楊偉斌
衛(wèi)星通信越來越深入到社會的角角落落,不僅民用的衛(wèi)星電視節(jié)目、現(xiàn)代教育廣泛利用衛(wèi)星通訊技術(shù),而且大量的應(yīng)用于GPS、測繪、氣象、軍事等專業(yè)領(lǐng)域。對于影響衛(wèi)星信號傳輸?shù)默F(xiàn)象也成為越來越關(guān)注的焦點(diǎn),然而衛(wèi)星通信質(zhì)量受到氣候、大氣、天體等因素的影響,了解以上諸因素的影響,可以對信號進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償,對衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計和使用有非常重要的意義。
衛(wèi)星通信使用微波波段的高頻電磁波,將數(shù)據(jù)打包由地面發(fā)射站(地球站)送上衛(wèi)星,再通過衛(wèi)星下發(fā)到覆蓋內(nèi)的地面接收站,衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)需要穿透大氣層到達(dá)衛(wèi)星或地面。不同頻段用不同代號表示即波段,目前國際上主要使用的Ku波段(工作頻率范圍為12.24-18GHz)和多媒體廣播的衛(wèi)星通信的經(jīng)典波段C波段(工作頻路范圍為4-8GHz)工作。衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是:頻率高、功率大,通信距離遠(yuǎn),建站成本與通信距離無關(guān);以廣播方式工作,便于是想多址聯(lián)接,通信容量大,能傳送的業(yè)務(wù)類型多;方便架設(shè)和接收,地面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。以下就影響衛(wèi)星信號傳輸?shù)闹饕蛩丶右苑治?,并針對具體因素進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償和應(yīng)對。
1.衛(wèi)星蝕
衛(wèi)星蝕或衛(wèi)星食,是指人造衛(wèi)星被其圍繞著的天體擋住,得不到陽光照射的現(xiàn)象。衛(wèi)星食主要影響依靠太陽能發(fā)電的人造衛(wèi)星。低軌道、短周期的人造衛(wèi)星在運(yùn)行期間經(jīng)常會出現(xiàn)衛(wèi)星食,但為時通常不多于1小時,衛(wèi)星上的蓄電池一般能夠應(yīng)付。但同步軌道衛(wèi)星這一類軌道高、長周期的衛(wèi)星,一旦出現(xiàn)衛(wèi)星食,可維持?jǐn)?shù)小時,有可能需要關(guān)閉衛(wèi)星上部分設(shè)備減少耗電。而衛(wèi)星食時會造成的急速降溫,也是設(shè)計衛(wèi)星時必須考慮在內(nèi)的。
衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū),我們稱此現(xiàn)象為衛(wèi)星蝕,它出現(xiàn)在每年春分(3月21日)和秋分(9月23日)前后,每次連續(xù)出現(xiàn)45天,共90天。而且春分和秋分這兩天,衛(wèi)星蝕的時間最長,為72分鐘。
在星蝕期,星上太陽能電池不能提供電源,只能啟用備用電池供電。
2.日凌現(xiàn)象
每年春分和秋分前后,在衛(wèi)星地球站所在地,衛(wèi)星將處在太陽與地球之間的直線上。這時衛(wèi)星地球站天線在對準(zhǔn)衛(wèi)星的同時也對準(zhǔn)太陽,使太陽產(chǎn)生的強(qiáng)大的電磁波直接投射在地球站天線上。由于太陽產(chǎn)生的電磁波頻譜很寬,因此,對地球站來說,該電磁波是一個巨大的噪聲源,對其所接受的衛(wèi)星信號造成干擾從而使接收鏈路嚴(yán)重惡化甚至中斷,這種現(xiàn)象即稱為日凌現(xiàn)象。
日凌與地球站電氣特性關(guān)系:
①日凌與接收頻率的關(guān)系:接收頻率越高,天線3dB波束寬度越窄,則日凌持續(xù)時間越短。
