传输距离的增加在逐渐增大。随着传输距离的增加，大气吸收损耗大于1dB 所需要的传输频率在逐渐减小，因此当进行对流层散射通信时，要根据传输距离与传输频率确定大气吸收损耗是否忽略不计。

2.2 天线架低损耗

当天线高度较低时，电磁波的波峰与波谷隔得很远，这时散射公共体下相当多的部分接近波谷，导致部分散射场被地面反射取消或者消弱，从而造成相应的损耗，即为天线架低损耗,天线架低损耗LR的计算公式为：

图1 传输频率对大气吸收损耗的影响

LbR1为发射端天线架低损耗，LbR2为接收端天线架低损耗。

Θ10，Θ20为发、收双方视平线与收发点连线间的夹角，H为最低散射点到天线高度，h为最低散射点离地高度，hte为天线架高，λ为波长。

最低散射点到天线高度H为：

最低散射点离地高度h为：

当传输距离为200km,发射机和接收机水平角为0，传输频率为1GHz，天线架高为3m-12m 时，通过计算得出天线架高与波长的比值和天线架低损耗的关系。

如图2 所示，传输频率为1GHz，天线架高为3m 时，天线架高与波长比为10，天线架低损耗为6.4dB；天线架高为10.5m 时，天线架高与波长比为35，天线架低损耗为1dB；天线架高为12m 时，天线架高与波长比为40，天线架低损耗为0.8dB。随着天线架高与波长比的增加，天线架低损耗在逐渐减小，因此当进行对流层散射通信时，在条件允许的情况下，应尽量架高天线，使天线架高与波长比增大，从而减小天线架低损耗。

图2 天线架高与波长比对天线架低损耗的影响

2.3 方位角偏移损耗

使用抛物面天线进行对流层散射通信时，因抛物面天线具有指向性，当收发天线波束对准时为最佳指向，当收发天线波束偏离最佳指向，或信号到达接收点时偏离天线主轴而产生的传输损耗为方向角偏移损耗，方位角偏移损耗Lah的计算公式为：

方位角偏移损耗是因发、收端天线波束在方位上彼此对得不准，散射信号在方位角上偏离接收天线主轴，以及附加的散射传输损耗所造成的。

最佳方位角为：

相应的：

方位角偏移损耗为：

Lah1为发射端方位角偏移损耗，Lah2为接收端方位角偏移损耗。

Ψh1为发射天线水平宽度，Ψh2为接收天线水平宽度，φ10为发射端主轴方位角，φ20为接收端主轴方位角。取传输距离为200km，发射天线水平波束宽度为2°,接收机方位角为0°，发射机的方位角取值为-2～2°，通过计算得出：

如图3 所示，当方位角为0 时，为最佳指向，此时方位角偏移损耗为0。方位角为-2°～0°和0°～2°时方位角偏移损耗相同。随着方位角的增大，方位角偏移损耗逐渐增大，因此当进行对流层散射通信时，应尽量使收发天线波束对准，从而减小方位角偏移损耗。

图3 方位角偏移损耗

2.4 对流层散射链路传输损耗预测模型

根据上述方法得到对流层散射链路传输损耗模型为：

以ITU 发布的数据为参考[9]，对流层散射链路传输损耗模型和ITU-R.P.617-5 模型计算结果与实际传输损耗对比得出：

表1 实测数据以及计算结果

从表1 中可以看出，考虑大气吸收损耗、天线架低损耗和方位角偏移损耗后的对流层散射链路传输损耗预测模型，预测结果与实测传输损耗的平均误差为3dB,与ITU-R.P.617-5 计算模型相比，降低了传输损耗预计误差，为散射通信系统的设计提供了一种参考。

3 结语

实际链路测试表明，当使用对流层散射通信时，需要考虑天线架低损耗、大气吸收损耗和方位角偏移损耗。基于ITU-R.P.617-5 计算模型，对对流层散射链路进行分析，给出考虑了天线架低损耗、大气吸收损耗和方位角偏移损耗的对流层散射链路传输损耗预测方法，预测结果与实测数据比较吻合，为使用对流层散射通信系统设计与应用提供了比较准确的依据，具有实用价值。