无线电波的信号振幅和相位可能发生短周期的、不规则的变化

　　摘要

　　火热六月，欧洲24支足球队汇聚在法国展开欧洲杯争夺战。世界各地的足球迷们能第一时间收看到欧洲杯要归功于卫星转播技术的发展。让我们跟随欧洲杯，一起来聊聊卫星转播和电离层吧。

　　火热六月，烽烟再起，欧洲24支足球队汇聚在法国，展开你死我活的欧洲杯（其实早就更名欧洲锦标赛了）争夺战。法德意西英，星光闪耀；C罗、布冯、博格巴、克罗斯、鲁尼、伊涅斯塔，赫赫有名，吸引着世界的目光。虽然远在地球这一侧的中国球迷要应对时差的困扰，但依然热情不减，熬夜观看。

　　不过，世界各地的足球迷们为什么能第一时间收看到欧洲杯呢？

　　这要感谢卫星转播技术的发展。尽管现在流行观看网络直播，但网络直播的体育比赛信号依然是卫星转播提供的。

　　观看卫星电视的朋友可能熟悉下图这样的表格，这是中国地区上空卫星电视卫星的名称和在轨位置。

　　卫星电视卫星位于地球同步轨道，也就是是地面高度约3.6万千米、位于地球赤道平行上空的圆形轨道。这里的卫星在地球引力下环绕地球飞行时，与地球的转动一样快，从地面看是静止在上空的，这样保证了接收信号的地区比较稳定。同步轨道上几乎每隔2到3度就有一颗卫星。下表中，卫星名称后边所标识的就是卫星在同步轨道的位置，也就是它的地理经度，而纬度都是0。我们有时候听球迷朋友说把天线往哪个方向转，来找某颗卫星，根据的就是这样的位置信息。

　　像欧洲杯这样的电视节目，由当地地面的上行站向卫星发射无线电波信号，卫星将信号处理和放大后，互相或向地球转发，实现信号中转。卫星中转好处多多，1颗卫星可以覆盖1／3的地球表面，只要发射3颗互成120°的同步卫星，即能实现除南北极少数地区外的全球性的信号覆盖，如示意图所示（手绘哒）。

　　采用这种方式，不仅减少了地面中继站和线路铺设等的投入，而且信号受到的干扰少、信号损失少，可以说是花小钱、办大事。

　　在使用卫星转播之前，电视信号传播是地面的台站之间使用天波、地波之类的方式传播的。地波是波长较长的无线电波沿地面传播，天波是经过电离层反射或折射后返回地面的无线电波。电离层是地面上空约60～1000千米高度的、部分电离的大气层。所谓部分电离，指的是这里的大气成分在太阳辐射（紫外线、X射线等）作用下变成电子和带电的离子（电离），电离的程度能够对无线电波的传播产生影响，但这种电离只是一部分成分，没有电离的中性大气仍然占主要地位。

　　在电离层中，电子密度随高度先上升、后下降，有一个密度最高的高度。无线电波在电离层传播时会弯曲（折射现象，就像水杯里的筷子看上去弯曲了），而不同电子密度对不同波长的电磁波的影响不同，等到密度足够高了，电波就可能反射回来。而卫星信号采用的无线电波的波长足够短，穿过整个电离层也不会反射。

　　虽然卫星信号能够穿透电离层，到达千家万户播放电视节目，但是电离层仍然会对信号产生影响，如电波吸收等。无线电波的信号振幅和相位可能发生短周期的、不规则的变化，我们称之为电离层闪烁。电离层发生剧烈活动时，甚至能造成信号中断。作者依然记得观看2008年欧洲杯小组赛就出现过“前方信号中断”的尴尬，当时也没心情调查一下是不是电离层活动的后果。

　　除了卫星电视信号，通讯、导航等利用卫星无线信号的活动也都会受到电离层影响，因此电离层“天气”也是空间科学领域一个重要的问题。下图是科学家们绘制的全球电离层闪烁高发的区域，可以看到：太阳活动强的年份，闪烁强于太阳活动低的年份；闪烁的主要区域是赤道夜间、南北极区域附近（一些专用名词这里就略去了）。

　　聊完了卫星转播和电离层，最后用刚才用到的一些词汇来寄语欧洲杯：

　　每支球队要围绕自己的“地球”，发挥球星的能力；传球不能太保守，要有“穿透”防线的传球；防守时努力切断对方“卫星”与“地球”之间的联系，阻挡“信号传播路线”；保持耐心，进球往往是突然的灵光“闪烁”；有时候需要一些运气，大力射门，“折射”进球。

　　作者王铮，系中国科学院国家空间科学中心研究人员

　　来源：中国科学院国家空间科学中心

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