車載非靜止軌道衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)鏈路計(jì)算

簡 晨，潘 琳

（國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站，陜西 西安 712000）

1 NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)及監(jiān)測

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)應(yīng)用的C/ Ku頻段靜止軌道（GSO）資源日趨飽和，Ka等更高頻段的NGSO衛(wèi)星得到廣泛關(guān)注，興起了以NGSO為主的寬帶互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星建設(shè)熱潮。國際上已有多個(gè)新型寬帶互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)投入運(yùn)營，如O3B、Oneweb及Starlink等。NGSO星座具有規(guī)模大、頻段寬、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，因此，有必要采用車載式監(jiān)測系統(tǒng)對固定監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋不到的區(qū)域進(jìn)行下行信號頻率占用情況等信息的監(jiān)測。對于NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)的監(jiān)測，應(yīng)采用跟蹤天線。為獲得更高的G/T值，應(yīng)盡可能增大天線口徑，而車載系統(tǒng)受車輛平臺限制口徑不宜過大。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)精確考慮不同地區(qū)不同仰角時(shí)的鏈路損耗。

本文首先介紹ITU相關(guān)建議書對降雨、云層、水蒸氣和對流層導(dǎo)致的衛(wèi)星通信損耗精確計(jì)算的方法及計(jì)算模型，之后利用Python及相關(guān)模塊，給出計(jì)算示例，為車載系統(tǒng)建設(shè)提供依據(jù)。

2 地空鏈路損耗介紹

地空鏈路除自由空間損耗外[1]，還應(yīng)考慮非電離層大氣效應(yīng)[2]，主要包括降雨衰減、云層衰減、大氣吸收衰減和對流層閃爍衰減。

2.1 自由空間損耗

對于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，應(yīng)用以下公式計(jì)算自由空間損耗：

式中，Lbf為自由空間傳輸損耗（dB）；f為頻率（MHz）；d為距離（km）。

2.2 降雨導(dǎo)致的固定概率衰減

單位距離雨衰量γR（dB/km）可以通過公式（2）計(jì)算[3]：

式中，k和α均為頻率f（GHz）的函數(shù)；R為降雨強(qiáng)度，詳細(xì)參數(shù)的計(jì)算參考引文[3]。超出年均降雨量p時(shí)間雨衰Ap可通過超出0.01%年平均降雨量R0.01導(dǎo)致的衰減A0.01計(jì)算：

p≥1% 或 |φ|≥36° ：β=0 ；

p＜1% 或 |φ|＜36°且θ≥25° ：β=-0.005（|φ|-36）；

其他情況 ：β=-0.005（|φ|-36）+1.8-4.25sinθ。

式中，θ為仰角；φ為所在地緯度。該方法提供了雨衰長期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的預(yù)測。計(jì)算過程可參考引文[2]中第2章的內(nèi)容。

2.3 云導(dǎo)致的固定概率衰減

云中液態(tài)水比衰減系數(shù)Kl表示為[4]：

式中，f為頻率（GHz）；T為云中液態(tài)水水溫度（K）；ε為水的介電常數(shù)；η通過式（5）可得：

ε'和ε"的值可利用引文[4]中的公式計(jì)算。

要計(jì)算云衰減，需要相應(yīng)地點(diǎn)的云中液態(tài)水總柱狀含量L（kg/m2）測試數(shù)據(jù)。若沒有相應(yīng)數(shù)據(jù)，可利用基于ERA-40數(shù)據(jù)的預(yù)測方法，該方法使用了降至固定溫度273.15 K的云中液態(tài)水總柱狀含量Lred（kg/m2），該值在ITU-R P.840建議書中以數(shù)字地圖的形式提供。給定概率p，傾斜路徑云衰減Ac為：

式中，θ為仰角，Lred為273.15 K時(shí)概率p下的云中液態(tài)水柱狀含量。利用公式（4）、（5）、（6）結(jié)合可計(jì)算出在固定概率云層衰減。

