基于ITU-R模型的降雨衰減特性研究與仿真

劉 波,郭 強(qiáng)

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

0 引言

衛(wèi)星通信中,電波在傳輸時(shí)受大氣吸收,對(duì)流層閃爍,云、霧、雪、雨等的影響,可導(dǎo)致信號(hào)的衰落。隨著工作頻率的不斷升高,降雨衰減逐漸成為影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常工作的重要因素之一。目前,在降雨衰減對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)影響的研究中,ITU-R雨衰預(yù)測(cè)模型最精確[1-3]。國內(nèi)用ITU-R模型對(duì)靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減特性進(jìn)行了研究,但研究均只在某些特殊頻點(diǎn)、某種極化方式、北京站特定的可見經(jīng)度衛(wèi)星、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定特定通信中斷率的條件下進(jìn)行,未給出整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)常用工作頻段、常用極化方式、北京站全部可見經(jīng)度衛(wèi)星、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所有通信中斷率范圍條件下的結(jié)果,不能滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要[4-6]。另外,我國計(jì)劃發(fā)射的非靜止軌道衛(wèi)星遠(yuǎn)多于靜止軌道衛(wèi)星,研究非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減特性有其重要的實(shí)用價(jià)值。地面站與非靜止軌道衛(wèi)星通信時(shí),由于地面站與衛(wèi)星的相對(duì)位置隨時(shí)間不斷變化,需綜合考慮衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星通信工作頻率、地面站及降雨率等的影響,增大了非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減特性研究的難度,同時(shí)ITU-R標(biāo)準(zhǔn)中非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減的計(jì)算方法僅適于先給定降雨衰減值,后計(jì)算其通信中斷時(shí)間百分比的狀況,不能滿足實(shí)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。為此,本文采用ITU-R雨衰預(yù)測(cè)模型對(duì)靜止和非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減特性進(jìn)行了研究。

1 ITU-R衛(wèi)星降雨衰減特性計(jì)算方法

1.1 降雨衰減率

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常要求高概率可靠度,如1年中99.99%的時(shí)間內(nèi)可正常通信,這就要求1年當(dāng)中各種衰減引起系統(tǒng)的中斷概率不超過0.01%。近年來0.01%的中斷率已為國際公認(rèn),所以1年中0.01%時(shí)間中的降雨率R0.01是表征降雨特性最重要的參數(shù)。由經(jīng)典米爾散射理論可得點(diǎn)降雨率R與單位衰減γR間的關(guān)系為

式中：R的下標(biāo)0.01表示一般年份0.01%的時(shí)間中測(cè)得的降雨率;k,α為參數(shù),隨頻率而定。ITU-R標(biāo)準(zhǔn)中給出了頻率1～1 000 GHz范圍內(nèi),有

式中：k為kH或kV;α為αH或αV;f為頻率。此處：下標(biāo)V,H分別表示垂直和水平極化[3]。計(jì)算線性極化和圓極化時(shí),式(1)中的系數(shù)可根據(jù)式(2)、(3)以及

計(jì)算。此處：θ為路徑仰角;τ為相對(duì)水平方向的極化傾角,圓極化時(shí)τ=45°,水平線極化時(shí)τ=0°,垂直線極化時(shí)τ=90°。

1.2 靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減預(yù)測(cè)模型

用ITU-R降雨衰減預(yù)測(cè)模型可計(jì)算頻率低于55 GHz的降雨衰減,計(jì)算方法如下：

a)計(jì)算降雨高度

式中：h0為零度層海拔高度,且

此處：φ為地面站的緯度[4]。

b)當(dāng)θ≥5°時(shí),在降雨高度之下的傾斜路徑長度

當(dāng)θ＜5°時(shí),

式中：hS為地面站的海拔高度;Re為地球半徑。

c)計(jì)算傾斜路徑長度的水平投影

d)根據(jù)式(1)計(jì)算γR。

e)計(jì)算水平縮減因子

f)計(jì)算垂直修正因子ν0.01。令ζ=,當(dāng)ζ＞θ時(shí),LR=,否則,LR=。若|φ|＜36°,χ=36°-|φ|,否則,χ=0°。故有

g)有效路徑長度

h)對(duì)一般年份0.01%的時(shí)間百分比,預(yù)測(cè)的降雨衰減值

i)對(duì)一般年份其他時(shí)間百分比(范圍為0.001%～5.000%)的衰減值,由0.01%時(shí)間百分比的衰減值計(jì)算可得：若p≥1%或|φ|≥36°,β=0;若p＜1%且|φ|＜36°,θ≥25°,β=-0.005(|φ|-36°);否則,β=-0.005(|φ|-36°)+1.8°-4.25sinθ,

式中：p為1年中降雨衰減導(dǎo)致系統(tǒng)中斷的時(shí)間占全年時(shí)間百分比,且p=0.001%～5.000%;β為計(jì)算變量。

該方法給出了降雨衰減長期統(tǒng)計(jì)值的一個(gè)估計(jì)。當(dāng)比較測(cè)量的統(tǒng)計(jì)值與預(yù)測(cè)值時(shí),應(yīng)考慮降雨衰減統(tǒng)計(jì)值在年與年間會(huì)有一定程度的可變性。

