Ku頻段衛(wèi)星雨衰計(jì)算及自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 靜，秦宏偉，洪 軍

(中國(guó)人民解放軍63886部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

對(duì)流層對(duì)衛(wèi)星通信鏈路的影響主要表現(xiàn)為吸收衰減，對(duì)流層中的水蒸氣對(duì)2 GHz以上的信號(hào)損傷較大，且隨頻率增加而影響加劇。Ku頻段除了對(duì)水蒸氣吸收敏感外，對(duì)對(duì)流層中的塵埃也較為敏感。隨著Ku頻段衛(wèi)星的使用，雨衰對(duì)衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊懸殉蔀樾l(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用過程中的重要影響因素。

1 雨衰的產(chǎn)生及影響

1.1 雨衰的產(chǎn)生

電磁信號(hào)穿過對(duì)流層時(shí)，其能量會(huì)因雨、雪、云、霧的吸收和散射而受到衰耗，散射還能導(dǎo)致大范圍無(wú)線電干擾，并對(duì)電磁波存在去極化效應(yīng)，稱這些衰減和干擾為雨衰。雨衰的程度因信號(hào)頻率，雨雪的大小及信號(hào)穿過雨雪區(qū)的路程長(zhǎng)短而不同。

1.2 雨衰的影響

雨衰呈現(xiàn)非選擇性和緩慢的時(shí)變特性，是導(dǎo)致信號(hào)劣化，影響系統(tǒng)可用性的主要因素。雨衰的大小與雨滴直徑和波長(zhǎng)的比值有著密切的關(guān)系，當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)比雨滴大時(shí)，散射衰減起決定作用。當(dāng)電磁波的波長(zhǎng)比雨滴小時(shí)，吸收損耗起決定作用。對(duì)于10 GHz以上的電磁波，隨著電磁波波長(zhǎng)的減小，雨衰的影響越大，大雨和暴雨對(duì)電磁波的衰減要比小雨大得多。Ku波段頻率較高，其波長(zhǎng)與直徑為數(shù)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(dāng)嚴(yán)重。同樣仰角和雨區(qū)高度，大雨(16 mm/h)時(shí)，Ku波段上、下鏈路的衰耗可分別達(dá)到11 dB、7.5 dB以上;暴雨(雨量為100 mm/h)時(shí)，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(duì)電磁波的吸收衰減也會(huì)對(duì)地球站產(chǎn)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(duì)接收信號(hào)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(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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?yàn)殡姶挪ù┻^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(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)(G/T)值，也就是直接影響到接收信號(hào)的載噪比，對(duì)信號(hào)可用度的影響甚至比降雨衰減更明顯，在鏈路計(jì)算時(shí)必須考慮其影響。

1.4 去極化現(xiàn)象

事實(shí)上，降雨不僅會(huì)衰減電磁波，還會(huì)產(chǎn)生去極化作用，所以降雨對(duì)電磁波的吸收和散射特性也與入射波的極化波面有關(guān)。由于空氣阻力會(huì)使雨滴變成略微扁平的形狀，在雨滴的2個(gè)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(xiàn)象對(duì)單極化傳輸系統(tǒng)影響并不大，但對(duì)于正交極化復(fù)用的雙極化傳輸系統(tǒng)，會(huì)造成極化隔離度降低，導(dǎo)致正交極化的信號(hào)互相干擾加大。這種降雨引起的去極化現(xiàn)象，對(duì)線極化和圓極化都有影響。

2 雨衰的計(jì)算

衛(wèi)星通信鏈路的降雨衰減可以由許多方法來(lái)估計(jì)，其中最為常用的一種方法為ITU-R降雨衰減的推測(cè)方法。在1982年的研究中，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU(原國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)CCIR)推薦了一個(gè)預(yù)測(cè)降雨衰減的模型，其核心是采用了“等效路徑長(zhǎng)度”的概念，即將降雨的非均勻性進(jìn)行均勻化而引進(jìn)能起等效作用的縮短因子，使得縮短了的路徑長(zhǎng)度乘以單位路徑衰減(衰減率)就是實(shí)際測(cè)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(qū)的斜距，查出當(dāng)?shù)氐慕涤陱?qiáng)度并據(jù)此求得單位路程的雨衰率，由電波穿越雨區(qū)的水平距離和降雨強(qiáng)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(yù)報(bào)模型所需要的參數(shù)歸結(jié)如下:

