雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響

鐘璐青

【摘要】衛(wèi)星通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的一項(xiàng)重要手段，影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量及系統(tǒng)性能的因素很多，雨衰是其中之一。本文將探討雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，由此提出可以解決該問(wèn)題的有效對(duì)策，預(yù)防雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的干擾，推動(dòng)我國(guó)的衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】雨衰;衛(wèi)星信號(hào);影響

衛(wèi)星傳輸是無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)囊环N，其具備傳播范圍大、效果好、質(zhì)量高以及建設(shè)快，很少受到地理環(huán)境限制、一次性投入后維護(hù)成本較低等優(yōu)勢(shì)，目前在我國(guó)發(fā)展非常快。但在衛(wèi)星的輸送傳播和接收信息工作中，受到開(kāi)放式的影響，很容易被各種外界自然因素影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)男Чc質(zhì)量下降。為了保障傳輸應(yīng)用效果，相關(guān)工作人員開(kāi)展對(duì)多種影響衛(wèi)星傳輸因素的研究，及時(shí)找到有效的解決措施，具有非常重要的意義。

本站衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，通過(guò)組網(wǎng)與調(diào)試運(yùn)行分析，對(duì)C波段信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行研究，深化認(rèn)識(shí)雨衰影響，今兒提出了一套有效的雨衰預(yù)防對(duì)策。

一、雨衰的產(chǎn)生

雨衰指的是電波穿過(guò)降雨區(qū)后受到雨滴的吸收與輻射，產(chǎn)生衰減的情況。雨粒具有介質(zhì)損耗引起吸收衰減，電波被雨粒反射而再發(fā)射導(dǎo)致雨粒散射衰減。

雨衰大小與雨滴直徑和電磁波波長(zhǎng)有直接的關(guān)系，比如C波段的電波波長(zhǎng)大約為7.5cm，而雨滴半徑約在0.025cm-0.3cm，二者差較大，可見(jiàn)，降雨對(duì)C波段影響較小，一般小于2DB。

目前衛(wèi)星業(yè)務(wù)最常用的頻段是C（4-8GHz）頻段、Ku（12-18GHz）頻段和Ka（27-40GHz）頻段。亞太地區(qū)的固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)多使用5850-6425/3625-4200MHz頻段，帶寬為575MHz，簡(jiǎn)稱為6/4GHz頻段。C頻段使用比較早，頻率低，增益也低，天線口徑較大（通常1.8米以上）。雖然相對(duì)其它頻段遭受地面微波等干擾的幾率大些，但其雨衰遠(yuǎn)小于Ku頻段和Ka頻段，更適于對(duì)通信質(zhì)量有嚴(yán)格要求的電視、廣播等業(yè)務(wù)。

二、雨衰對(duì)衛(wèi)星通信的影響

在降雨的時(shí)候，由于降雨云層類型的不同，厚度、移向、水汽凝成物的幾何尺寸、水汽含量、形狀、水態(tài)水滴、冰晶或其混合體、電波的波長(zhǎng)、電波穿越雨區(qū)的長(zhǎng)度都對(duì)電波的衰減產(chǎn)生了不同程度的影響。

（一）雨衰對(duì)衛(wèi)星接收信號(hào)的影響

通常情況下，不超過(guò)16mm/h的雨量不會(huì)對(duì)C波段衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生較大的影響，在雨區(qū)位置不到10公里高度的情況下，以仰角40度地面站的C波段衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生的衰耗在0.3dB左右，而有100mm/h降雨量的暴雨出現(xiàn)時(shí)，如果雨區(qū)高低在2公里以內(nèi)，且地面站仰角是40度，那么C波段衛(wèi)星下信號(hào)衰耗也與上述相同。這表示可以忽略雨衰產(chǎn)生的影響，而在遭遇大暴雨且雨區(qū)高度在2公里以上的過(guò)程中，雨衰就會(huì)嚴(yán)重影響C波段衛(wèi)星的信號(hào)，這時(shí)的衰耗通常會(huì)超過(guò)6dB。雨衰幅度與降雨強(qiáng)度的正比關(guān)系也得到理論研究證實(shí)，當(dāng)穿越長(zhǎng)度為10km時(shí)，無(wú)線信號(hào)穿越中雨以上的降雨區(qū)域時(shí)衰耗達(dá)2dB。而降雨區(qū)域?yàn)楸┯陼r(shí)，雨衰達(dá)10dB。