1.3 非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減長期統(tǒng)計(jì)值計(jì)算方法

對(duì)仰角在變的非靜止軌道衛(wèi)星來說,單顆衛(wèi)星的降雨衰減值可用如下方法計(jì)算：

a)計(jì)算系統(tǒng)預(yù)計(jì)的最小和最大工作仰角;

b)將工作仰角的范圍分成較小(如寬5°)的增量段;

c)計(jì)算可視衛(wèi)星的時(shí)間百分比(作為各增量段內(nèi)仰角的一個(gè)函數(shù));

d)對(duì)一給定的傳播減損水平,求出各仰角增量段衰減超過該水平的時(shí)間百分比;

e)對(duì)各仰角增量段,將步驟c)、d)的結(jié)果相乘再除以100,可得該仰角上衰減超過減損水平的時(shí)間百分比;

f)將步驟e)所得的時(shí)間百分比值相加,以獲得衰減超過該減損水平的系統(tǒng)總時(shí)間百分比。

2 靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減特性仿真

選取我國5個(gè)典型地面站,衛(wèi)星通信系統(tǒng)常用的工作頻段0～30 GHz,用Matlab軟件進(jìn)行仿真分析,相關(guān)地理位置和降雨率見表1[4-7]。該降雨率為地面站10年間每年的統(tǒng)計(jì)平均R0.01。仿真中如無特別說明,均假設(shè)衛(wèi)星射頻信號(hào)極化方式為圓極化,靜止軌道衛(wèi)星位于東經(jīng)108°。

表1 全國典型站點(diǎn)的地理位置和降雨率Tab.1 Location and point rainfall rate of China typical earth stations

5個(gè)典型地面站靜止軌道衛(wèi)星在一般年份0.01%時(shí)間里的降雨衰減仿真結(jié)果如圖1所示。由圖可知：當(dāng)工作頻率大于10 GHz時(shí),降雨衰減隨頻率提高而迅速增大;當(dāng)工作頻率大于20 GHz時(shí),降雨衰減已成為制約衛(wèi)星正常通信的關(guān)鍵因素。衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)留有足夠的系統(tǒng)余量。

北京站靜止軌道衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般年份不同時(shí)間百分比的降雨衰減仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知：不同時(shí)間百分比里的降雨衰減值相差很大。衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)不同衛(wèi)星對(duì)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性要求,選擇對(duì)應(yīng)的降雨衰減值,降低衛(wèi)星和地面站的研制成本和難度。

圖1 靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減Fig.1 Rain attenuation of GEO satellite

圖2 北京站不同時(shí)間百分比中的降雨衰減Fig.2 Rain attenuation for different percentages of Beijing station

北京站靜止軌道衛(wèi)星一般年份0.01%時(shí)間百分比條件下,不同極化方式的降雨衰減仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可知：水平線極化方式降雨衰減最大,垂直線極化方式降雨衰減最小。3種極化方式的降雨衰減在頻率小于10 GHz時(shí)幾乎一致;在頻率30 GHz時(shí),水平線極化的降雨衰減大于圓極化約1.5 dB,圓極化的降雨衰減大于垂直線極化約1.5 dB。

圖3 北京站不同極化方式的降雨衰減Fig.3 Rain attenuation for different polarization of Beijing station

北京站在一般年份0.01%時(shí)間百分比條件下,不同經(jīng)度靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減仿真結(jié)果如圖4所示。通常地面站天線接收衛(wèi)星下傳信號(hào)的最小仰角為5°。當(dāng)靜止軌道衛(wèi)星位于東經(jīng)45°時(shí),北京地面站的接收天線仰角為5.5°,接近最小仰角值;當(dāng)靜止軌道衛(wèi)星位于東經(jīng)116°時(shí),接近北京地面站天線的最大仰角44°。由圖4可知：同一地面站不同經(jīng)度衛(wèi)星的降雨衰減值相差很大。衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需綜合考慮衛(wèi)星與地面站的相對(duì)位置,減小降雨衰減對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響。

圖4 北京站不同經(jīng)度衛(wèi)星的降雨衰減Fig.4 Rain attenuation for different longitude of Beijing station

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的參數(shù),用仿真法討論了北京站不同時(shí)間百分比、極化方式和不同衛(wèi)星的降雨衰減,仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中對(duì)靜止軌道衛(wèi)星10年間不同時(shí)間百分比的降雨衰減測(cè)試數(shù)據(jù)的比較如圖5所示。由圖可知：本文的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,表明本文對(duì)靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減特性的仿真分析結(jié)果正確。

圖5 仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.5 Prediction data and measured data of rain attenuation

