不同天气条件下气象卫星信道的建模与仿真

论文总字数：16063字

目 录

1绪论 ……………………………………………………………………………………………3

1.1研究背景……………………………………………………………………………………3

1.2拟解决的科学问题…………………………………………………………………………3

2气象卫星通信信道的性质 ……………………………………………………………3

2.1气象卫星通信传输的路径损耗…………………………………………………………3

2.1.1自由空间损耗……………………………………………………………………4

2.1.2电离层效应………………………………………………………………………4

2.1.3大气损耗…………………………………………………………………………5

2.1.4雨衰………………………………………………………………………………5

2.2多径衰落和阴影遮蔽效应………………………………………………………………5

2.2.1多径衰落效应……………………………………………………………………5

2.2.2阴影遮蔽效应……………………………………………………………………6

3气象卫星单效应信道仿真模型 ……………………………………………………7

3.1阴雨天气下气象卫星的单效应信道统计模型…………………………………………7

3.2多云天气下气象卫星的单效应信道统计模型…………………………………………8

3.3晴朗天气下气象卫星的单效应信道统计模型 ………………………………………10

4雾霾天气下气象卫星信道三状态Markov模型 ………… …………………11

4.1雾状态、霾状态、雾霾混合状态下的信道模型 ……………………………………12

4.2雾霾天气下卫星信道的三状态Markov模型 ………………………………………12

4.3三状态Markov模型的仿真 …………………………………………………………14

4.4仿真分析… ……………………………………………………………………………15

5总结 ……………… …………………………………………………………………………16

参考文献 ………………………………………………………………………………………17

致谢 ……………………………………………………………………………………………20

多天气条件下气象卫星信道的建模与仿真

肖鹏飞

， China

Abstract：The required bandwidth of the channel is increased with the increasing detection instruments,improving the detection accuracy and increasing the data transmition quantity and the code rate.In order to meet the development of meterological satellite ,and further improve the quality of meterological ground stations to receive satellite data ,it is necessary to explor the nature of the meterological satellite channel and establish its channel simulation model.The main communication’s environment of the metorological satellite is in the physical layer of the atmosphere.Meterological satellite signals that are sent through the atmosphere will have a certain degree of attenuation.First,fully discussing the factors affecting the communication of the meteorological satellite.For example ,free space attenuation,atmosphere attenuation,rain attenuation,multi-path effect,shadow effect and so on.Then ,based on these factors,discussing the model of meteorological satellite under single weather condition and using computer to simulate.At

last,take fog-and -haze weather for example,discussing the model of meteorological satellite under different weather and using computer to simulate.Computer simulation experiment shows theoretical model consistents witn simulation modelvery well,verlidating the exactness of the theory.

1．绪论

1.1研究背景

我国有两大系列的气象卫星，它们分别是极轨卫星和静止卫星。极轨卫星穿越赤道飞行，它的轨道包围着南北两级。飞行一周大概要102分钟，轨道的高度大概是830公里。其中卫星经过的地方时间大致相同，因此还称之为“近极地太阳同步轨道卫星”。它有可以对全球所有地方都能观测到的优势，大部分是用于环境的观测和在天气预报方面的应用。静止卫星距离地面大概有35800公里，在赤道的上空，跟地球自转是同步的。卫星只能观测到地球的固定区域，大概相当于三分之一的面积，也称为“地球同步轨道卫星”。它有可以对局部的地区进行15分钟到30分钟一次的高频观测的优点，可以发现迅速变化的天气系统，大部分是用在天气分析尤其是中尺度强对流天气的监测。

随着我国对天气及气候预报发展的要求越来越高，势必要对观测资料精度的要求也越高。而观测资料中卫星数据是非常重要的一部分。目前，随着新一代气象卫星对探测精度的提高，数据的传输量也相应的增加。为了去适应气象卫星发展，提高地面接收到的气象卫星数据的质量，有必要研究一下气象卫星的信道的复杂的特性，然后建立其仿真模型。通过分析大气物理环境，根据不同的天气下的气象卫星的信道的特性建立可以代表气象卫星的通信特性的模型。然后设计仿真实验去验证模型是否严谨。气象卫星信道模型也是设计气象卫星通信的基础，因此建立能适应不同的气象条件下的气象卫星的仿真模型为新一代气象卫星通信系统的设计提供一定的理论依据。

1.2拟解决的科学问题

目前，对于10GHz以下频段的卫星信道建模研究主要涉及陆地通信卫星，建模时考虑的信道特性均受地面环境的影响；对于10GHz以上的Ku和Ka频段的卫星信道建模，主要考虑天气因素的影响，特别是信道的雨衰特性。但是对于10GHz以下的频段的卫星的信道特性的分析和建模时考虑大气环境的影响的相关的研究还几乎不存在。我国的风云系列的气象卫星的气象数据下行传输所使用的频段都是10Hz以下的。因此，针对我国的气象卫星的信道特性，需要从以下的几个方面进行研究：

(1)气象卫星的信号传输主要经过大气层，而大气物理环境是十分复杂的。先从大气层物理环境入手，研究不同大气环境下的信道的特性。

(2)根据气象卫星通信时变和时不变特性，分别建立时变和时不变的信道模型，通过计算机进行实验，验证模型是否正确。

2.气象卫星通信信道的性质

2.1气象卫星通信传输的路径损耗

气象卫星发送的无线电波在到达接收端之前要经过外大气层空间、电离层、平流层和对流层等，信号从发送端到接收端要经过很长的距离，信号能量势必会有所损耗。

2.1.1自由空间损耗

外大气层空间可以近似的看成是自由空间，但不是真空环境的。自由空间是无线电波传播最简单的环境。

气象卫星发送的无线电波是用定向天线发送到地球的某一区域，接受端在该辐射方向上接受信号。到达地面接受站的信号功率可以表示为：

(1)

式中，是发射功率。为发射天线增益。为接收天线增益。为自由空间损耗。

定义为：

(2)

式中，为传播距离。为波长。为光速。为工作频率。

通常以表示。当以为单位，以为单位时，式(2)可以写成

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