3.2　传播信道特性

电离层对星-地链路无线电系统信号传播和运行性能会产生多方面的影响，电离层折射指数与电子密度的局域分布有关，而由电离层平均背景或大尺度电离层结构造成的若干影响一般都与总电子含量有关，这些影响包括衰减、吸收、相移、时延、色散、极化旋转、折射和多径效应等。另外，相对较小尺度的电离层结构可能引起接收信号相位、振幅、到达角等特征的随机起伏。

无线电波可以由5个基本参数及它们的时空变化而确定，它们分别是振幅、传播方向、相位、频率和极化。吸收、大尺度聚焦效应或小尺度衍射效应可能会影响接收的无线电波振幅，折射或绕射效应可能会引起到达角的变化，接收相位起伏可能会引起无线电波瞬时频率的变化，极化可能会受到磁等离子体裂变及其引起的折射、差分吸收和相位变化的影响。电离层具有色散、吸收、双折射和各向异性等特性。在不考虑地磁场的情况下，前两种特性存在，对无线电系统影响作一阶近似处理时仅需考虑这些特性。如果考虑地磁场的存在，那么电离层会存在双折射和各向异性，而法拉第旋转效应是由双折射特性引起的重要现象。表3.2.1列举了电离层对电磁波各项影响的数值估计。其中，设定仰角为30°，频率范围为0.1～10GHz，设定为单程路径，总电子含量为10 ¹⁸ el/m ² （高太阳活动下低纬白天的高总电子含量）。

3.2.1　相位超前与色散

为了分析电离层对卫星信号传播相路径长度的影响，需要考虑有效的相路径长度

式中，原本存在的因子cos α 被省略了（ α 是电波法线方向和射线的夹角），因为在VHF波段以上这个因子基本为1。电离层引入的相路径长度变化Δ l _p 可以写成（单位为米）

由此可见，与自由空间的情况相比，电离层的存在相当于缩短了相路径长度。

无线电波在电离层中的相位折射指数小于1，因此相对于自由空间存在相位超前。电离层内不规则体会引起相位畸变。在一个Fresnel带半径的横向距离内的这种畸变若可以与1rad相比拟，则会发生不规则的振幅闪烁。电离层引起的相位超前可以写成

由此可见，相位变化反比于工作频率，Fresnel带半径正比于 λ ^1/2 ，因而闪烁在低频段更显著。

由电离层引起的相位色散就是相位相对于频率的变化率。由式（3.2.1.3）可得

相位色散会增加雷达系统的测距误差。与相位色散相比，所谓的时延色散通常特指时间相对于频率的变化率，也即d t /d f 。不同的频率相速度有所不同，因此色散对宽带系统的影响更显著。波数 k 是频率 ω 的非线性函数，因此宽带信号在不同的频率成分上与发射时有不同的相位关系。电磁脉冲在穿过电离层时，色散现象会导致其在时间（和空间）上发生形变，具体表现为展宽和能量分布变化等情况。

3.2.2　法拉第旋转

在存在地磁场的情况下，电波与电离层中电子的相互作用产生了法拉第旋转效应。线极化无线电波在电离层中传播时，会分解为两个相反旋转方向的椭圆极化分量（频率越高，则两个分量越接近圆极化）。这两个分量在电离层中传播一段距离后重新合成线极化波，由于在电离层中它们的传播速度有所不同，所以相对于入射波的波矢量方向，合成的波矢量会发生旋转，这种现象被称为法拉第旋转。因为每个本征极化具有不同的波数，所以它们在电离层中传播的速度不同。对于准纵情形，由式（3.2.1.1）可知两个分量之间的相路径长度差为

式中，下标“+”和“-”分别表示寻常波和非寻常波； ω _L = ω _H cos θ 表示磁场的纵向分量。其中， ω _H = eB ₀ / m 表示电子回旋角频率（ B ₀ 表示地磁场磁感应强度）； θ 表示电波法线方向和地磁场的夹角。

穿过电离层的线性极化电磁波可以表示为两个特征波，它们通常以不同的相速传播，并且是具有相反旋转方向的椭圆极化。在电离层中传播时，合成波极化面不断旋转。当无线电波频率高时，两个特征波的折射率都接近于1。在这种情况下，除了在精确垂直附近角度，准纵近似都是比较精确的。

本征极化通过电离层的速度不同，因此两种极化之间的相对相位将发生改变。法拉第旋转对无线电系统有严重影响，尤其是采用线极化信号的系统（在1GHz旋转角可超过100°）。对于L波段或更低频率的信号，可以采用圆极化来消除法拉第旋转。由式（3.2.2.1）可得单程传播的极化旋转角，即

由此可见，旋转角不仅与电波频率、电子密度分布有关，还与地磁场沿传播路径的分量有关。当电磁波进行严格的纵向传播（即传播方向和地磁场方向一致）时旋转最大。一般，可以将传播路径上的地磁场近似看作一个平均值 B _av ，那么

卫星信标的法拉第旋转相对较容易测量，因此卫星信标的法拉第旋转可以用来测定电离层总电子含量。

3.2.3　群时延与色散

1.群时延现象

色散使得电磁脉冲以不同于相速的群速穿过电离层，引入的群折射指数可以写成

这样一来，单程传播的等效群路径为

忽略磁场，在VHF波段以上有 n ′≈1/ n ，因此电离层导致的群路径长度变化量是（单程路径）

由此可见，附加距离延迟Δ l _g 是正的，电离层引入的传播附加时延为

卫星信号在电离层中传播的速度比自由空间慢，由此产生群时延。对式（3.2.3.3）沿射线路径积分，可以得到背景电离层引起群路径长度的变化、导致的测距偏差。利用Snell定律和Appleton-Hartree公式可以恢复实际路径。

2.时延色散现象

相对于相位色散而言，时延色散通常特指时间相对于频率的变化率，即

3.2.4　多普勒效应

电离层引入的相位变化正比于总电子含量，它相对于时间的任何形式（如反射源运动）的变化将会导致相位的相应变化。接收相位对于时间的这种变化意味着观测频率的扰动。电离层引起的单程路径频移为

多普勒频移正比于相路径变化率。如果不考虑电离层的影响，那么星-地链路传播信号的多普勒频移将只由发射机（或接收机）的速度镜像分量决定。电离层的存在改变了多普勒频移，首先是因为折射使得信号传播偏离直线路径，其次是由于电离层中的相速度与自由空间的相速度数值不同。在宁静电离层的情况下，dTEC/d t 平均约为0.2TECU/s，数值很小；但是在电离层高度活动期间，总电子含量快速变化。当多普勒频移增大到一定程度时，GPS接收机可能失锁，即锁相环无法锁定信号相位。 qgLdt94HOmqjbyoGDJpAx7IzfYaJphq+o+btlli3N8q4ylhhkKR7WzUqn3zkp9BS