Ku衛星通信的雨衰特性及在上海地區的補償機制

宋曉東

摘 要：文章簡述了上海地區的氣象特點，收集和整理了民航Ku波段衛星網上海區域管制中心歷時一年的實際雨衰數據。在現實可行的基礎上嘗試找出提高系統抗雨衰性能的方法，并在總結結果的基礎上提出了進一步研究的方向。

關鍵詞：民航；Ku波段；雨衰特性；上海；雨區估算；雨衰補償1 上海的地理和降水特征

上海位于北緯31度14分，東經121度29分。正是中國海岸線中心點，守長江口。處于長江三角洲沖積平原前緣，東瀕東海，北界長江，南臨杭州灣，西與江蘇省和浙江省接壤。全境為沖積平原，僅西南部有部分火山巖丘。海拔平均高度在4米左右，地勢平坦，山脈少而低小。西部有佘山、天馬山等，但高度都在100米以下。上海地區的降水同時兼有普遍性和集中性的特點，既有所處的地理環境所帶來的全年降水量比較充沛的現狀，也有因為汛期的存在造成降水概率遠較其他時期來的大的差別。

2 民航上海區管的Ku衛星站使用

民航Ku波段衛星通信網于2005年底開始建設，于2007年7月正式投產運營。Ku衛星網是中國民航衛星通信網的重要組成部分，為全網狀結構，可以實現網中任意兩個衛星地球站之間的單跳通信，支持話音、數據廣播、甚高頻和雷達等多種業務。

圖1 衛星傳輸鏈路的電平關系圖

圖1顯示的是在一個典型的衛星傳輸鏈路中，各個點的相對電平之間的關系。在發射站，地面站通過高功率放大器（High Power Amplifier ，HPA）等一系列設備處理得到一個較強的發射電平信號有效全向輻射功率[Effective Isotropic Radiated Power，EIRP（E）]，通過天線向衛星發射。經過一系列穿越大氣層的衰減之后信號傳遞到了衛星轉發器上，此時的接收電平已經很微弱。衛星通過自身的轉發器將湮沒在噪聲中的微弱信號提取出來進行中繼放大，重新得到一個較強的發射功率EIRP（S），向目標接收站發射。隨后通過同樣的穿越大氣層的信號衰減之后，地面接收站采用靈敏度極高的低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）同樣從噪聲中將極其微弱的信號提取出來，并放大還原，至此一次完整的衛星通信宣告完成。

從圖中可以看出，大部分的電平損耗集中在上下行鏈路（圖中Lu和Ld的折線）中出現，這其中，降水等引起的信道惡化、來自宇宙空間和大氣層內的各種電磁波干擾等都會造成信號電平質量的急速下降。在衛星地球發射站和接收站的性能有限的前提下，提高衛星系統尤其是像Ku波段衛星系統的抗雨衰性能，對于信號質量的保證有著非常明顯的作用。

3 雨衰的定義和影響

當電磁波穿越降雨區域時，降雨層會對電磁波產生各個方面的影響，不僅會吸收電磁波的能量，而且還會對電磁波產生散射，以及去極化效應等。這種吸收和散射共同形成了降雨層對電磁波的干擾和衰減作用，統稱為雨衰。

這種衰減呈現非選擇性能和緩慢的時變特性，是導致信號劣化，影響系統可用性的主要因素，因此雨衰問題也就成為系統設計過程中必須考慮的重要問題。雨衰的大小與雨滴直徑與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，無論是吸收或散射作用，其效果都使電波在傳播方向遭受衰減；當電磁波的波長和雨滴直徑越接近時衰減越大，一般情況下（比如中短波）電磁波的波長遠大于雨滴直徑，故衰減很小，C波段信號受雨衰的影響也可以忽略。對于10GHz以上的電磁波，雨衰的影響就非常明顯了，在鏈路計算中必須考慮雨衰的影響。頻率越高雨衰的影響越大，大雨和暴雨對電磁波的衰減要比小雨大得多。

除了降雨衰減，降雨產生對電磁波的吸收衰減也會對地面站產生熱噪聲的影響。這種噪聲折算到衛星站接收天線的輸入端就會衍化成為天線熱噪聲。經驗表明天線熱噪聲對接收信號的載噪比會產生很大的影響。這種影響和產生的衰減大小與天線的結構有關。依據歷史數據測算，每衰減0.1dB，噪聲溫度約增加6.7K。而在一般情況下，天線的仰角越高，降雨噪聲的影響就相對越小。這是因為電磁波因此穿過降雨的路徑較短，相應地衰減量也就小一些。