R0.01:當(dāng)?shù)仄骄?.01%時(shí)間概率的降雨率;hs:地面站海拔高度;φ1:衛(wèi)星所定點(diǎn)的經(jīng)度;φ2:地面站的經(jīng)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(jì)算雨頂高度:

第2步:計(jì)算雨頂下斜路徑長(zhǎng)度，如圖1所示。

圖1 地－空斜路徑降雨衰減計(jì)算示意圖

第3步:計(jì)算斜路徑的水平投影:

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

式中，k和α的具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)4。

第5步:計(jì)算0.01%時(shí)間概率的水平縮短因子:

第6步:計(jì)算0.01%時(shí)間概率的垂直因子:

式中，LR為調(diào)整穿越降雨路徑長(zhǎng)度。

最終可得垂直調(diào)整因子為:

第7步:計(jì)算有效路徑長(zhǎng)度:

第8步:計(jì)算0.01%時(shí)間概率降雨衰減:

第9步:預(yù)測(cè)時(shí)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(duì)洛陽(yáng)站和石家莊站的雨衰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。假設(shè)使用衛(wèi)星為鑫諾一號(hào);洛陽(yáng)站經(jīng)度112.38E、緯度34.7N，接收頻率12.5 GHz;石家莊站經(jīng)度114.47E、緯度38.07N，接收頻率12.5 GHz，洛陽(yáng)所在雨區(qū)為K區(qū)，石家莊所在雨區(qū)為H區(qū)，則地球站可用度與雨衰的對(duì)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(shí)(平均年);DT(w.m.):中斷小時(shí)(最壞月)。

表1 洛陽(yáng)站下行鏈路可用度與雨衰對(duì)照情況表

表2 石家莊站下行鏈路可用度與雨衰對(duì)照情況表

3 Ku頻段衛(wèi)星鏈路自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了更好地研究降雨對(duì)衛(wèi)星鏈路傳輸質(zhì)量的影響，進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的長(zhǎng)期觀測(cè)是非常必要的，研究信號(hào)的長(zhǎng)期以及短時(shí)間間隔的變化特性，可通過實(shí)驗(yàn)掌握雨衰的變化規(guī)律從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雨衰的有效補(bǔ)償。為了研究衛(wèi)星通信鏈路特性，設(shè)計(jì)了Ku頻段衛(wèi)星鏈路傳輸特性自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)。

3.1 自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的基本組成

自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)由天線、室外單元(ODU)、室內(nèi)單元(IDU)、頻譜分析儀、雨量?jī)x以及個(gè)人計(jì)算機(jī)組成。計(jì)算機(jī)通過GP-IB對(duì)頻譜分析儀和數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行控制，連續(xù)讀取頻譜分析儀上衛(wèi)星信號(hào)的電平值和雨量值，并把讀取的數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)硬盤上。通過觀測(cè)接收到的信號(hào)電平值的變化情況以及雨量值，可以得出衛(wèi)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(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)組成圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)頻譜分析儀的自動(dòng)控制，采用GP-IB接口技術(shù)。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(jì)算機(jī)通過GP-IB的輸出命令，向頻譜分析儀發(fā)送頻譜的內(nèi)部命令，然后通過GP-IB的輸入命令把需要的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，其程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)ITU-R降雨衰減的推測(cè)方法進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上提出了Ku頻段衛(wèi)星鏈路傳輸特性自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在后續(xù)工作中將對(duì)此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)Ku頻段衛(wèi)星鏈路傳輸特性進(jìn)行詳細(xì)分析，為地球站提供可靠依據(jù)。

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