電離層對衛(wèi)星信號傳播及其性能影響的研究.pdf

1、本文以隨機介質(zhì)電波傳播理論研究為出發(fā)點，圍繞電離層對星—地鏈路衛(wèi)星信號傳播以及星載SAR等無線電系統(tǒng)性能的影響開展相關(guān)研究。由相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和存在問題的分析可見，背景電離層對于衛(wèi)星信號的傳播效應(yīng)比較清楚，而主要問題和困難都集中在隨機介質(zhì)傳播和雙程傳播的理論問題上。所以本文將工作重點放在隨機介質(zhì)波傳播理論問題和與之相關(guān)的衛(wèi)星信號傳播的電離層效應(yīng)研究上。由于星載SAR等系統(tǒng)的發(fā)展，這些問題成為電離層電波傳播和雷達(dá)領(lǐng)域的熱點問題之一，亟待解

2、決。作為研究工作的基礎(chǔ)，本文首先介紹了電離層介質(zhì)特性和衛(wèi)星信號電離層傳播的基礎(chǔ)理論。在此基礎(chǔ)上，主要開展了如下工作： 第一、利用時間矩方法和文獻(xiàn)中由積分方程迭代方法求得的脈沖傳播雙頻互相干函數(shù)，全面和系統(tǒng)地研究了衛(wèi)星信號穿過電離層隨機不規(guī)則體層傳播的時間特性，包括平均到達(dá)時間、脈沖展寬、偏度和峰度(峭度)等。結(jié)果表明：①平均到達(dá)時間的決定項為載頻上的群速傳播時間。其它附加時延主要來自背景電離層的高階色散和不規(guī)則體的散射效應(yīng)，而電

3、子密度不規(guī)則體色散引入的附加時延相對較小可以忽略。②脈沖穿過湍動電離層時的展寬效應(yīng)主要來自電離層背景色散效應(yīng)和電子密度不規(guī)則體的隨機散射，而不規(guī)則體的色散效應(yīng)貢獻(xiàn)相對較小。③穿過電離層脈沖時間偏度數(shù)值為負(fù)，表明能量分布偏向上升沿。電子密度不規(guī)則體散射和色散效應(yīng)起決定作用，大于電離層背景效應(yīng)。④高斯脈沖信號穿過電離層后峰度為負(fù)值，即變得比原來平坦。 第二、穿過隨機電離層衛(wèi)星信號二階統(tǒng)計特性和電離層信道統(tǒng)計特性研究。①數(shù)值討論了平面

4、波脈沖雙頻、雙點互相干函數(shù)的有關(guān)特性。②利用互相干函數(shù)，研究了衛(wèi)星信號穿過隨機電離層信道傳播的二階統(tǒng)計特性，包括相干距離和相干帶寬等。結(jié)果表明，相干距離和相干帶寬隨著外尺度和內(nèi)尺度的增加而增大，而且隨著外尺度的變化更快；隨著電子密度不規(guī)則性起伏的增強而迅速減小。③隨后，還討論了隨機電離層信道的功率沖擊響應(yīng)和功率譜函數(shù)；引入時間依賴關(guān)系，將雙頻、雙點互相干函數(shù)推廣為雙頻雙點雙時互相干函數(shù)，用以研究信道的延遲-Doppler散射函數(shù)。

5、 第三、建立解析求解隨機介質(zhì)波傳播強起伏條件下場的高階對稱矩方程的一般框架和方法。隨機介質(zhì)波傳播強起伏理論的發(fā)展至今不盡人意，主要困難在于場的矩方程難以求解。本文通過在完全飽和情況高斯解的基礎(chǔ)上添加修正項的方法，解析求解了強起伏情況場的(n+n)階對稱矩方程。高斯解部分可以由二階矩求得；關(guān)鍵是求解非高斯修正項滿足的方程，本文提供兩種解法：格林函數(shù)方法和Rytov近似解。因為非高斯修正項相對于高斯項而言是小量，所以可以求其Rytov近似

6、解。高階對稱矩求解過程沒有對散射強度和入射波形式做任何限定，所得解析解具有通用性。 第四、強起伏條件下場的四階矩方程的求解，及其在衛(wèi)星信號電離層閃爍和相關(guān)特性研究中的應(yīng)用。①在一般強起伏條件下，本文詳細(xì)推導(dǎo)了任意入射波形式下的四階矩解析解，所求解具有通用性。②具體推導(dǎo)了平面波四階矩解析解，并詳細(xì)研究了衛(wèi)星信號電離層閃爍和強度起伏的相關(guān)特性，理論得到了試驗數(shù)據(jù)的驗證。這對于四階矩方程求解和電離層閃爍特性研究具有一定的指導(dǎo)意義。第五