而雨衰對(duì)信號(hào)的損耗量，還取決于烏云的厚度、信號(hào)所穿越的障礙物以及雨量的大小。一般來(lái)說(shuō)，接近東方或西方低接收仰角的衛(wèi)星比南方的雨衰損耗量大得多，究其原因與接收仰角離近地面越近，信號(hào)通過(guò)云層需要的時(shí)間越長(zhǎng)有直接的關(guān)系，并且這時(shí)雨水接觸信號(hào)的角度達(dá)到最大值，比較容易被雨水阻擋而導(dǎo)致衰減的結(jié)果。

此外，電波頻率與雨衰也有密切關(guān)系，在lGHz到15GHz的頻帶內(nèi)，雨衰量增加，那么降雨量就增強(qiáng)，如果電波頻率超過(guò)10GHz，那么這時(shí)的雨衰則會(huì)非常明顯。對(duì)Ku波段的衛(wèi)星接收影響最大。有研究資料顯示，4GHz時(shí)因?yàn)榻涤陮?dǎo)致輸入系統(tǒng)噪聲溫度增大，可達(dá)到100K，而當(dāng)工作頻率在10GHz時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更大的噪聲。

降雨除會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生衰減外，還會(huì)使得信號(hào)出現(xiàn)去極化現(xiàn)象，若無(wú)線信號(hào)為單極化傳輸系統(tǒng)，影響并不明顯，但是對(duì)于采用正交極化復(fù)用的雙極化傳輸系統(tǒng)，去極化現(xiàn)象會(huì)大大增強(qiáng)正交極化信號(hào)間的相互干擾。相關(guān)試驗(yàn)表明，Ku波段無(wú)線信號(hào)穿越暴雨區(qū)（雨區(qū)高度為2km）時(shí)所出現(xiàn)的微分衰減可達(dá)2dB，正交極化系統(tǒng)受其影響會(huì)出現(xiàn)極化隔離度降低等情況，進(jìn)而使得信號(hào)間出現(xiàn)極化誤差，干擾增加。

（二）雨衰對(duì)微波鏈路信號(hào)的影響

通常情況下，工作人員會(huì)在高山等較為偏僻的地理位置選擇模擬微波電路路由，同時(shí)因受到如經(jīng)濟(jì)條件的限制，又會(huì)有一些超站距離的站點(diǎn)，這將導(dǎo)致更突出的雨衰問(wèn)題。

三、雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳輸影響的應(yīng)對(duì)對(duì)策

目前，解決雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳輸影響問(wèn)題的方法有：第一，加大天線的尺寸或者信號(hào)的功率，減少雨衰。第二，增加在地面的衛(wèi)星終端站，為衛(wèi)星信號(hào)的傳遞提供多個(gè)站點(diǎn)，增加衛(wèi)星信號(hào)傳播的有效路徑。第三，控制功率分配，增加衛(wèi)星對(duì)降雨地區(qū)傳輸?shù)墓β?。第四，信?hào)畸變的校正技術(shù)。

通過(guò)理論計(jì)算和反復(fù)測(cè)試，本站總結(jié)出了一些解決雨衰現(xiàn)象的措施，主要有以下幾方面：

（一）增大衛(wèi)星天線尺寸，使其采集信號(hào)的面積加大，留有余量來(lái)彌補(bǔ)雨衰的影響，以保證信號(hào)接收的最低門限

目前，C波段衛(wèi)星數(shù)字通信系統(tǒng)應(yīng)用的天線波束對(duì)應(yīng)的半功率角度比較窄，這就對(duì)跟蹤的精度以及天線的精度有了更高的要求，而本站天線應(yīng)用9米卡塞格倫天線對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率55dB，接收49.8dB，比25米天線提高了1.8dB。在C波段接收設(shè)計(jì)中，降雨余量和門限儲(chǔ)備之和取值6dB，這與當(dāng)?shù)貧夂蛴嘘P(guān)有關(guān)，相關(guān)因素包括雨季的長(zhǎng)短情況和雨量的大小等等，此外還根據(jù)接收系統(tǒng)的具體要求來(lái)決定。

