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1引言
随着航天装备的作用日益重要，各国对制空权的争夺也日益激烈，空间作战依赖于信息，空间电磁环境是空间作战信息依存的主要媒介。在电磁控制权的争夺上是否能够取得优势，很大程度上取决于电子对抗指挥员对电磁环境的准确判断以及对电子对抗作战力量的合理部署及调配。通过对空间通信电磁传播的影响进行分析，构建空间通信的电磁传播模型，从而进一步实现空间战场电磁环境仿真或可视化可为指战人员提供更直观的辅助决策。目前针对卫星通信中电磁传播的研究主要是关注于自由损耗及大气吸收、极化损耗和降雨损耗等低层大气损耗。本文全面分析了卫星通信所经历的传播环境和影响因素，并在此基础上总结各种影响因素的数学模型及其适用范围，为分析构建卫星通信范围内电磁传播整体模型提供支持。
2传播环境及影响因素分析
电磁波传播主要受其传播媒介的影响，因此需先弄清传播路径所经历的环境。近地空间是指地球周围附近的区域，它是实现地面通信与空间通信的无线电波的基本传播场所。近地空间之外是外层空间，这是星际通信的主要场所。
当前卫星通信系统中，主要使用频段为L频段、K频段、C频段、Ku频段，Ka频段。星地通信中电波从地球站发出之后，经过底层空间的对流层、平流层、电磁层到达外层空间，通过卫星转发器转发至其它空间飞行器，或者从外层空间传播回地面，完成信息传输过程。星际通信中电波信号从宇宙空间的飞行器发出，经过近于真空的环境传播至其它飞行器。
无论在哪一层范围内，电磁传播都要考虑由于能量的球面扩散而引起的电波衰减，即自由传播损耗，这也是卫星信道的主要传播损耗。
2.1对流层
平流层中物质分子稀少，对电波影响甚小，一般在研究电波传播时所指的对流层包括对流层和平流层两部分。从地面到60km左右高空，其主要成分为中性大气。对流层含有大量水分，除水汽外还包括各种降水，主要出现在近地面数千米高度范围。在晴空条件下主要考虑大气吸收衰减、大气折射率变化等引起的闪烁或多径衰减和波束的聚焦和散射，在其它天气情况下，可能还要考虑其它衰减，比如降水考虑雨衰减及其退极化效应或云衰减。
1.大气吸收
大气的损耗是由于吸收引起的，其的作用范围在对流层空间范围内。在10GHz频率以下通常可以忽略。在10GHz以上的频率，重要性逐渐增加。
2.降水衰减
降水主要包含云、雨、雾、雪等现象，其中对电波影响最大的是雨。在10GHz以上频段多云阴雨等条件下需考虑降雨和云。雾的厚度通常较小，且在约100GHz或以上的雾衰减效果才比较显著，在空间通信中不考虑。
3.退极化效应
目前的卫星通信系统中部分频段上采用正交极化方式，对流层降雨对微波段有明显的退极化影响，引起电波极化面的变动，降低了波的极化纯度，产生了交叉极化干扰及附加的退极化传输损耗。降雨率比较小、L以下频段的退极化现象对电波传播的影响可以忽略。
4.波束聚焦或散焦
由于大气中折射率随着高度有规则地减少导致射线弯曲并形成低仰角时天线波束的扩大或缩小也可能导致信号电平的改变。波束的聚焦或散焦与发射点和接收点仰角、传播距离以及传播方向有关，这一影响在仰角大于3°时可以忽略不计。
5.闪烁和多径衰落
对流层产生闪烁主要是由于大气气象条件变化随机。在低仰角（<10°）且10GHz以上频率，对流层闪烁在个别情况下会导致严重性能下降，10GHz以下频段或10°以上仰角可以不予考虑。
2.2电离层
在电离层范围从平流层顶延伸至大约1000km的高度。卫星通信使用的微波频段在电离层具有很好的穿透性，电磁层的吸收可以忽略。电磁波在电离层传播主要的损耗为法拉第极化旋转和闪烁。
1.法拉第极化旋转
电磁波在电离层传播时，使用较低频段时需要考虑法拉第效应，10GHz以上频段的法拉第效应即可忽略。
2.闪烁
电磁层闪烁影响最大的地区是极光区和地磁赤道附近的带状地区，夜间强白天弱，与太阳活动成正比，且随频率的增加而减弱。电磁层闪烁对我国卫星通信影响较小。电磁层闪烁对6GHz以下频段影响较大，太阳寂静期6GHz以上频段及中纬度地区不预考虑。
