日凌干擾影響定量預報的一種實現方法

+ 劉衍俊　　　中國衛通集團有限公司

日凌干擾影響定量預報的一種實現方法

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對于同步衛星通信網絡而言，每年春分/秋分前后的日凌干擾是無法回避的問題。本文提出了一種對日凌干擾引起的接收系統噪聲溫度增量進行定量預報的方法，并與實際測試結果進行比對，分析了誤差來源。

日凌干擾定量預報誤差分析

1　、引言

目前衛星公司提供的日凌預報（如官方網站上計算工具）多為定性預報，即通過預測春分/秋分前后日期的太陽在地球坐標系中的位置，計算具體站點的對星指向與對日指向的偏角，從而得出可能發生日凌干擾的具體日期，以及日凌干擾發生日期的日凌干擾“最大時刻”、“開始時間”、“結束時間”。

其中，日凌干擾“最大時刻”通常是指對星指向與對日指向在赤道平面上的投影重合的時刻，而日凌干擾“開始時間”、“結束時間”則采用這兩個指向之間的偏角與接收天線半功率角度達到某一數值關系作為判斷條件。

上述日凌干擾定性預報方法在實際使用過程中，與用戶實際觀察到的通信中斷時間存在不一致的情況。其主要原因是：對星指向與對日指向的幾何關系只能定性地說明日凌干擾的影響，而無法定量地反映日凌干擾對接收C/N的影響，所以提供的日凌“開始時間”和“結束時間”與用戶的實際感受經常出現一定的差異。

由于日凌干擾對地球站接收質量的影響本質上是增加地球站接收系統噪聲溫度，因此本文提出了一種對日凌干擾影響進行定量預報的方法，即通過預測具體時刻的日凌干擾引起的地球站接收系統噪聲溫度增量（以下簡稱Tsun），計算地球站C/Nd（下行C/N）的下降量：Δ［C/Nd］ = 10*log（（Tsun+Te）/Te），其中Te為不考慮日凌干擾影響時的地球站接收系統等效噪聲溫度。

用戶可以根據具體站點C/Nd對接收質量（Eb/ No）的影響程度，來判斷對應最低Eb/No工作點的日凌干擾“開始時間”、“結束時間”。

說明：日凌干擾只影響C/Nd（下行C/N），對接收質量的影響程度受其他因素制約。對大天線接收（例如中星10號衛星C波段主覆蓋區的C波段13米天線），正常工作時C/Nd比總C/N高10dB以上，因此同樣的Tsun對接收質量的影響較小，但由于C波段13米天線的Tsun峰值很大，對接收質量的影響也不可忽略，只是持續時間較短；對小天線接收（例如中星10號衛星C波段主覆蓋區的C波段2.4米天線），C/Nd對總C/N影響很大，同樣的Tsun對接收質量的影響很大，因此盡管C波段2.4米天線的Tsun峰值比C波段13米天線低很多，對接收質量的影響也很大，持續時間更長。

2　、日凌干擾影響的定量預報方法

下文以筆者于2016年3月3日進行實際測試驗證的一面C波段13米天線為例。

（1）第一步：計算可能超過預設Tsun目標的日期列表：

（下表對應預設Tsun目標為675K，在Te取75K時Δ［C/Nd］=10dB）

Antenna Diameter = 13.00m Rcv Frequency = ------GHz SAT Longitude = 110.5 Station Longitude = ------Station Latitude = -------AZ0 = ------EL = ------POL = ------Beijing Time Entry Time Peak Time Exit Time Period（Minute）2016-03-03 12∶51∶45 12∶53∶15 12∶54∶45 3.00 2016-03-04 12∶50∶49 12∶53∶03 12∶55∶17 4.47 2016-03-05 12∶51∶06 12∶52∶49 12∶54∶32 3.43

說明：在計算過程中需要計算太陽在地球坐標系中的位置相關參數（等效緯度、經度修正值）。

為了簡化計算，在定性預報時可能會直接采用某一固定時刻的參數來推算日凌干擾影響峰值時刻和最小偏角，這樣會由于沒有考慮同一日內不同時間等效緯度、經度修正值有變化的因素，從而導致峰值時刻計算有幾秒～十幾秒左右的誤差（誤差大小與站點緯度有關），最小偏角的誤差可能達到0.3度（與實際峰值時刻和采用的固定時刻差值有關），在天線主瓣寬度不是遠大于這個誤差時，這種誤差將對日凌干擾定量預報結果產生很大影響。

本文中采用了最小偏角搜索法，以最小偏角對應的時刻作為峰值時刻，相應的需要進行搜索計算（通過優化算法來解決運行時間問題）。

下一步的工作為針對第一步中產生的日期列表逐日計算（以2016年3月4日為例）：

（2）第二步：計算日凌干擾的指向偏角的時間曲線（見圖1）

在定性預報時一般采用地日連線和地星連線在赤道平面和衛星經度面上投影的差角來進行計算，但此方法不方便分析地球站天線指向偏差（基于方位AZ/仰角EL）的影響，因此本文采用分析地日連線和地星連線的AZ/EL的偏角，來計算日凌干擾的指向偏角。

需要說明的是，在不同EL，AZ偏角對指向偏角的影響程度是不一樣的。

（3）第三步：計算日凌干擾的指向損耗的時間曲線（見圖2）

天線方向圖模板選用《ITU RR2012-Vol-II》附錄8（WRC-03，修訂版）附件III“未公布地球站天線輻射方向性圖時使用的輻射方向性圖”，注意該模板在主瓣之外是一個上限模板，天線的實際旁瓣增益不應大于模板值。