（二）加大衛(wèi)星發(fā)射功率，加大平均信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)

將天線的仰角與方位角、LNB的極化角都應(yīng)精調(diào)到最佳位置，可用尋星儀、場(chǎng)強(qiáng)儀等器材來(lái)顯示天線的調(diào)試精度。本站通信設(shè)備采用美國(guó)CPI公司在主站采用3000W高功放，能夠?qū)⒔涤陜?chǔ)備的余量大幅度提高，另外還能減少C波段饋線的損耗量，同時(shí)縮短上行天線間波導(dǎo)饋線與高功放設(shè)備之間的距離，很好地將其控制為1m內(nèi)，還要把上變頻器高功放與天線的放置靠緊，達(dá)到更多節(jié)省高功放輸出功率的目的。

（三）采用性能高可靠的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器

在機(jī)房中，其播出信號(hào)源通常為C波段信號(hào)。本站衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用中星6A衛(wèi)星6A轉(zhuǎn)發(fā)器C波段，主要特點(diǎn)是覆蓋功率高。針對(duì)C波段網(wǎng)絡(luò)，高下行功率有助于提高雨衰儲(chǔ)備。而數(shù)字載波在相同空間段寬帶中則能提高傳輸數(shù)碼率，確保地球站天線的口徑更小。

（四）增加上行功率控制，有效控制增益調(diào)節(jié)

目前，人們通過(guò)上行天線對(duì)衛(wèi)星信標(biāo)強(qiáng)度變化進(jìn)行接收，從而更好地控制上行功率器中頻單元增益或衰減量，達(dá)到改變中頻輸入電平、改變高功率輸出功效的調(diào)節(jié)，這是非常重要的手段。通常情況下工作人員會(huì)選擇增加上行功率的控制，提高調(diào)整接收機(jī)與功率控制器斜率的準(zhǔn)確型，也就是做好精確測(cè)量與準(zhǔn)確調(diào)整接收機(jī)斜率數(shù)值和功率控制器單元設(shè)定斜率數(shù)值的一致性，才能確保上行功率控制的正確性。

在新技術(shù)條件下，緩解雨衰主要依賴于衛(wèi)星傳輸路徑。首先，上行站的雨衰補(bǔ)償。通過(guò)線性增大上行站的EIRP，在降雨發(fā)生的時(shí)候，上行信號(hào)在飽和通量的密度上可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)的穩(wěn)定。在特殊的天氣狀況下，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中的信號(hào)不易受降雨因素的制約。其次，補(bǔ)償衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。研究表明，一部分可以在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的作用下得到實(shí)現(xiàn)，另一部分則是在上行站的基礎(chǔ)上實(shí)施的。因此，如果雨衰能夠超過(guò)上行站本身的補(bǔ)償能力，那么，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器就會(huì)發(fā)生積極的效用，對(duì)輸出的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雨衰的補(bǔ)償效應(yīng)。此外，這種補(bǔ)償方式有利于上行鏈路確定雨衰補(bǔ)償范圍，進(jìn)而提高衛(wèi)星的使用度。

四、總結(jié)

本文介紹了雨衰的產(chǎn)生，由于雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，間接影響我們的生活。所以，絕不能忽略雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。通過(guò)本站衛(wèi)星通信系統(tǒng)多年的運(yùn)行，諸多研究證實(shí)了上述的措施有助于消除雨衰因素給衛(wèi)星信號(hào)帶來(lái)的影響，將雨衰增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制為20dB左右，就能有效提高衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。但與此同時(shí)還要考慮到衛(wèi)星系統(tǒng)本身的相關(guān)因素，以及可能出現(xiàn)大暴雨的情況，信號(hào)極有可能不能穿透障礙物導(dǎo)致中斷，此類的情況與問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究總結(jié)。

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