2.3外层空间
外层空间环境相对前几层来说对电磁波传播干扰较小，是星际链路传播的主要空间，基本可以认为是自由空间传播，最主要的传播损耗是自由空间传播损耗，但也受到外层空间宇宙辐射和太阳活动等的影响。
1.宇宙噪声
在卫星通信频段，主要的噪声干扰是宇宙噪声。宇宙噪声的主要来源是外层空间星体的热气体在星际空间的辐射，其中最主要的噪声源来自太阳，当接收机的天线不对准太阳时，静寂期太阳噪声对系统影响不大。对于地面站而言，太阳系天体运行规律确定一年内在春分和秋分前后出现日凌干扰，干扰发生的具体时间和地面站的位置有关。卫星通信中依据卫星的通信链路方位考虑其宇宙噪声影响。
2.太阳宇宙射线
外层空间的辐射中，在太阳耀斑爆发期间，挥发出太阳宇宙射线，太阳爆发可能引起地磁暴等。太阳磁暴可能引发电磁层暴，导致电磁层闪烁、折射误差、信号大幅衰减。目前活动期的太阳辐射对电磁传播的影响没有确定的预测模型。
4总结
空间通信中，电磁传播受到的主要影响依次为低层大气的大气吸收损耗、云雾雨衰减损耗、波束扩散损耗、闪烁或多径传播、退极化以及外层空间辐射等影响。这些影响因素多为频率、地理位置、时间和仰角的函数。对流层云衰、雨衰、大气吸收及闪烁等一般在10GHz以上频段作用才比较明显，晴天要考虑自由传输损耗、大气吸收损耗、波束扩散损耗，多云天还要考虑云衰，阴雨天还要考虑雨衰和降雨引起的退极化。电磁层闪烁和法拉第极化旋转在10GHz以下效果才明显。宇宙噪声和辐射在特定的时期或对特定方向链路影响明显。其中不确定性的计算模型，可根据统计理论和经验值进行估计。
本文给出的对各种衰减计算模型中所用到的全球气象数据，由于测试点覆盖面小，某些地区可能误差比较大，对于特定地点的预测计算，可以根据当地的气象数据值计算或者直接测量。通过对空间电磁传播过程中影响因素的模型构建，为预测空间复杂电磁场值、实现空间电磁环境的仿真提供很好的支撑。在此基础上实现空间战场电磁环境可视化平台，为指战员提供更直观的决策支撑将是下一步的研究工作。
随着航天装备的作用日益重要，各国对制空权的争夺也日益激烈，空间作战依赖于信息，空间电磁环境是空间作战信息依存的主要媒介。在电磁控制权的争夺上是否能够取得优势，很大程度上取决于电子对抗指挥员对电磁环境的准确判断以及对电子对抗作战力量的合理部署及调配。通过对空间通信电磁传播的影响进行分析，构建空间通信的电磁传播模型，从而进一步实现空间战场电磁环境仿真或可视化可为指战人员提供更直观的辅助决策。目前针对卫星通信中电磁传播的研究主要是关注于自由损耗及大气吸收、极化损耗和降雨损耗等低层大气损耗。本文全面分析了卫星通信所经历的传播环境和影响因素，并在此基础上总结各种影响因素的数学模型及其适用范围，为分析构建卫星通信范围内电磁传播整体模型提供支持。
2传播环境及影响因素分析
电磁波传播主要受其传播媒介的影响，因此需先弄清传播路径所经历的环境。近地空间是指地球周围附近的区域，它是实现地面通信与空间通信的无线电波的基本传播场所。近地空间之外是外层空间，这是星际通信的主要场所。
当前卫星通信系统中，主要使用频段为L频段、K频段、C频段、Ku频段，Ka频段。星地通信中电波从地球站发出之后，经过底层空间的对流层、平流层、电磁层到达外层空间，通过卫星转发器转发至其它空间飞行器，或者从外层空间传播回地面，完成信息传输过程。星际通信中电波信号从宇宙空间的飞行器发出，经过近于真空的环境传播至其它飞行器。
无论在哪一层范围内，电磁传播都要考虑由于能量的球面扩散而引起的电波衰减，即自由传播损耗，这也是卫星信道的主要传播损耗。
2.1对流层
平流层中物质分子稀少，对电波影响甚小，一般在研究电波传播时所指的对流层包括对流层和平流层两部分。从地面到60km左右高空，其主要成分为中性大气。对流层含有大量水分，除水汽外还包括各种降水，主要出现在近地面数千米高度范围。在晴空条件下主要考虑大气吸收衰减、大气折射率变化等引起的闪烁或多径衰减和波束的聚焦和散射，在其它天气情况下，可能还要考虑其它衰减，比如降水考虑雨衰减及其退极化效应或云衰减。
