空间环境对无线电波传播的影响综述

28
航天器环境工程
2009 年第 26 卷
频率[9]； ΔM = 0.18 + 0.096(R12 − 25) ，其中
X −1.4
150
X
=
fF2 ,0 fE,0
，R12 为太阳黑子数
12
个月流动平均值。
2.2.2 星际和太阳附近等离子体环境 太阳连续向外发射的等离子体流充斥了太阳
附近的星际空间。从太阳喷射出的等离子体流也叫 太阳风，它带有“冷冻”磁场，该磁场的强度随着 等离子体流远离太阳而急剧下降。由于太阳的旋转 和等离子体流的径向流动，星际磁场的磁力线具有 阿基米德螺线形式，因此星际磁场的方向呈周期性 变化，如图 1 所示。
产生影响。现阶段研究空间环境对通信影响的工作 电离层的变化，如电离层暴[3]。综上可见地球磁场
主要是通过建立简单的电离层模型来进行，很少去 对电磁波传播有重要影响。
考虑磁场和电离层不均匀性等影响因素，也还没有
地球磁场按起源不同分为内源场和外源场两
建立精确的空间等离子体模型来研究对通信的影 个组成部分。内源场起源于地球内部，包括基本磁
NE,max hj
−
N j hE,max
,
⎪⎪ hj − hE,max
hj − hE,max
hE,max
⎨
⎪ ⎪
N
F2
,
max
⎪
⎡ ⎢1 − ⎢⎣
⎛ ⎜⎜⎝
h − F2 ,max yF2 ,max
h
⎞2 ⎤
⎟⎟⎠
⎥ ⎥⎦
,
h
j
<
h
≤
hF2 ,max
<
h
≤
hj
，
(3)
⎪
⎪ ⎪⎩
N
F2
,
max
exp[1 (1− 2
间。人们要在宇宙空间中活动，通信是必不可少的。 分布，同时也要考虑地磁场对等离子体电磁特性的
然而对于一个无线电通信系统而言，通信的性能不 影响。等离子体是宇宙空间物质构成的主要形态，
但取决于无线电系统设备的性能，电波传播环境也 99%以上的物质都以等离子体形态存在。对人类活
是实现高质量通信所必须考虑的因素。因此，高 动造成影响的空间等离子体环境可分为电离层等
图 3 太阳天顶角 Fig. 3 Sun zenith angle
天顶角可用公式
cos x = sin L1 sin L2 + cos L1 cos L2 cos Ω (5)
进行求解，式中： L1 是观察点的地理纬度； L2 是 月中时太阳直射点的纬度；Ω = sy − yn ，其中 sy 是 太阳直射点的经度，sy = 15tg −180 ，tg 为世界时； yn 是反射区的地理经度。
图 1 星际磁场 Fig. 1 The interplanetary magnetic field
在太阳系内，把从太阳到水星轨道间的空间区 域定义为太阳附近等离子体空间，把太阳附近等离 子体空间以外介于各行星轨道之间的等离子体空 间定义为星际等离子体空间。
2.3 地球磁层
如果太阳风不存在，则外电离层就由包含着质 子和电子的等离子体构成，其密度由沿着地磁场磁 力线的扩散来决定，它应当逐渐混合到外层空间等 离子体中。但是由于高导电性的太阳风的存在，情 况就完全不同了。当太阳风穿过地球磁场运动时， 其中的感应电流产生一个附加场叠加在地磁场之 上，并使地面的地磁场增强，好像受到了压缩一样。 同时地磁场施于感应电流的力使太阳风改变方向， 绕开包围着地球的某一区域。这样，就有一个明确 的边界将该区域的外部与内部分开。外部太阳风边 界叫做舷激波，内部地球磁场边界叫做磁层顶，其 内部区域就叫做磁层。磁层边界在向阳的一侧大致
f
2 j
，
fj
= 1.7 fE,0 ；
hj = hF2 ,max − yF2 ,max
1− ( f j )2 ；hE,max 为 E 层最大电 fF2 ,0
子密度所在高度， hE,max = 115 km； yE,max 为 E 层 半厚度， yE,max =20 km； NF2 ,max 为 F2 层最大电子
———————————— 收稿日期：2008-09-09；修回日期：2008-12-25 作者简介：杨永常（1984-），男，硕士研究生，信息与通信系统专业。E-mail: yangyongchang@126.com。
杨永常等：空间环境对无线电波传播的影响综述
