天地信道电波传播特性

引用请写：Zixia Shang. Low Earth Orbit Satellite Networks for 6G: A Review of Ground-Satellite Channel Link Budget. TechRxiv. 08 September 2025.
DOI: https://doi.org/10.36227/techrxiv.175735665.55050224/v1

A. 信道传播损耗分层模型

在天地信道中，电波传播特性受到多种因素的影响，包括大气不同层次、地面环境以及电离层干扰等。为了更准确地描述信道损耗，通常将传播损耗划分为多个层级，每一层对应不同的传播损耗机制。
Fig 1. Atmospheric Stratification and Loss Classification

如图1所示，自由空间损耗存在于所有大气层中，主要来源于信号在自由空间传播过程中的能量扩散，其大小与传播距离、频率以及传播环境密切相关。

在地面层，损耗主要包括：

• 地物杂波损耗：由地面物体及障碍物反射引起，导致信号衰减；
• 地面多径损耗：由反射、折射和散射等多径效应引起，导致信号强度下降。

在对流层中，损耗类型更加复杂，包括：

• 对流层闪烁与多径损耗；
• 云雾衰减；
• 降雨衰减。

其中，对流层闪烁主要由大气不均匀性和气流引起的折射效应造成；云雾和降雨衰减则源于大气中水滴和水汽对信号的吸收与散射。

此外，大气衰减是指电磁波在传播过程中受到大气分子吸收与散射导致的能量损失，广泛存在于对流层、平流层和中间层中。

电离层效应主要表现为电离层闪烁吸收，其由电子密度不均匀和电离强度变化引起，对信号产生衰减作用，在热层中尤为显著。

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B. 自由空间损耗

自由空间损耗表示信号在空间传播过程中随距离增加而产生的自然衰减，是链路预算中的关键因素。

其表达式为：

$$L=20\lg \left(\frac{4\pi R}{\lambda }\right)=32.44+20\lg f+20\lg R$$

其中：

• $f$：频率（MHz）
• $R$：卫星与地面之间的距离（km）

距离 $R$ 可表示为：

$$R=R_e+h\sin \beta \cos \theta$$

其中：

• $R_e=6378.14km$：地球半径
• $h$：卫星高度
• $\theta$：地面站仰角
• $\beta$：纬度角

$$\beta =90^{\circ }-\theta -\arcsin \left(\frac{R_e}{R_e+h}\cos \theta \right)$$

C. 大气衰减

当电波在大气中传播时，大气中的气体成分会导致信号衰减，其程度取决于频率、温度、湿度和气压。

计算所需参数包括：

• 频率 $f$（GHz）
• 气压 $B_p$（hPa）
• 温度 $t$（℃）
• 相对湿度 RH（%）

主要计算步骤包括：

1. 计算干空气衰减率 ${\gamma }_{dry}$
2. 计算水汽衰减率 ${\gamma }_{water}$
3. 计算等效高度 $h_{dry},h_{water}$
4. 最终大气衰减：

$$L_{gas}=\frac{{\gamma }_{water}{h}_{water}+{\gamma }_{dry}{h}_{dry}}{\sin \theta },\theta \ge 5^{\circ }$$

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D. 云雾衰减

云和雾由水滴构成，在20 GHz以上频段对信号影响显著。

参数包括：

• 频率 $f$（GHz）
• 液态含水量 $L$（kg/m²）

计算步骤：

1. 计算水的复介电常数
2. 计算衰减系数 $K_1$
3. 总衰减：

$$L_c=\frac{L{K}_1}{\sin \theta },10^{\circ }\le \theta \le 90^{\circ }$$

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E. 降雨衰减

在10 GHz以上频段，降雨衰减成为主要衰减来源。

关键参数包括：

• 频率 $f$
• 纬度 $\phi$
• 极化角 $\tau$
• 雨强 $R_{0.01}$

计算流程：

1. 计算雨高
2. 计算路径长度
3. 计算比衰减率：

$${\gamma }_R=k{R}_{0.01}^{\alpha }$$

4. 最终衰减：

$$L_p=L_{0.01}{\left(\frac{p}{0.01}\right)}^{-\left[0.6555+0.033\ln p-0.045\ln L_{0.01}-\beta (1-p)\sin \theta \right]}$$

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F. 地物杂波损耗

地物杂波损耗由地面建筑、植被等造成。

LOS概率：

$$P_a=1-a(90-\theta {)}^2$$

杂波损耗：

$$L_{ctt}=12(1-P_a)$$

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G. 电离层闪烁与吸收

电离层中电子密度不均匀会导致信号振幅与相位随机波动。

折射率：

$$n\approx 1-\frac{40.3N_e}{f^2}$$

吸收：

$$L_A=\frac{k{N}_e{d}_l}{f^2\cos \left(\arcsin \left(\frac{\sin \theta }{n}\right)\right)}$$

对于高频（>10 GHz）系统，该效应通常可忽略。

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H. 对流层闪烁与多径衰落

对流层闪烁由折射率变化引起，与频率、路径长度相关。

标准差：

$${\sigma }_{ref}=3.6\times 10^{-3}+10^{-4}{N}_{wet}$$

闪烁衰落：

$$L_A(p)=a(p)\cdot \sigma$$

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I. 地面多径传播

多径传播由建筑物、地形等引起，接收信号为多路径叠加。

常用模型：

• 无直射路径：瑞利衰落
• 有直射路径：莱斯衰落

在卫星通信中，由于远距离传播，多径分量通常较弱，可视为噪声。

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J. 动态时变多普勒效应

由于卫星高速运动，会产生显著的多普勒频移。

角速度：

$${\omega }_0=\sqrt{\frac{GM}{(R_E+h_s{)}^3}}$$

多普勒频移：

$$f_{doppler}(t)=\frac{f{\omega }_0{R}_E}{c}\cos \theta (t)$$

该频移随时间变化，对接收机载波同步影响显著。