1.大气吸收
大气的损耗是由于吸收引起的，其的作用范围在对流层空间范围内。在10GHz频率以下通常可以忽略。在10GHz以上的频率，重要性逐渐增加。
2.降水衰减
降水主要包含云、雨、雾、雪等现象，其中对电波影响最大的是雨。在10GHz以上频段多云阴雨等条件下需考虑降雨和云。雾的厚度通常较小，且在约100GHz或以上的雾衰减效果才比较显著，在空间通信中不考虑。
3.退极化效应
目前的卫星通信系统中部分频段上采用正交极化方式，对流层降雨对微波段有明显的退极化影响，引起电波极化面的变动，降低了波的极化纯度，产生了交叉极化干扰及附加的退极化传输损耗。降雨率比较小、L以下频段的退极化现象对电波传播的影响可以忽略。
4.波束聚焦或散焦
由于大气中折射率随着高度有规则地减少导致射线弯曲并形成低仰角时天线波束的扩大或缩小也可能导致信号电平的改变。波束的聚焦或散焦与发射点和接收点仰角、传播距离以及传播方向有关，这一影响在仰角大于3°时可以忽略不计。
5.闪烁和多径衰落
对流层产生闪烁主要是由于大气气象条件变化随机。在低仰角（<10°）且10GHz以上频率，对流层闪烁在个别情况下会导致严重性能下降，10GHz以下频段或10°以上仰角可以不予考虑。
2.2电离层
在电离层范围从平流层顶延伸至大约1000km的高度。卫星通信使用的微波频段在电离层具有很好的穿透性，电磁层的吸收可以忽略。电磁波在电离层传播主要的损耗为法拉第极化旋转和闪烁。
1.法拉第极化旋转
电磁波在电离层传播时，使用较低频段时需要考虑法拉第效应，10GHz以上频段的法拉第效应即可忽略。
2.闪烁
电磁层闪烁影响最大的地区是极光区和地磁赤道附近的带状地区，夜间强白天弱，与太阳活动成正比，且随频率的增加而减弱。电磁层闪烁对我国卫星通信影响较小。电磁层闪烁对6GHz以下频段影响较大，太阳寂静期6GHz以上频段及中纬度地区不预考虑。
2.3外层空间
外层空间环境相对前几层来说对电磁波传播干扰较小，是星际链路传播的主要空间，基本可以认为是自由空间传播，最主要的传播损耗是自由空间传播损耗，但也受到外层空间宇宙辐射和太阳活动等的影响。
1.宇宙噪声
在卫星通信频段，主要的噪声干扰是宇宙噪声。宇宙噪声的主要来源是外层空间星体的热气体在星际空间的辐射，其中最主要的噪声源来自太阳，当接收机的天线不对准太阳时，静寂期太阳噪声对系统影响不大。对于地面站而言，太阳系天体运行规律确定一年内在春分和秋分前后出现日凌干扰，干扰发生的具体时间和地面站的位置有关。卫星通信中依据卫星的通信链路方位考虑其宇宙噪声影响。
2.太阳宇宙射线
外层空间的辐射中，在太阳耀斑爆发期间，挥发出太阳宇宙射线，太阳爆发可能引起地磁暴等。太阳磁暴可能引发电磁层暴，导致电磁层闪烁、折射误差、信号大幅衰减。目前活动期的太阳辐射对电磁传播的影响没有确定的预测模型。
4总结
空间通信中，电磁传播受到的主要影响依次为低层大气的大气吸收损耗、云雾雨衰减损耗、波束扩散损耗、闪烁或多径传播、退极化以及外层空间辐射等影响。这些影响因素多为频率、地理位置、时间和仰角的函数。对流层云衰、雨衰、大气吸收及闪烁等一般在10GHz以上频段作用才比较明显，晴天要考虑自由传输损耗、大气吸收损耗、波束扩散损耗，多云天还要考虑云衰，阴雨天还要考虑雨衰和降雨引起的退极化。电磁层闪烁和法拉第极化旋转在10GHz以下效果才明显。宇宙噪声和辐射在特定的时期或对特定方向链路影响明显。其中不确定性的计算模型，可根据统计理论和经验值进行估计。
本文给出的对各种衰减计算模型中所用到的全球气象数据，由于测试点覆盖面小，某些地区可能误差比较大，对于特定地点的预测计算，可以根据当地的气象数据值计算或者直接测量。通过对空间电磁传播过程中影响因素的模型构建，为预测空间复杂电磁场值、实现空间电磁环境的仿真提供很好的支撑。在此基础上实现空间战场电磁环境可视化平台，为指战员提供更直观的决策支撑将是下一步的研究工作。