圖1

圖2

從預報數據與實際的測試結果的對照圖來看，使用該方向圖模板與早期使用的方向圖模板（第一旁瓣按-14dBc考慮）相比，預報數據與實際的測試結果的擬合度更高。

（4）第四步：計算日凌干擾引起的Tsun的時間曲線（見圖3）

說明：當太陽圓盤視直徑遠大于天線主瓣寬度（2*Фm）、且日凌干擾指向偏角為0時，可用下式計算出的日凌干擾引起的地球站接收系統噪聲溫度增量最大值近似地作為：

式中：f為工作頻率（GHz），p為天線極化衰減因子（一般取0.5）。對于其它情況，應使用“太陽圓盤積分法”，將太陽圓盤分成n環*m個小塊，分別計算接收天線對日凌干擾的指向偏角和指向增益，再對整個太陽圓盤進行積分，計算出總的Tsun。此方法計算復雜，速度慢（筆者使用的雙核2.93GHz CPU，計算360個時點需要5s左右（n=200，m=36）。如果對計算速度有要求，在本文中使用C波段13米天線時可用近似算法減小分段數，計算結果差距不大（預報時間曲線差異小于0.3dB），但計算速度提升明顯（計算360個時點的時間小于0.5s）。

另外，由于方向圖模板在主瓣之外為上限模板，在太陽圓盤視直徑遠大于主瓣寬度（如13米Ku波段天線）時，太陽圓盤積分計算出的結果有可能超過（ 明顯與實際不符），此時應采用作為計算結果。

（5）第五步：計算日凌干擾引起的C/Nd下降量的時間曲線（見圖4）

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

說明：由于使用太陽圓盤積分法，對于C波段13米天線而言，太陽圓盤在天線方向圖下降段上對應范圍相對較大，而主瓣內天線方向圖按平方律下降，因此C/Nd下降曲線與天線方向圖下降曲線并不完全一致。

3　、實際測試結果與預報數據比較

（見圖5～圖7）

圖5～圖7為實際測試結果與預報數據比較圖。

說明1：每隔5s監測一次頻譜，以相關頻段的接收噪底平均電平與無日凌干擾影響時間段內的接收噪底平均電平的差值作為C/Nd下降實測值（測試前后1小時內監測到的接收噪底平均電平波動不超過±0.2dB）。

滄海桑田，萬古如斯。漢水，不僅是一條綠色生態之河、商旅黃金之河、文化大河、歷史大河和魅力大河，更是華夏文明的重要發源地和中華民族的母親河。

說明2：2016年3月3日、3月4日測試前，對測試用PC進行過電話查詢校時（3月5日測試是在3月4日下午作的定時測試計劃，未進行電話查詢校時）。

4　、誤差分析

（1）測試系統

a.記錄時間誤差：2016年3月3日、3月4日的測試，在測試前校正過時間，考慮頻譜儀掃描時間后，誤差不超過5s；2016年3月5日的記錄時間誤差不確定。

圖8

圖9

b.通道增益波動：在測試時間段內非日凌影響區間，噪底波動小于±0.2dB（連續3天都在-113.0dBm/RBW=10kHz左右）。

（2）預報誤差

在天線指向準確的情況下，日凌峰值時刻和Tsun峰值是比較準確的（固定的天文現象），C/ Nd下降峰值的準確度取決于地球站天線效率和系統噪聲溫度的準確度，C/Nd下降時間曲線的準確度與天線方向圖實際特性有關，預報數據只是一個按理論天線方向圖模板計算的上限數據，對于滿足ITU天線方向圖模板的天線，主瓣之外的預報數據一般應該比實際測試值高。

上文中的預報數據基于：天線效率：65%；地球站接收系統噪聲溫度：75K（仰角43度左右，Ta=22K，饋源到LNA間損耗0.2dB，LNA噪聲溫度40K）；地球站地理位置：準確（GPS標定）；天線指向誤差為0（精確指向）。

以2016年3月3日、3月4日為例，如果在預報時考慮實際方位方向為準確指向衛星標稱軌道位置的方向偏東0.1度，則實際測試結果與預報數據比較圖如下（見圖8～圖9）：

5　、日凌定量預報數據的應用

（1）一般情況下，用戶可根據日凌定量預報數據，判斷對通信質量的影響，作好相應準備工作。在日凌干擾影響期間，用戶不宜增加發射功率（可能影響轉發器功率的工作狀態）。

（2）特殊情況下，如點對點通信系統，且站點的地理分布比較分散，可利用日凌影響時間段的不同，在轉發器功率線性工作區內，按日凌定量預報數據，適當調整發射功率。

（3）在天線調整較容易時，在日凌影響時間段內可以通過適當調整天線仰角，利用天線方向圖主瓣下降曲線為平方律下降的特點，通過對載波少量的指向增益下降，換取較大的Tsun下降。

這個方法主要適合于在非日凌峰值日（峰值時刻日凌影響偏角較大）的情況。

例如：對本文中測試使用的C波段13米天線，2016年3月3日，如在日凌開始前，將EL下偏0.11°（增益下降約1.0dB），則峰值時刻Tsun可從2204K下降到836K，峰值時刻C/Nd下降量從14.83dB下降到10.85dB（改善4dB），峰值時刻C/Nd下降量將改善3dB左右。

但這個方法在通常情況下實際意義不大，因為大天線時C/Nd對接收質量影響小，C/Nd下降量的改善意義不大；而小天線時由于太陽圓盤相對于主瓣而言很小，C/Nd下降量的改善很小。

6　、結語

計算日凌干擾引起的接收系統噪聲溫度增量是一個很復雜的過程，與實際測試結果產生差異的原因也很多。由于測試條件所限，本文只是對一面具體的C波段13米天線進行了預報和測試比對，所得出的一些分析結論僅供參考；文中的缺點和不足之處，敬請專家批評指正。