3 非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減特性研究與仿真

本文的ITU-R非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減的計(jì)算方法是以靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減的計(jì)算模型為基礎(chǔ),考慮非靜止軌道衛(wèi)星與特定地面站通信時(shí)仰角隨時(shí)間變化的關(guān)系以及降雨導(dǎo)致衛(wèi)星與特定地面站通信中斷的時(shí)間關(guān)系,從概率統(tǒng)計(jì)的角度計(jì)算非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減。因此,基于本文的靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減仿真結(jié)果,綜合衛(wèi)星軌道仿真數(shù)據(jù)和ITU-R標(biāo)準(zhǔn)中的概率統(tǒng)計(jì)方法,可保證非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減仿真分析結(jié)果的正確性。

本文用STK軟件仿真特定地面站的最大和最小工作仰角,考慮衛(wèi)星通信的實(shí)際工作情況,取最小仰角5°;在特定地面站每隔5°仰角設(shè)置一個(gè)傳感器,仿真1年中該地面站每個(gè)傳感器能接收到衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間,由此得到該地面站仰角每5°增量段1年中能與衛(wèi)星通信的時(shí)間百分比;用Matlab軟件編程,迭代求出特定頻率在各仰角增量段超過特定雨衰值的時(shí)間百分比;計(jì)算整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在特定頻率超過特定雨衰值的時(shí)間百分比,對(duì)非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減特性進(jìn)行仿真。仿真中,取非靜止軌道衛(wèi)星的軌道高度830 km,軌道傾角98°,軌道偏心率0.001。

圓極化條件下各地面站在一般年份0.01%時(shí)間內(nèi)非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減如圖6所示。比較圖1、6,可明顯發(fā)現(xiàn)相同通信中斷時(shí)間百分比內(nèi)非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減遠(yuǎn)小于靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減,用該降雨衰減計(jì)算方法設(shè)計(jì)非靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng),可大幅減少衛(wèi)星的EIRP或地面站天線的口徑,降低衛(wèi)星和地面站的研制難度和成本,同時(shí)又能滿足衛(wèi)星通信高概率可靠度的要求。

圖6 非靜止軌道衛(wèi)星降雨衰減Fig.6 Rain attenuation of non-GEO satelliteof Guangzhou station

廣州站圓極化條件下一般年份不同時(shí)間百分比內(nèi)的降雨衰減如圖7所示。由圖可知：不同時(shí)間百分比的降雨衰減值相差較大,當(dāng)時(shí)間百分比超過0.2%時(shí)由降雨導(dǎo)致的衰減可忽略不計(jì)。

圖7 廣州站不同時(shí)間百分比內(nèi)的降雨衰減Fig.7 Rain attenuation for different percentages

廣州站非靜止軌道衛(wèi)星一般年份0.01%時(shí)間內(nèi)不同極化方式的降雨衰減如圖8所示。由圖可知：頻率相同極化方式不同的降雨衰減值從大到小的順序?yàn)樗骄€極化、圓極化、垂直線極化。當(dāng)工作頻率為30 GHz時(shí),水平線極化的降雨衰減大于圓極化的降雨衰減約3 d B,圓極化的降雨衰減大于垂直線極化的降雨衰減約3 d B。

圖8 廣州站不同極化方式的降雨衰減Fig.8 Rain attenuation for different polarization of Guangzhou station

用STK軟件仿真計(jì)算1年中不同軌道高度、不同軌道傾角的非靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)入廣州站地面接收天線仰角范圍(5°～90°)內(nèi)時(shí),各仰角增量段所占時(shí)間的百分比,結(jié)果見表2。

表2 各仰角增量段所占時(shí)間百分比Tab.2 Time percentages of elevation angle increments(%)

廣州站不同軌道高度、不同軌道傾角的非靜止軌道衛(wèi)星,在一般年份0.01%時(shí)間內(nèi)的降雨衰減如圖9所示。由圖9和表2可知：相同衛(wèi)星通信可靠度條件下,非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減值隨1年中衛(wèi)星進(jìn)站時(shí)間百分比的增加而增大。

圖9 廣州站不同非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減Fig.9 Rain attenuation for dif ferent non-GEO satellites of Beijing station

4 結(jié)束語

本文基于ITU-R雨衰預(yù)測(cè)模型,結(jié)合我國典型地面站實(shí)際的降雨率數(shù)據(jù),在常用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作頻段(30 GHz)內(nèi),對(duì)靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星的降雨衰減特性進(jìn)行了仿真,給出了不同條件下的降雨衰減特性規(guī)律,以及對(duì)應(yīng)的降雨衰減值。結(jié)合我國典型地面站的降雨率數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果顯示,本文模型和方法正確。研究可為我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

[1]Recommendation ITU-R P.618-8,Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems[DB/OL].04-2003.

[2]Recommendation ITU-R P.839-3,Rain height model for prediction methods[DB/OL].02-2001.

[3]Recommendation ITU-R P.838-3,Specific attenuation model for rain for use in prediction methods[DB/OL].03-2005.

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