第四章等离子体环境2(效应)
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1、1 4.4 空间等离子体效应空间等离子体效应4.4.1 空间等离子体对电波传播的效应4.4.2 空间等离子体对大型空间系统的效应 与对策4.4.3 航天器表面充电效应与对策4.4.4 航天器内部充电效应与对策24.4.1 空间等离子体对电波传播的效应 无线电波在经过空间等离子体中传播时所遇到的传播问题，是由于等离子体对通过的电波产生的折射、散射、吸收、闪烁和法拉第旋转等效应，这些效应使得电波的传播的速度、方向、相位、振幅和偏振状态等发生改变，从而影响通讯质量、定位导航的精度。34.4.1.1电波在空间等离子体中传播的基本理论 由于空间等离子体处于磁场中（如太阳风等离子体与行星际磁场冻结在一起；
2、地球等离子体处在地磁场中），所以电波在空间等离子体中的传播理论是磁离子理论，利用粒子的质量守恒方程、电荷守恒方程、动量守恒方程，广义欧姆定律及麦克斯韦方程联立求解得出入射电波与等离子体参量相关连的磁离子介质结构关系式（441）和色散式（4 4 6）： 4) 144(1213230PzPyPxUYilYilYilUYilYilYilUEzEyExX) 244(22202PemeNX) 344(HmBeY) 544(1iZU) 444(Z) 644 ()1 (4)1)(1 ( 2)1 (2122422iZXYYYiZXiZiZXXnLTT54.4.1.2 4.4.1.2 空间等离子体对电波传播的效
3、应空间等离子体对电波传播的效应 空间等离子体对电波传播的主要效应有折射（包括角折射、双折射Faraday偏振旋转）、吸收、载波相位超前、Doppler频移及闪烁。可造成脉冲波形失真。1、折射（传播时延，角折射，法拉第效应折射（传播时延，角折射，法拉第效应）电波在空间等离子体中传播时，由于电子密度的变化使得进入空间等离子体中传播的电波发生折射变化；由于磁场的存在，使得进入其中传播的电波发生双折射，被分裂为左旋和右旋的两个偏振波，产生电波偏振面旋转的法拉第旋转效应。空间等离子体对电波的这些折射，从而使传播路径改变，电波到达角改变，传播出现时延。6 由于空间等离子体对电波的折射作用，使得通过空间等离
4、子体传播的电波路径偏离直线而发生传播路径的改变，同时电波到达角也有改变，由这些改变而造成传播时延。空间等离子体对电波的双折射作用造成通过它的电波的偏振面的旋转。所有这些在卫星通信、测控和导航系统的设计、运行中是必须考虑的。 1）传播时延 群路径延迟 空间至地面穿过空间等离子体的电波，由于折射作用使得传播时间较之自由空间的要长，波能传速低于光速而引起的传播时间延长，这一长出的时间叫做传播时延或时延迟。 7为了提高导航定位精度，减少距离误差，在足够大带宽的导航或测距系统中大都采用双频f1、f2工作，此时空间等离子体造成的时延减小为（t）， （t）= t1（f12/ f221） 这样的双频系统的典型
5、例子是全球导航系统GPS，直接测量电离层的群路径延迟并因此对等离子体造成的时延修正，对典型的高太阳活动的白天I1018elm-2，由GPS接收机测量的（t）为35ns，等效电离层误差10.5m。 82）角折射 空间等离子体的折射指数造成传播路径弯曲，使得视在高度角（又有人叫做视在仰角）a大于几何高度角b的现象叫做角折射，也即电波到达角改变。 93）Faraday效应一个线偏振波通过空间等离子体传播时，由于双折射作用使得电波被分裂为旋转方向相反的两个圆偏振波（O波和X波），从而造成偏振面发生旋转，这种现象叫做Faraday效应。102、吸收（非偏离吸收，偏离吸收） 由于等离子体的碰撞频率 的存在
