掌握日凌規(guī)律 完善衛(wèi)星通信發(fā)稿流程

文｜吳麗華

日凌，是一種天文現(xiàn)象。每年春分和秋分節(jié)氣前后光顧地球，兩次日凌時(shí)間達(dá)90天，對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，有時(shí)衛(wèi)星通信完全中斷。在此期間，衛(wèi)星用戶接收信號(hào)時(shí)常受到干擾，投訴和技術(shù)咨詢大量增加。衛(wèi)星通信技術(shù)人員全面掌握日凌發(fā)生、形成以及何時(shí)到來的規(guī)律，向用戶提前預(yù)報(bào)，并提供全面詳細(xì)的技術(shù)咨詢服務(wù)，減小日凌帶來的負(fù)面影響，完善發(fā)稿流程，顯得尤為重要。

日凌的發(fā)生

1. 什么是日凌

每年春分、秋分時(shí)，太陽距離地球最近，太陽直射赤道，太陽發(fā)出的電磁波對(duì)地球的輻射最強(qiáng)烈，這一現(xiàn)象就是天文學(xué)上的日凌，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域就叫日凌中斷。由于通信衛(wèi)星大多定位于赤道上空，春分秋分時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行到太陽和地球之間，并同處一條直線上，衛(wèi)星接收站的天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí)也對(duì)準(zhǔn)太陽，太陽強(qiáng)大的電磁波信號(hào)會(huì)使衛(wèi)星信號(hào)的接收干擾或中斷，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞接收設(shè)備。

2. 日凌的形成

圖1-地球自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)示意圖

日凌形成的條件是太陽、衛(wèi)星、地球三者成一條直線。地球距太陽約1.5億公里，衛(wèi)星距地面36000公里，衛(wèi)星與太陽的距離是與地面距離的4000多倍。地球的半徑為6400公里，而太陽的半徑為696342公里，是地球半徑的108倍。懸殊的體積、距離差距以及地球的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)關(guān)系，日凌導(dǎo)致只發(fā)生在春分和秋分前后，并會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。如圖1所示，地球繞地軸自轉(zhuǎn)一周需23小時(shí)56分4秒，同時(shí)，地球繞著太陽公轉(zhuǎn)一周需365天6小時(shí)9分10秒。地球自轉(zhuǎn)軌道面與公轉(zhuǎn)軌道面形成23°26′的黃赤交角。由于黃赤交角的存在，地球才有春夏秋冬，因春分（3月21日）秋分（9月23日）前后一段時(shí)間，太陽離地球最近，太陽直射赤道。在靜止衛(wèi)星星下點(diǎn)進(jìn)入當(dāng)?shù)刂形缜昂蟮囊欢螘r(shí)間里，發(fā)生日凌。

3. 日凌的時(shí)間

日凌發(fā)生在春分、秋分前后的46天之內(nèi)。當(dāng)太陽的入射角度與天線的軸線平行時(shí)發(fā)生日凌，這時(shí)衛(wèi)星信號(hào)受到干擾。由于太陽相對(duì)地球來說大很多，因此太陽直射地球赤道區(qū)域的時(shí)間較長，那么日凌的持續(xù)時(shí)間也就較長，每次都達(dá)四十六天。太陽一年直射赤道兩次，因此日凌一年發(fā)生2次，分別在春分、秋分前后。即春分前二十多天開始，北半球開始發(fā)生日凌，春分后，南半球開始日凌。秋分前二十多天，南半球開始進(jìn)入日凌期，秋分后，北半球開始日凌期。對(duì)我國的大部分地區(qū)來說，一年2次，每次持續(xù)10天左右，每天發(fā)生在10時(shí)至16時(shí)之間，時(shí)間10分鐘左右，最長可達(dá)20多分鐘。

影響日凌的幾個(gè)因素

1. 衛(wèi)星位置因素

對(duì)同一接收地點(diǎn)，經(jīng)度越東的衛(wèi)星，日凌發(fā)生越早，逐步影響到經(jīng)度越西的衛(wèi)星。太陽、地球和經(jīng)度越東的衛(wèi)星最早形成直線，形成日凌。對(duì)同一個(gè)地方，同時(shí)有多個(gè)接收天線分別對(duì)準(zhǔn)多顆衛(wèi)星，肯定是對(duì)準(zhǔn)經(jīng)度靠東衛(wèi)星的接收天線先受到影響。