②日凌與天線口徑的關(guān)系:天線口徑越大,天線3dB波束寬度越窄,則日凌持續(xù)時間越短。
對一個地球站來講,其日凌干擾最強(qiáng)時間從太陽進(jìn)入其天線3dB波束寬度開始,以離開其3dB波束寬度結(jié)束。因此,地球站的日凌持續(xù)時間與其接收頻率和天線口徑大小有關(guān)。
對地球站來說,收東經(jīng)度越高的衛(wèi)星,每天日凌開始和結(jié)束的時間越早,可利用日凌發(fā)生先后順序?qū)?jié)目信號進(jìn)行選擇切換。
3.Ku波段衛(wèi)星廣播中雨衰現(xiàn)象
雨衰的機(jī)理及影響: 當(dāng)電波穿過降雨的區(qū)域時,雨滴會對電波產(chǎn)生吸收和散射,故而造成衰減。在1~50GHz的頻帶內(nèi),雨衰值是雨滴半徑與電波波長比值的增函數(shù)。Ku波段內(nèi)電波的波長比C波段內(nèi)電波的波長短,所以Ku波段的雨衰大于C波段的雨衰。在Ku波段內(nèi),短時間 (數(shù)分鐘內(nèi))大降雨的衰減可高達(dá)20dB,顯然如此大的衰減量將使廣播線路暫時中斷。考慮到雨衰現(xiàn)象,在Ku波段中整個系統(tǒng)的G/T值就要留有較大的余量。
根據(jù)雨衰曲線可以對衛(wèi)星Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器天線的波束圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,也可以對衛(wèi)星接收系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計以減少降雨產(chǎn)生的影響。
鑫諾一號衛(wèi)星Ku波段天線波束的設(shè)計工作考慮到了雨衰的影響,它的波束中心大致位于福州,EIRP為53dBW;在浙江、福建、江西、廣東、廣西、海南等省的EIRP為52dBW;在北京的EIRP為46dBW。北京雨衰為6dB,福州為15dB,兩者相差9dB;而衛(wèi)星的等效全向輻射功率在兩地相差7dB,兩種差別可大致相互抵消掉。與亞洲二號相比,鑫諾一號衛(wèi)星Ku波段天線波束的設(shè)計是比較成功的。
4.雪衰現(xiàn)象
一般情況下,除非是暴雪,饋源上面的積雪不太厚,降雪對Ku及其以下頻段的衛(wèi)星信號不會產(chǎn)生明顯的衰減,但是在雨夾雪、化雪過程中,對于C波段及Ku波段的衛(wèi)星傳輸影響非常顯著,造成天線饋源及主反射面凹凸不平的積雪對電磁波產(chǎn)生不同的散射和吸收,嚴(yán)重破壞衛(wèi)星天線口面場分布均勻性,大大降低了天線的增益,同時也增大了天線的噪聲溫度,上行鏈路的EIRP值或接受系統(tǒng)的G/T值均會因此而大大減小,因此無論是上行站和下行站,均須對此采取積極的預(yù)防和克服措施。
5.同步衛(wèi)星的運(yùn)動方式
由于受太陽、月球、地球引力的影響,同步衛(wèi)星會在一個與地球赤道平臺夾角不斷變化的傾斜軌道上運(yùn)行。假設(shè)衛(wèi)星軌道的東西位置保持不變,則從地球赤道表面觀察衛(wèi)星的日漂移軌跡,同步衛(wèi)星在其軌道定點(diǎn)上以24小時為一周期呈8字形軌道不停地運(yùn)動著,這會影響衛(wèi)星信號傳輸?shù)姆€(wěn)定。通過對衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制,使衛(wèi)星保持在赤道平面內(nèi),有利于衛(wèi)星信號傳輸?shù)姆€(wěn)定。
小結(jié)
衛(wèi)星信號傳輸是一個復(fù)雜的系統(tǒng),影響衛(wèi)星信號傳輸?shù)囊蛩睾芏啵覀冎挥袑@些影響因素有了深刻的理解,不斷完善系統(tǒng),針對具體因素制定有效的措施,克服、預(yù)防一切影響衛(wèi)星信號傳輸?shù)那闆r發(fā)生,才能讓衛(wèi)星信號傳輸?shù)玫礁玫膽?yīng)用,不斷推進(jìn)衛(wèi)星傳輸事業(yè)的不斷發(fā)展。