6、，折射指数出现虚部i，表明电波在等离子体中传播的振幅衰减，这是因为等离子体的碰撞使得电波损失能量。 111）非偏离吸收 当1时，由于电波的传播速度不变，路径不再弯曲，此时的吸收叫做非偏离吸收。显然，非常波的吸收更大。2）偏离吸收偏离吸收是指碰撞频率是小的情况，也即通过电离层F层及以上空间等离子体区时发生的吸收。随着电波接近反射处，因为0，电波所遭遇的吸收增加。123、载波相位超前 通过空间等离子体的电波除有群延迟（或调制时延迟），外还有载波相位改变。这样的相位改变相对于自由空间的相位是超前的，故而将空间等离子体引起的载波相位改变效应叫做载波相位超前。该效应在测速系统决定空间目标速度中是非常重要
7、的。相位改变量为15441034. 12Ifcycles实际上，在单频下是不能进行这种相位改变量测量的，也就是说若要对它进行测量或在测速系统中减小其影响，必须使用两个相干的工作频率。如GPS，卫星发射两个相干的载频L1，L2；此时的载波相移差为4.3110-17I I。 13.4、Doppler频移 当观测者相对信号源之间有相对运动时，观测者所接收信号频率fr将不同于信号源发射的频率，这么一个频率移动叫做Doppler频移，它是由相对大的自由空间几何频移和相对小的环境介质参量变化引起的附加Doppler频移组成。等离子体密度或积分电子含量的改变引起传播频率的变化，即附加Doppler频移。14
8、5 、闪烁1）闪烁指数 闪烁强度用接收功率变化来表征，通常用S4闪烁指数表示。 152）频率关系 对由卫星发射138MHz2.9GHz之间10个频率的波进行观测，给出了S40.6时，S4与频率有着S4f-1.5的关系，在较强闪烁时对频率的关系陡度变小；当S40.6时，S4与随频率成指数减小。相位闪烁指数随频率变化是弱的。3）衰落谱电波经过空间等离子体不规则体期间，电波将遭遇空间相位起伏，当其到达地面时引起干扰以及强度和相位发展中的衍射图。在衍射图和观测者之间存在着相对运动时，导致强度和相位的时间变化，这些表现在频率域上为观测到的强度和相位起伏频谱。16（4）电离层闪烁的主要特征由电离层不规则体
9、出现的特征和规律决定着电波的电离层闪烁的主要特征如下： 闪烁是一个夜间显著现象。 闪烁的不同纬度差异很大，经度效应明明显。 闪烁随季节变化，在二分季闪烁出现最多、最大。 闪烁与地磁活动关系复杂，不同纬度关系不一样。 闪烁与太阳活动关系密切，高年远大于低年，且出现位置变化，例如在太阳活动高年，闪烁峰出现在双驼峰处，而不是磁赤道。175）脉冲波形失真 由于正常电离层等离子体的色散可以引起通过它传播的脉冲失真，脉冲还受到不规则体引起的电波散射影响而改变。184.4.1.3 空间等离子体对通讯系统的影响与对策通讯包括各种用途（军用，民用；）的电话、电报、广播、测控、导航、以及通信等，而狭义讲它是指用于
10、传递语音和图像的过程。此处所说的通讯是后者，对遥感、测控、定位导航方面的问题单独讨论。 19由于电离层会使经其传播的高频、甚高频直至超高频波受到折射、散射、吸收、法拉第效应和电离层闪烁的影响，使波发生时延、信号衰落，从而使通信质量下降。法拉第旋转可使天线偏振失调，电离层闪烁造成经电离层传播的电波幅度、相位、到达角和偏振特性发生不规则的起伏，甚至千兆赫频段的信号幅度起伏也可以达到10dB。表4-4-1 给出了对电波影响的各种效应情况。 20效应频率关系1GHz3GHz10GHz法拉第效应f210010 1 闪 烁f 3220dB10dB4dB吸 收f210dB10-3 dB 10-4 dB传播延
11、迟f20.3s0.03 s0.003 s到达角变化f210 1 0.1 表4-4-1 电离层等离子体的主要电波效应21随着人类空间活动的日益频繁，对电离层造成的污染和干扰，必将使电离层的不规则性及其扰动强度大大增加，实际电离层的影响比上述数值将更严重。224.4.3.2 对策11、传播预报在地地通讯中，由于电离层等离子体有着繁杂的时空变化，为了保证正常的通讯，必须依据电离层的变化调整传输频率。这就要求作电离层传播预报，传播品质等级分为09，10级，0级表示不可用，7表示好，9表示极好。还要给出电离层暴、太阳耀斑效应及PCA（极盖吸收）预报及警报。主要电离层扰动的传播效应如表4-4-2示。23扰
