气象卫星通信环境主要是大气层物理环境,在不同气象条件下,由于云层及降雨等的影响,气象卫星信道会存在不同程度的衰减、阴影效应和多径效应,使得地面接收信号随大气状态的变化而变得不稳定,产生码间干扰,也会在一定程度上影响接收气象卫星数据的质量,影响天气现象的分析与预报。为保证气象卫星通信质量,FY-3的星地传输数据格式采用了国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)推荐使用的先进在轨系统(AOS)规约和数据结构,信道采用了RS编码和卷积编码级联的编码方案,调制方式采用QPSK的数字调制方式。而新一代气象卫星探测仪器的增加和探测精度的提高,数据传输量大为增加、码速率增加,要求信道的带宽也随之增加。为了适应气象卫星的发展,进一步提高地面接收站接收气象卫星数据的质量,就有必要研究气象卫星信道的复杂特性并建立其信道仿真模型。根据大气层物理环境对气象卫星通信的影响和不同天气条件下的气象卫星信道特性,建立可以反映气象卫星通信状态的信道仿真模型,并通过仿真实验与理论模型进行对比来验证仿真模型的正确性。而建立的气象卫星信道仿真模型也是气象卫星通信系统设计、链路设计的基础。因此,建立适用于多种天气条件的气象卫星信道仿真模型,为便于设计新一代气象卫星通信系统和进一步提高地面接收系统的相干接收水平,提供了一定的理论基础和技术依据。具体研究内容和主要结论如下：1.为了明确气象卫星信道的特性,分析了大气通道对气象卫星下行信号的影响因素。根据ITU-R提供的计算模型,计算大气损耗、电离层效应、云损耗、降雨损耗和降雪损耗都较小,这些损耗可以在无线信道链路设计时通过增加信号功率预算进行补偿。而云层作为信道传输时的主要障碍物会对信号产生多径效应和阴影效应,使得信号在无线信道传播过程中发生随机变化。由气象卫星信道特性的分析结果,结合大气层的垂直分层及信号在不同的大气分层中所受到的损耗类型不同,给出了其信道特性的划分方案,为建立气象卫星信道仿真模型提供了技术依据。2.为了研究大气层对气象卫星通信的影响,将影响气象卫星信道特性的天气条件分为晴空少云、多云和阴雨天气。根据阴雨天气下的信道特性推导了地面接收气象卫星信号的包络变化规律服从Rayleigh分布；根据晴空少云天气下的信道特性推导了接收信号包络变化服从Gauss分布；根据多云天气下的信道特性分别推导了全阴影遮蔽和部分阴影遮蔽的接收信号包络变化分别服从Lognormal分布和Rice分布。并提出了相应的概率分布(PDF)仿真模型的建立方法。计算机仿真结果表明,不同传输特性下接收信号组成成分的不同造成其包络概率密度曲线的差异,仿真模型与理论模型的概率密度曲线符合程度很好,验证了理论分析的正确性和有效性。3.为了研究多云天气时云层对气象卫星通信的影响,将云层对气象卫星信号的阴影遮蔽效应和多径效应作为时不变的复合效应进行分析,推导了时不变信道复合效应的概率密度函数和误码率函数。提出了气象卫星复合效应信道仿真模型的建立方法,将复合效应信道造成的接收信号衰落分为轻度衰落、中度衰落和重度衰落三种情况,并通过计算机仿真实验,表明了仿真模型与理论模型中接收信号在不同衰落程度时的概率密度曲线和误码率曲线符合程度较好,验证了理论分析的正确性和有效性。4.为了研究天气变化对气象卫星通信的影响,根据气象卫星通信环境的Markov转移特性,提出了气象卫星Markov时变信道仿真模型的建立方法；建立了气象卫星时变信道状态空间模型,将改进的混合退火粒子滤波方法用于气象卫星时变信道状态参数的估计。数值试验的结果表明：天气现象变化较慢时,信道特性参数变化较缓慢；天气现象变化较快时,信道特性参数变化较迅速；混合退火粒子滤波方法可以对气象卫星时变信道参数进行估计,并在估计精度和性能上优于标准粒子滤波方法。