2. 緯度因素

緯度影響日凌開始結(jié)束的時(shí)間。春分時(shí)，對(duì)北半球而言，緯度越高，則日凌開始和結(jié)束的時(shí)間越早。對(duì)南半球而言，緯度越高，則日凌開始和結(jié)束的時(shí)間越晚。春分時(shí)前二十多天，太陽從南至北向赤道移動(dòng)，太陽、衛(wèi)星和北半球形成直線，直射高緯度地區(qū)，再由高到中直至低緯度地區(qū)，北半球處于日凌期。春分后二十多天，當(dāng)太陽從赤道向北移動(dòng)時(shí)，太陽、衛(wèi)星和南半球形成直線，直射低緯度地區(qū)，再由低到中至高緯度地區(qū)形成直線，南半球處于日凌期。秋分前后太陽由北向南穿過赤道。秋分時(shí)，對(duì)南半球而言，緯度越高，則日凌開始和結(jié)束的時(shí)間越早。對(duì)北半球而言，緯度越高，則日凌開始和結(jié)束的時(shí)間越晚。對(duì)同一經(jīng)度的地球站，緯度每相差3度左右，則日凌開始和結(jié)束的時(shí)間就相差一天。

3. 經(jīng)度的因素

經(jīng)度影響每天日凌開始和結(jié)束的時(shí)間。地球的自轉(zhuǎn)影響了日凌開始和結(jié)束的時(shí)間。地球站的經(jīng)度越往西，則每天日凌開始和結(jié)束的時(shí)間越早；經(jīng)度越往東，則每天日凌開始和結(jié)束的時(shí)間越晚。由于地球自轉(zhuǎn)的原因，每天的日凌區(qū)域?yàn)樽晕飨驏|移動(dòng)，因?yàn)榈厍笞赞D(zhuǎn)，太陽相對(duì)于地球自東向西移動(dòng)，太陽、衛(wèi)星先和經(jīng)度西的地域形成直射關(guān)系。如果兩地緯度一樣，那么經(jīng)度每相差2度，則兩地日凌開始及結(jié)束的時(shí)間相差1分鐘。

4. 接收天線因素

日凌與接收天線的電氣特性密切相關(guān)。對(duì)一個(gè)地面接收站來講，日凌的時(shí)間從太陽進(jìn)入其3dB波束寬度開始，至太陽離開3dB波束寬度結(jié)束。

其中，λ為波長，c為光速，f為天線接收頻率，D為天線直徑。

從上式可以看出，3dB波束寬度與天線口徑和天線接收頻率有關(guān)，成反比。天線口徑越大，3dB波束寬度越窄，日凌時(shí)間越短。如口徑3.7米的C波段天線3dB波束寬度為1.4度，2.4米的C波段天線3dB波束寬度為2.2度，地球每分鐘轉(zhuǎn)0.25度，則2.4米天線的日凌持續(xù)時(shí)間比3.7米天線長約3分鐘。也與接收頻率有關(guān)，KU頻段的3dB帶寬就比C波段的3dB帶寬窄，KU頻段就比C頻段的日凌時(shí)間短。以2.4米天線為例，KU頻段的3dB波束帶寬為0.7度，C頻段的3dB波束帶寬為2.2度。地球每分鐘轉(zhuǎn)0.25度，則C波段比KU波段的日凌時(shí)間長6分鐘。

日凌的計(jì)算

學(xué)會(huì)計(jì)算日凌時(shí)間才能精準(zhǔn)地向用戶通告日凌時(shí)間，可使用戶提前了解受干擾的時(shí)間，做到心中有數(shù)。

1. 如何計(jì)算日凌時(shí)間

圖2 衛(wèi)星日凌期計(jì)算圖

如圖2所示，令P點(diǎn)為衛(wèi)星地面接收站站址，K1為地面站所在的經(jīng)度，∠POK1＝Φ為該站緯度。赤道上靜止衛(wèi)星為S。K2為星下點(diǎn)，地心為O，星下點(diǎn)經(jīng)度為K2°。則：星下點(diǎn)經(jīng)度與地面站址經(jīng)度差|Δλ|＝|K1°－K2°|。