27
（IAGA）的国际参考磁场模式（IGRF）最为完整 和系统。在 6 个地球半径高度的空间内，地球磁场 呈现为偶极子磁场，其北极约在北纬 76°1′、西经 100°，其南极在南纬 65°8′、东经 139°。 水平磁场强度可粗略表示为 H = 309cosφ ； (1)
密度， NF2 ,max
=
1.24
×10
f2 F2 ,0
，1/m3；
hF2
,max
为
F2
层最大电子密度所在高度，
hF2 ,max
=
1490 M F2 ,3000 + ΔM
−176 。
(4)
式 ( 4 ) 中 ： M F2 ,3000 =
f m,u fF2 ,max
是电波传输因子，
fm,u 是电波在 F2 层反射传输 3 000 km 时的最大可用
响。这种简单近似法所得结果与实际情况有一定误 场和外源场在地壳内的感生场。外源场起源于地球
差，而现阶段（如“伽利略”计划）需要更精确的 附近的电流体系，包括电离层电流、环电流、场向
全球电离层模型，对于更高层空间的航天器则要求 电流、磁层顶电流及磁层内其他电流。现今存在多
准确的空间等离子体环境模型。
种地磁场模式，其中以国际地磁场和高空物理协会
h − hF2 ,max H
− h−hF2 ,max
−e H
)],
hF2 ,max < h ≤ 1 000 km
式 中 ： NE,max 为 E 层 最 大 电 子 密 度 ，
N E, max
= 1.24 ×1010
fE
2 ,0
，fE,0
指磁化等离子体中寻常
波的临界频率； N j
= 1.24 ×1010
的影响。首先介绍了几种典型的电离层模型，接着详细讲述了工程实用电离层模型；随后给出了电磁波在等离
子体环境中的传播路径和等离子体介质在磁场环境下对电磁波影响的定量分析，并建议将空间等离子体环境（包
括星际等离子体环境和电离层等离子体环境等）作为一个整体进行研究，来考虑地磁场对等离子体电磁特性的
影响；最后基于目前理论的不足与实际需求的矛盾，探讨未来的研究方向。
工程实用电离层剖面模型由 4 个部分组成：E 层用最大电子密度 NE,max、最大电子密度高度 hE,max 与半厚度 yE,max 描述；F2 层用最大电子密度高度
hF2 ,max 与半厚度 yF2 ,max 描述；F1 层状态完全由 E 层 和 F2 层电离参数确定，在 hE,max 和 h j 间电子密度
是球形的，在背阳的一侧大致是柱形的[10]，如图 2 所示。
图 2 近地空间环境 Fig. 2 Near-earth space environment
地球磁层占据了地球空间绝大部分体积，在向 阳面磁层顶距地心平均 10~11 倍地球半径，太阳风 压力增强时可减小到地球同步轨道高度以下，磁尾 可以延伸到数百至上千倍地球半径外。在舷激波和 磁层顶之间的区域叫做磁鞘，磁鞘中的等离子体来 自经过舷激波加热的太阳风。磁鞘中磁场的方向对 太阳风-磁层相互作用有控制作用，当磁鞘磁场有 南向分量时，磁层顶会出现磁重联，此时太阳风向 磁层传输的能量、动量、等离子体和磁通量明显增 加，因而容易发生磁暴和磁层亚暴。由于等离子体 起源和动力学特性不同，地球磁层大致可以分为两 大区域：能量及等离子体的传输区和存储区。磁层 传输区主要是指磁层顶边界层，它是行星际空间和 磁层之间的过渡区，包括低纬边界层、进入层、极 隙区和高纬边界层。磁层存储区有等离子体片、尾 瓣、环电流、辐射带和等离子体层。
磁层是太阳风和近地空间的过渡区。太阳风不 停地向磁层输运能量，经过在磁层内的转换和传 输，进而通过与电离层、热层的耦合，影响近地空 间环境。由于磁层和太阳风之间以及磁层内各区域 之间都存在小尺度的交界面，这就使得太阳风-磁 层-电离层能量耦合过程具有高度的非线性，经常 表现出突发性的特征，产生如磁层亚暴、磁暴、磁 层粒子暴等灾害性太空现象[11]，使运行于其中的航 天器出现故障甚至完全损坏。
电离层的特性随地理位置而变，并有日变化、