降雨噪聲有如下的定義公式：

Tatm=[1-10E（-R/10）]10E（-W/10）Train

其中，R為雨衰值，單位為dB；W為饋源到低噪聲放大器LNB之間的波導損耗值，單位dB；Train為雨的溫度，單位為K。從公式中可以看出，在沒有雨衰的情況下，噪聲溫度不增加；在沒有波導損耗的情況下，噪聲溫度只和波導損耗值有關。又由于噪聲溫度增加將直接影響到接收系統的G/T值，也就是直接影響到接收信號的載噪比，因此對于信號的可用度的影響決不能簡單忽視，甚至可以說比降雨衰減更明顯。故在進行相關的鏈路計算時必須考慮其影響。

此外，降雨雨衰還會對電磁波產生去極化作用。所謂去極化的現象也是因為雨滴的吸收和散射作用引起的。一般情況下，當天線仰角大于15度時，交叉極化鑒別度在超過年平均時間的0.1%時可達到27dB；0.01%時為20dB；0.001%時為15dB。

從一些已知的氣象和雨衰文獻中可以查詢到如下數據：上海地區年平均99.9%的可用度條件下，需要調整的雨衰值在4.3dB左右，年平均中斷的時長在8.8小時左右，最壞的月份也有2.8小時的中斷；如果按照99%的可用度計算，則需要調整的雨衰值為1.35dB，年平均中斷的時長會迅速爬升至87.7小時，最壞的月份中斷時間也會相應地提高到20.8小時。

4 民航使用的Ku雨衰記錄

在上海民航區域管制中心，每個自然日值班人員會在上午10：30對Ku波段衛星網上海區管節點的設備進行巡檢工作，巡檢內容包括：站點接收主參考節點的接收電平（Rx Lvl）和能噪比（Eb/No）；接收本地站點的接收電平（Rx Lvl）和能噪比（Eb/No）；以及當前的發射電平值（Current Tx Power）。endprint

5 差別及原因推斷

表1中的內容詳細地記錄了從2011年5月至2012年5月初，篩選出了歷史氣象記錄中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku衛星站的工作狀況。從表中可以看出，高頻度的降水主要集中在2月、3月、6月和8月，基本符合前文中所推斷的春雨和梅雨季節對衛星傳輸的潛在影響較大的觀點。分析這一年的實際巡檢記錄與常見的雨區估算法發現，兩者并不完全吻合。這主要可能的原因有以下幾點：

第一，巡檢記錄來自每日的定時巡檢，此時的降雨水平并不能代表當日的整體降雨水平，有可能在巡檢當時衛星系統運行狀態良好，但到了下午或晚上因為降雨雨量增大而造成衛星系統穩定性下降甚至掉線。

第二，作為氣象參考資料的降雨程度比較粗泛，只能反映當天上海全市的大致天氣水平，并不能精確到衛星站所在的青浦區的天氣水平。可能當天的市區天氣降水較少，但位于市郊的區管中心的降水程度要更大一些。

第三，作為雨區估算法的參考資料在不斷地更新中，上海所在的雨區衛星可用度表也必須維持在最新狀態。氣候特點本身這幾年來也在逐漸變化中，并不是一成不變的。可用度表的參數也許對最后的結果也產生了一定的偏移。

6 結束語

通過上述論述，可以得到以下的初步結論：

第一，Ku波段衛星網在上海地區的性能表現基本延續了其一貫的特點，在天星口徑、信道容量、信號強度等方面相較C波段衛星網有一定的優勢；但在抗雨衰方面表現則不如后者，特別是在面對短時突降的雷暴雨天氣時，瞬時的信號衰減落差較大，甚至可能在短時間內超過20dB。

第二，上海地區有非常顯著的地域性氣候特征。主要表現在：氣候濕潤；全年降水比較平均，沒有明顯的旱季和雨季的區分，但對衛星傳輸影響較大的中到大雨則分布地相對比較集中；江南地區的特別氣候現象——梅雨季節對于Ku波段衛星網的影響較其他季節要明顯，潮濕多雨的梅雨期間更需要持續關注衛星地面站的運行情況，多巡檢查看設備和系統鏈路的運行情況，及早發現可能的各種隱患；在臺風多發的季節（6～8月），Ku衛星傳輸質量相比全年其他時節也顯得略差。

常見的雨衰補償方法主要有設置降雨預備余量，采用糾錯編碼，采用業務分集技術，頻率變換技術，極化方式的選擇，采用低噪聲高增益的優質高頻頭（LNB），高品質天線的選擇，以及最常見的上下行功率控制等。通過逐一確認和對比，并判斷是否適用上海地區的Ku衛星網，初步得到的改進思路如下：根據上海地區的氣候特點，在年均降水較多的月份（如針對降水集中和梅雨季節特點明顯的6～9月），向網控中心反饋信息，請求提升適度的增益上限，一般可嘗試提升3至4dB左右（也可調節發射衰減值相應減小若干個dB），在過了降水集中的這段時間之后再適度將增益值調整回原值，借以提高Ku波段衛星網上海區域的基站對抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，隨著氣候變暖和溫室效應的加劇，整個全球的極端氣候發生頻率在逐漸增加，這對Ku波段的衛星傳輸一定會產生影響，包括上海地區在內。以上文提到的ITU-R推薦的雨區估算法為例，其估算法本身也在隨著時間的推進逐漸更新數據，現在已經更新了超過10個版本，這就要求抑制雨衰和針對性的補償技術也要不斷與時俱進，不能停留在以前的成果上。

參考文獻

[1]車晴，毛志 .Ku波段衛星廣播中雨衰現象的研究[J].電波科學學報，1999，14（2）.