OS為地心與衛(wèi)星距離，OS＝42164.177km，

R1為赤道半徑 R1＝6378.137km

R2為極半徑 R2＝6356.725km，

則平均半徑R3 R3＝（2R1＋R2）/3＝6371.008km

過P點(diǎn)作PD垂直赤道平面交OK1于D點(diǎn)，再用DD″⊥OS和PD′⊥PD，則可見矩形PDD″D′。

過地心作OS′平行于D′S，設(shè)∠SOS′＝A。

過地心作OS″平行于DS，設(shè)∠SOS″＝B。

當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)能同時(shí)滿足下列兩個(gè)條件時(shí)，衛(wèi)星地面站接收站將發(fā)生日凌。 （1）太陽光線S″O與DS平行并與OS夾角為B。

太陽光線S′O與D′S平行并與OS夾角為A。

根據(jù)圖2衛(wèi)星日凌期計(jì)算圖所示，運(yùn)用立體幾何定律可得A、B計(jì)算公式如下：

A＝tg－1［sinΦ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

B＝tg－1［cosΦsinΔλ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

B值確定發(fā)生日凌時(shí)太陽光直射經(jīng)度位置M1， M1=K2+B

B＞0時(shí)M1＞K2， M=M1 開始，M=K2 結(jié)束。

B＜0時(shí)M1＜K2， M=K2開始，M=M1 結(jié)束。

某地發(fā)生日凌的時(shí)間可用下式換算：

T1＝12.00－（M－M0）×4 （分）M=M1開始，M=K2，結(jié)束

M0為某地授時(shí)經(jīng)度線值，當(dāng)M1＞M0時(shí)為午前，M1＜M0時(shí)為午后，M1＝M0時(shí)為正午12點(diǎn)。

A值確定發(fā)生日凌時(shí)太陽光直射緯度位置M2，若M 2在春（秋）分前后45天里的平均南北移動(dòng)角速度為ω＝0.3853815°/天，則每年兩次日凌時(shí)間：

T2＝春（秋）分（）日（）時(shí)（）分－（＋）A/ω天

B值一天一次，A值一年共兩次，計(jì)算出T2值是日凌持續(xù)時(shí)間最長的一天，前后連續(xù)發(fā)生2～3天，每天的時(shí)間由T1決定。

2. 日凌日期計(jì)算實(shí)例

以中星10號(hào)衛(wèi)星（110.5°E），選取北京做一實(shí)例計(jì)算，計(jì)算2012年的秋分時(shí)的日凌時(shí)間。2012年秋分日為9月22日。

A＝tg－1［sinΦ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

T2＝春（秋）分（）日（）時(shí)（）分 ±A/ω天

北京： 116.3°E，39.55°N，Δλ=K1-K2=116.3°-110.5°=5.8°。選用北京時(shí)間，查表得北京時(shí)間屬于東8區(qū)，授時(shí)經(jīng)度線為120°。

A=tg－1［sin39.92°/（6.6181328－cos 39.92°cos(116.46°-110.5°)]

=tg-1[sin39.92°/（6.6181328－cos 39.92°cos(116.46°-110.5°)]

=tg-1[0.641717/(6.6181-0.7669*0.9945)]

=tg-1[0.109594]

=6.25°

T2=秋分+6.25°/0.3853815°=秋分+16.23天，

B＝tg－1［cosΦsinΔλ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

=tg－1[(cos39.92°sin(-6)°)/(6.6181328-cos39.92°cos(-6)°]

=tg-1[-0.771×0.101)/(6.6181328-0.771×0.9945)]

=tg-1[-0.08/5.851]

=tg-1(-0.01367)

=-0.78°

因B<0，所以M1

T1＝12:00－（M1－M0）×4 （分）M1=K2+B，結(jié)束；M1=K2，開始。

結(jié)束:T1=12:00-(K2+B-120°)×4=12:00-(110.5-0.78-120)×4=12:00+41.12分=12時(shí)41分7秒