月变化、季变化和年变化。因此电离层这种传输介 质在时域、空域、相频域 3 方面都呈现着显著的随 机性。受到理论和科技水平的限制，现有的电离层 模型大都是简单统一的模型，可分为理论和经验两 大类。理论模型主要由电离层形成机制和电离层物 理电子特性推导而得，经验模型则由大量电离层探 测数据经统计分析而得。总的来说，由于电离层结 构和形态的复杂性，很难用一种严格的数学表达式 精确地描述它的空间分布。目前所用模型有抛物层 模型和准抛物层模型、分段准抛物层模型[5, 6]、线 性层模型、指数层模型、国际参考电离层（IRI） 和中国参考电离层（CRI）[7]、工程实用电离层模 型[8]等。此外还有许多局域性电离层参考模型，如 亚太地区电离层模型。
质量的电波传播环境特性探测和预测是电子系统 离子体环境、星际和太阳附近等离子体环境[1]，而
能力发挥的前提。正确地选择无线电电子系统工 离我们最近的是地球电离层。
作参数与电波传播环境相匹配地进行工作，系统 性能就会得到提升。反之，片面地考虑收发设备的 性能和增大电磁波的发射功率也取得不了好的通 信效果。
随高度线性增加。在 F2 层最大电子密度高度
hF2 ,max 以上是指数型的上电离层区。相应的电子密
度剖面模型的数学表达式为
⎧ ⎪ ⎪
N
E
,max
[1
−
(
hE,max − yE, max
h
)2
],
hE,max − yE,max ≤ h ≤ hE,max
Ne (h)
=
⎪ ⎪
N
j
−
N E , max
h+
航天器环境工程
第 26 卷第 1 期
26
SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING
2009 年 2 月
空间环境对无线电波传播的影响综述
杨永常，宗 鹏，魏志勇
（南京航空航天大学，南京 210016）
摘要：文章研究了空间环境对无线电通信的影响，主要体现在多种因素制约下的等离子体环境对电波传播
关键词：等离子体；电离层；无线电波传播
中图分类号：P162.1;TN926+.2
文献标识码：A
文章编号：1673-1379(2009)01-0026-07
1 引言
2 电磁波传播的空间环境
现代科技日新月异，伴随着科技的发展，人类
研究等离子体环境对通信性能的影响，主要考
借助于各种航天器已将活动领域延伸到了星际空 虑等离子体中对通信影响起主要作用的电子密度
3 等离子体对电磁波各参数的影响
如前所述，等离子体对电磁波各参数会有不同
杨永常等：空百度文库环境对无线电波传播的影响综述
29
的影响，这些影响都与电离层电子密度相关。而电 离层电子密度又与太阳的相对位置密切相关，对于 天际通信，太阳的相对位置一般用反射区的太阳天 顶角来表示。一个地点在某一时刻的太阳天顶角是 指该点地球法线与此时太阳至地心连线之间的夹 角，如图 3 中的 x 角。
4π
垂直磁场强度可粗略表示为 Z = 618sinφ 。 (2) 4π
式(1)、(2)中：H，A/m；Z，A/m；φ 为地磁纬度， 精确求值时还要考虑地磁和太阳风耦合产生的年 变化和日变化[4]。
2.2 空间等离子体环境
2.2.1 电离层等离子体环境 早在二战时期，为了军事上的应用，人们就开
始了电离层的探测研究。由于电离层中电子是影响 通信的主要因素，因此电离层电子密度剖面是电离 层模型的主要表现形式。在考虑空间环境各种参数 互相耦合的前提下，电离层为各向异性、不均匀、 有耗和时变的传输媒质，它会使通过其中的电磁波 各参数发生变化，所以可以利用这些变化来探测电 离层电子密度。现行的电离层探测技术有电离层垂 直探测、法拉第旋转探测、多普勒效应测量和电离 层探针测量等。
宇宙中的物质大部分是由等离子体组成的，因 此空间环境对通信的影响主要体现在等离子体环 境对通信的影响上。同时又因为空间环境中各因素 互相耦合，所以有很多因素可以直接或间接对通信
2.1 地球磁场
虽然地球磁场对电磁波的传播没有直接的影 响，但由于地球磁场的存在，在地球周围才有辐射 带和磁层；在地球磁场磁化状态下的电离层对电磁 波的传播来说是各向异性的媒质，使电离层中垂直 于磁场传播的电磁波分为寻常波和非常波，同时使 得在电离层中平行于磁场传播的线极化波分为左 旋极化波和右旋极化波[2]；地磁场的脉动也会引起