Ku頻段衛星雨衰計算及自動觀測系統設計

羅 靜，秦宏偉，洪 軍

(中國人民解放軍63886部隊，河南 洛陽 471003)

0 引言

對流層對衛星通信鏈路的影響主要表現為吸收衰減，對流層中的水蒸氣對2 GHz以上的信號損傷較大，且隨頻率增加而影響加劇。Ku頻段除了對水蒸氣吸收敏感外，對對流層中的塵埃也較為敏感。隨著Ku頻段衛星的使用，雨衰對衛星傳輸的影響已成為衛星系統設計與使用過程中的重要影響因素。

1 雨衰的產生及影響

1.1 雨衰的產生

電磁信號穿過對流層時，其能量會因雨、雪、云、霧的吸收和散射而受到衰耗，散射還能導致大范圍無線電干擾，并對電磁波存在去極化效應，稱這些衰減和干擾為雨衰。雨衰的程度因信號頻率，雨雪的大小及信號穿過雨雪區的路程長短而不同。

1.2 雨衰的影響

雨衰呈現非選擇性和緩慢的時變特性，是導致信號劣化，影響系統可用性的主要因素。雨衰的大小與雨滴直徑和波長的比值有著密切的關系，當信號的波長比雨滴大時，散射衰減起決定作用。當電磁波的波長比雨滴小時，吸收損耗起決定作用。對于10 GHz以上的電磁波，隨著電磁波波長的減小，雨衰的影響越大，大雨和暴雨對電磁波的衰減要比小雨大得多。Ku波段頻率較高，其波長與直徑為數毫米的雨滴有一定的可比性，中雨(雨量為4 mm/h)以上的降雨引起的衰耗相當嚴重。同樣仰角和雨區高度，大雨(16 mm/h)時，Ku波段上、下鏈路的衰耗可分別達到11 dB、7.5 dB以上;暴雨(雨量為100 mm/h)時，上、下鏈路的衰耗分別可超過16 dB、10 dB。

1.3 降雨噪聲

降雨引起的對電磁波的吸收衰減也會對地球站產生熱噪聲影響，這種降雨噪聲折合到接收天線輸入端就等效為天線熱噪聲，對接收信號的載噪比有很大的影響，這種影響與衰減量的大小和天線結構有關。根據經驗，每衰減0.1 dB，噪聲溫度增加約6.7 K。一般情況下，天線的仰角越高，降雨噪聲的影響越小。這是因為電磁波穿過降雨路徑較短，衰減量就小一些。由于噪聲溫度的增加直接影響到接收系統的品質因數(G/T)值，也就是直接影響到接收信號的載噪比，對信號可用度的影響甚至比降雨衰減更明顯，在鏈路計算時必須考慮其影響。

1.4 去極化現象

事實上，降雨不僅會衰減電磁波，還會產生去極化作用，所以降雨對電磁波的吸收和散射特性也與入射波的極化波面有關。由于空氣阻力會使雨滴變成略微扁平的形狀，在雨滴的2個軸向引起的衰減稱為微分衰減，相位移稱為微分相移。這種現象對單極化傳輸系統影響并不大，但對于正交極化復用的雙極化傳輸系統，會造成極化隔離度降低，導致正交極化的信號互相干擾加大。這種降雨引起的去極化現象，對線極化和圓極化都有影響。

2 雨衰的計算

衛星通信鏈路的降雨衰減可以由許多方法來估計，其中最為常用的一種方法為ITU-R降雨衰減的推測方法。在1982年的研究中，國際電信聯盟ITU(原國際無線電咨詢委員會CCIR)推薦了一個預測降雨衰減的模型，其核心是采用了“等效路徑長度”的概念，即將降雨的非均勻性進行均勻化而引進能起等效作用的縮短因子，使得縮短了的路徑長度乘以單位路徑衰減(衰減率)就是實際測量的降雨衰減。雨衰量估算步驟大致為:估算降雨高度并求出電波穿越雨區的斜距，查出當地的降雨強度并據此求得單位路程的雨衰率，由電波穿越雨區的水平距離和降雨強度算出路程縮短因子，雨衰率、斜距和縮短因子的乘積即為所求的雨衰量。