[2]蔡敏.Ku波段衛星通信雨衰影響的分析[D].廣州：中山大學，2009.

[3]康健，李信，高垣.Ku頻段衛星鏈路降雨衰減特性分析[J].吉林大學學報（信息科學學報），2009，27（4）：354-358.

[4]張俊祥，崔愛紅，梁冀生.降雨對衛星鏈路的影響分析[J].無線電工程，2005，35（12）：11-13.

[5]李黃.利用Ku波段衛星通信雨衰探測大氣降水的初步研究[J].遙感學報，2006，10（4）：568-572.

[6]宋丹，曲紹君.民航Ku波段衛星通信站的鏈路測試及維護[J].價值工程：46-47.

[7]王衛民.提高Ku頻段地球站抗雨衰能力的措施[J].現代雷達，2003（4）：45-47.

[8]周艷秋，賈方，李萍.武警衛星通信系統的雨衰估算及分析[J].現代電子技術，2008（13）：44-48.

[9]李琳，王杰.雨衰對Ku波段衛星的影響及消除[J].大眾科技，2010（11）：15-16.

[10]王秀琦，曾昭生.雨衰對Ku波段信號的影響及估算[J].廣播與電視技術，2000（1）：101-104.endprint

5 差別及原因推斷

表1中的內容詳細地記錄了從2011年5月至2012年5月初，篩選出了歷史氣象記錄中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku衛星站的工作狀況。從表中可以看出，高頻度的降水主要集中在2月、3月、6月和8月，基本符合前文中所推斷的春雨和梅雨季節對衛星傳輸的潛在影響較大的觀點。分析這一年的實際巡檢記錄與常見的雨區估算法發現，兩者并不完全吻合。這主要可能的原因有以下幾點：

第一，巡檢記錄來自每日的定時巡檢，此時的降雨水平并不能代表當日的整體降雨水平，有可能在巡檢當時衛星系統運行狀態良好，但到了下午或晚上因為降雨雨量增大而造成衛星系統穩定性下降甚至掉線。

第二，作為氣象參考資料的降雨程度比較粗泛，只能反映當天上海全市的大致天氣水平，并不能精確到衛星站所在的青浦區的天氣水平。可能當天的市區天氣降水較少，但位于市郊的區管中心的降水程度要更大一些。

第三，作為雨區估算法的參考資料在不斷地更新中，上海所在的雨區衛星可用度表也必須維持在最新狀態。氣候特點本身這幾年來也在逐漸變化中，并不是一成不變的。可用度表的參數也許對最后的結果也產生了一定的偏移。

6 結束語

通過上述論述，可以得到以下的初步結論：

第一，Ku波段衛星網在上海地區的性能表現基本延續了其一貫的特點，在天星口徑、信道容量、信號強度等方面相較C波段衛星網有一定的優勢；但在抗雨衰方面表現則不如后者，特別是在面對短時突降的雷暴雨天氣時，瞬時的信號衰減落差較大，甚至可能在短時間內超過20dB。

第二，上海地區有非常顯著的地域性氣候特征。主要表現在：氣候濕潤；全年降水比較平均，沒有明顯的旱季和雨季的區分，但對衛星傳輸影響較大的中到大雨則分布地相對比較集中；江南地區的特別氣候現象——梅雨季節對于Ku波段衛星網的影響較其他季節要明顯，潮濕多雨的梅雨期間更需要持續關注衛星地面站的運行情況，多巡檢查看設備和系統鏈路的運行情況，及早發現可能的各種隱患；在臺風多發的季節（6～8月），Ku衛星傳輸質量相比全年其他時節也顯得略差。