開始：T1=12:00-(110.5-120)×4=12:00+9.5×4=12時(shí)38分

持續(xù)時(shí)間：T1（結(jié)束）-T1（開始）=3分7秒

圖3-鑫諾衛(wèi)星公司網(wǎng)站日凌計(jì)算結(jié)果截屏圖

9月22日為2012年的秋分日，則10月8日為日凌持續(xù)時(shí)間最長的一天，以此為中心點(diǎn)，前后持續(xù)8天左右。在鑫諾衛(wèi)星公司網(wǎng)站提供的日凌在線計(jì)算程序驗(yàn)證：北京的日凌時(shí)間為10月4日-12日，最強(qiáng)日凌日為10月8日、與上述計(jì)算基本一致(詳見圖3-鑫諾衛(wèi)星公司網(wǎng)站日凌計(jì)算結(jié)果截屏圖)。持續(xù)時(shí)間與網(wǎng)站提供的計(jì)算工具有出入，是由于上述公式為一粗略估算公式，日凌與地理位置，信號(hào)電平，數(shù)據(jù)格式、天線尺寸、指向精確度、接收站電氣性能等因素都有關(guān)系，計(jì)算起來比較復(fù)雜，也沒有必要。衛(wèi)星通信工程技術(shù)人員只要懂得原理即可，現(xiàn)在衛(wèi)星公司一般會(huì)在官網(wǎng)站上提供在線日凌計(jì)算界面，個(gè)人輸入相關(guān)參數(shù)，日凌數(shù)據(jù)就直接在界面上顯示，非常方便，是技術(shù)人員的得力工具和助手。

如何應(yīng)對(duì)日凌的影響

1. 積極謀劃衛(wèi)星通信，減小日凌的影響

日凌是一種自然現(xiàn)象，不可避免，在工作中盡量消除減小它的影響，是我們可以爭取的。重要稿件的播發(fā)力爭避開日凌時(shí)段。如工作確實(shí)需要，又實(shí)在難以避開，在主用衛(wèi)星處于日凌期時(shí)，需使用另一顆衛(wèi)星。如每年的兩會(huì)期，正好也是我國大部分地區(qū)的春季日凌期。如中央電視臺(tái)2001年兩會(huì)直播，當(dāng)中央電視臺(tái)使用的“亞洲一號(hào)”衛(wèi)星發(fā)生日凌時(shí)，北京電視臺(tái)的“亞洲2號(hào)”衛(wèi)星承擔(dān)起直播重任（亞洲1號(hào)，東經(jīng)105.5°。亞洲2號(hào)100.5°。亞洲1號(hào)先發(fā)生日凌，正好利用了日凌發(fā)作的時(shí)間差）。也可以切換不同的地面接收天線，因?yàn)椴煌?jīng)、緯度日凌發(fā)生的時(shí)間不同，當(dāng)然在可能的范圍內(nèi)，兩個(gè)地面接收站要盡量隔開，以徹底避開日凌。

圖4-INTELSAT-904星北京春分日凌計(jì)算截圖

圖5-INTELSAT-904北京春分日凌計(jì)算結(jié)果

2. 積極做好日凌期的用戶服務(wù)

技術(shù)人員應(yīng)在日凌發(fā)生前數(shù)日，以通知形式下發(fā)用戶，及時(shí)通報(bào)用戶日凌開始和結(jié)束的時(shí)間，引起用戶重視，做好用戶服務(wù)工作。現(xiàn)在基本每個(gè)衛(wèi)星公司的網(wǎng)站上都提供日凌計(jì)算工具。技術(shù)人員可登錄網(wǎng)站進(jìn)行計(jì)算。以國際衛(wèi)星公司IS-904星（60°E）北京接收端為例。登錄：http://www.intelsat.com，在Tools&ResourcesSatellite Data&ToolsSun Interference Calculator界面下計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可原界面打印，也可存為PDF、EXCEL文件。圖4為計(jì)算截圖，圖5為日凌計(jì)算結(jié)果截圖。

日凌現(xiàn)象的利用

日凌對(duì)衛(wèi)星通信會(huì)形成干擾，但對(duì)此現(xiàn)象加以利用，會(huì)有意想不到的效果。在衛(wèi)星地面站選址時(shí)，對(duì)前面高樓、大樹、煙囪等是否形成遮擋難以確定，可在日凌期間觀測(cè)前方的建筑物、大樹是否對(duì)選址地形成陰影來加以確定。還可實(shí)現(xiàn)簡易調(diào)星。在日凌時(shí)刻調(diào)星，調(diào)整天線方位角、俯仰角，使高頻頭的影子落到天線中心即可。