ITU-R雨衰預報模型所需要的參數歸結如下:

R0.01:當地平均年0.01%時間概率的降雨率;hs:地面站海拔高度;φ1:衛星所定點的經度;φ2:地面站的經度;θ:天線仰角;φ:地面站緯度;f:工作頻率;Re:地球等效半徑(8500 km)。

第1步:計算雨頂高度:

第2步:計算雨頂下斜路徑長度，如圖1所示。

圖1 地－空斜路徑降雨衰減計算示意圖

第3步:計算斜路徑的水平投影:

第4步:獲得一般年份0.01%的時間里的降雨率R0.01(mm/h)，并計算0.01%時間概率點的衰減率:

式中，k和α的具體計算方法見參考文獻4。

第5步:計算0.01%時間概率的水平縮短因子:

第6步:計算0.01%時間概率的垂直因子:

式中，LR為調整穿越降雨路徑長度。

最終可得垂直調整因子為:

第7步:計算有效路徑長度:

第8步:計算0.01%時間概率降雨衰減:

第9步:預測時間概率為0.001% ～5%的降雨衰減:

如果P≥1，則β=0;若P ＜1，則有:

通過以上步驟對洛陽站和石家莊站的雨衰情況進行預測。假設使用衛星為鑫諾一號;洛陽站經度112.38E、緯度34.7N，接收頻率12.5 GHz;石家莊站經度114.47E、緯度38.07N，接收頻率12.5 GHz，洛陽所在雨區為K區，石家莊所在雨區為H區，則地球站可用度與雨衰的對照情況分別如表1和表2所示。其中，AV(av.yr.):可用度(%平均年);AV(w.m.):(%最壞月);ATTN:雨衰值(dB);XPD:交叉極化隔離度;DT(av.yr.):中斷小時(平均年);DT(w.m.):中斷小時(最壞月)。

表1 洛陽站下行鏈路可用度與雨衰對照情況表

表2 石家莊站下行鏈路可用度與雨衰對照情況表

3 Ku頻段衛星鏈路自動觀測系統設計

為了更好地研究降雨對衛星鏈路傳輸質量的影響，進行衛星信號的長期觀測是非常必要的，研究信號的長期以及短時間間隔的變化特性，可通過實驗掌握雨衰的變化規律從而實現對雨衰的有效補償。為了研究衛星通信鏈路特性，設計了Ku頻段衛星鏈路傳輸特性自動觀測系統。

3.1 自動觀測系統的基本組成

自動觀測系統由天線、室外單元(ODU)、室內單元(IDU)、頻譜分析儀、雨量儀以及個人計算機組成。計算機通過GP-IB對頻譜分析儀和數據采集器進行控制，連續讀取頻譜分析儀上衛星信號的電平值和雨量值，并把讀取的數據保存到計算機硬盤上。通過觀測接收到的信號電平值的變化情況以及雨量值，可以得出衛星傳輸鏈路在晴天和雨天等不同條件下的變化特性，其基本組成如圖2所示。

圖2 自動觀測系統組成圖

3.2 系統軟件設計

為了實現計算機對頻譜分析儀的自動控制，采用GP-IB接口技術。GP-IB有專門的輸入、輸出控制命令，而頻譜分析儀也有自己專有的控制命令。計算機通過GP-IB的輸出命令，向頻譜分析儀發送頻譜的內部命令，然后通過GP-IB的輸入命令把需要的數據送到計算機，其程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 結束語

對ITU-R降雨衰減的推測方法進行了研究，在此基礎上提出了Ku頻段衛星鏈路傳輸特性自動觀測系統的設計方案，在后續工作中將對此設計方案進行實現，對Ku頻段衛星鏈路傳輸特性進行詳細分析，為地球站提供可靠依據。

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