常見的雨衰補償方法主要有設置降雨預備余量，采用糾錯編碼，采用業務分集技術，頻率變換技術，極化方式的選擇，采用低噪聲高增益的優質高頻頭（LNB），高品質天線的選擇，以及最常見的上下行功率控制等。通過逐一確認和對比，并判斷是否適用上海地區的Ku衛星網，初步得到的改進思路如下：根據上海地區的氣候特點，在年均降水較多的月份（如針對降水集中和梅雨季節特點明顯的6～9月），向網控中心反饋信息，請求提升適度的增益上限，一般可嘗試提升3至4dB左右（也可調節發射衰減值相應減小若干個dB），在過了降水集中的這段時間之后再適度將增益值調整回原值，借以提高Ku波段衛星網上海區域的基站對抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，隨著氣候變暖和溫室效應的加劇，整個全球的極端氣候發生頻率在逐漸增加，這對Ku波段的衛星傳輸一定會產生影響，包括上海地區在內。以上文提到的ITU-R推薦的雨區估算法為例，其估算法本身也在隨著時間的推進逐漸更新數據，現在已經更新了超過10個版本，這就要求抑制雨衰和針對性的補償技術也要不斷與時俱進，不能停留在以前的成果上。

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[9]李琳，王杰.雨衰對Ku波段衛星的影響及消除[J].大眾科技，2010（11）：15-16.

[10]王秀琦，曾昭生.雨衰對Ku波段信號的影響及估算[J].廣播與電視技術，2000（1）：101-104.endprint

5 差別及原因推斷

表1中的內容詳細地記錄了從2011年5月至2012年5月初，篩選出了歷史氣象記錄中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku衛星站的工作狀況。從表中可以看出，高頻度的降水主要集中在2月、3月、6月和8月，基本符合前文中所推斷的春雨和梅雨季節對衛星傳輸的潛在影響較大的觀點。分析這一年的實際巡檢記錄與常見的雨區估算法發現，兩者并不完全吻合。這主要可能的原因有以下幾點：

第一，巡檢記錄來自每日的定時巡檢，此時的降雨水平并不能代表當日的整體降雨水平，有可能在巡檢當時衛星系統運行狀態良好，但到了下午或晚上因為降雨雨量增大而造成衛星系統穩定性下降甚至掉線。

第二，作為氣象參考資料的降雨程度比較粗泛，只能反映當天上海全市的大致天氣水平，并不能精確到衛星站所在的青浦區的天氣水平。可能當天的市區天氣降水較少，但位于市郊的區管中心的降水程度要更大一些。

第三，作為雨區估算法的參考資料在不斷地更新中，上海所在的雨區衛星可用度表也必須維持在最新狀態。氣候特點本身這幾年來也在逐漸變化中，并不是一成不變的。可用度表的參數也許對最后的結果也產生了一定的偏移。

6 結束語

通過上述論述，可以得到以下的初步結論：

第一，Ku波段衛星網在上海地區的性能表現基本延續了其一貫的特點，在天星口徑、信道容量、信號強度等方面相較C波段衛星網有一定的優勢；但在抗雨衰方面表現則不如后者，特別是在面對短時突降的雷暴雨天氣時，瞬時的信號衰減落差較大，甚至可能在短時間內超過20dB。

第二，上海地區有非常顯著的地域性氣候特征。主要表現在：氣候濕潤；全年降水比較平均，沒有明顯的旱季和雨季的區分，但對衛星傳輸影響較大的中到大雨則分布地相對比較集中；江南地區的特別氣候現象——梅雨季節對于Ku波段衛星網的影響較其他季節要明顯，潮濕多雨的梅雨期間更需要持續關注衛星地面站的運行情況，多巡檢查看設備和系統鏈路的運行情況，及早發現可能的各種隱患；在臺風多發的季節（6～8月），Ku衛星傳輸質量相比全年其他時節也顯得略差。

常見的雨衰補償方法主要有設置降雨預備余量，采用糾錯編碼，采用業務分集技術，頻率變換技術，極化方式的選擇，采用低噪聲高增益的優質高頻頭（LNB），高品質天線的選擇，以及最常見的上下行功率控制等。通過逐一確認和對比，并判斷是否適用上海地區的Ku衛星網，初步得到的改進思路如下：根據上海地區的氣候特點，在年均降水較多的月份（如針對降水集中和梅雨季節特點明顯的6～9月），向網控中心反饋信息，請求提升適度的增益上限，一般可嘗試提升3至4dB左右（也可調節發射衰減值相應減小若干個dB），在過了降水集中的這段時間之后再適度將增益值調整回原值，借以提高Ku波段衛星網上海區域的基站對抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，隨著氣候變暖和溫室效應的加劇，整個全球的極端氣候發生頻率在逐漸增加，這對Ku波段的衛星傳輸一定會產生影響，包括上海地區在內。以上文提到的ITU-R推薦的雨區估算法為例，其估算法本身也在隨著時間的推進逐漸更新數據，現在已經更新了超過10個版本，這就要求抑制雨衰和針對性的補償技術也要不斷與時俱進，不能停留在以前的成果上。

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[10]王秀琦，曾昭生.雨衰對Ku波段信號的影響及估算[J].廣播與電視技術，2000（1）：101-104.endprint