2.4 水蒸氣和氧氣導(dǎo)致的固定概率的衰減

大氣中氣體對不同波長氣體不同程度吸收，可造成傾斜路徑上的衰減，主要由氧氣和水汽引起。氧氣引起的單位距離衰減量γo（dB/km）和水汽引起的單位距離衰減量γw（dB/km）在ITU-R建議書P.676給出了其計(jì)算方法[5]，同時(shí)描述了不同假設(shè)條件下的衰減計(jì)算方法：①已知與高度相對的氣壓、溫度和水汽密度，采用逐線求和法計(jì)算1-1000 GHz頻率范圍內(nèi)的路徑衰減；②使用ITU-R建議書P.836[6]估算地球表面水汽密度，計(jì)算1-350 GHz頻率范圍內(nèi)路徑衰減；③使用ITU-R建議書P.836估算沿路徑上整層大氣水汽含量，計(jì)算1-350 GHz頻率范圍內(nèi)路徑衰減。

方法②和③中，根據(jù)余割法計(jì)算水汽和氧氣導(dǎo)致的路徑衰減AG：

式中，ho和hw分別為大氣中氧氣和水汽產(chǎn)生的等效高度；θ為仰角；除以sinθ為傾斜路徑長度。根據(jù)公式（7）、（8）、（9），結(jié)合P.836中補(bǔ)充文件：平均每年0.1、0.2、0.3、0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、60、70、80、90、95和99%的時(shí)間超出的地表水汽密度的年度值（g/m3），計(jì)算固定概率水蒸氣氧氣吸收衰減。

2.5 對流層閃爍導(dǎo)致的固定概率衰減

對流層閃爍取決于傳播路徑折射率的變化，閃爍隨著頻率和路徑長度增大而增加，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示閃爍與折射率Nwet關(guān)系密切，折射率取決于大氣中水蒸氣含量。折射率Nwet可通過ITU-R P.453[7]中補(bǔ)充文件獲得。仰角大于5°時(shí)，超出時(shí)間百分比p%內(nèi)的對流層閃爍衰減As（p）可表示為：

式中，a（p）為時(shí)間百分比0.01＜p≤50范圍內(nèi)的系數(shù)：

σ為路徑上信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差，參數(shù)的計(jì)算公式參考引文[2]，結(jié)合公式（10）、（11）可計(jì)算出固定概率的對流層閃爍衰減。

2.6 總體衰減估計(jì)

車載系統(tǒng)天線口徑限制導(dǎo)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)余量低，因此必須考慮多種大氣衰減情況。計(jì)算給定概率的多種大氣總體衰減可采用下式[2]：

整個(gè)鏈路衰減L為自由空間損耗與大氣衰減之和：

3 地空鏈路大氣損耗計(jì)算示例

上一節(jié)介紹了ITU中不同大氣損耗的計(jì)算公式，Python中的ITU-Rpy模塊[8]基于ITU-R相關(guān)建 議書，用于計(jì)算GHz范圍內(nèi)地空和水平路徑大氣衰減。利用該模塊，可以快速計(jì)算不同地區(qū)不同仰角下固定概率大氣衰減。以西安地區(qū)為例，分別計(jì)算不超過固定概率（50%、1%）的降雨衰減、云導(dǎo)致的衰減、水蒸氣和氧氣吸收導(dǎo)致的衰減、對流層閃爍衰減和大氣總體衰減。

3.1 1-30 GHz雨衰計(jì)算示例

考慮不超過年平均降雨量50%時(shí)間的10～90°仰角1-30 GHz頻率范圍內(nèi)的雨衰，如圖1所示。計(jì)算結(jié)果表明，在10 GHz以下，仰角10°時(shí)，雨衰約0.03 dB；在20 GHz處，仰角10°時(shí)，雨衰約0.19 dB，仰角大于20°時(shí)，雨衰約為0.1 dB。

不超過年平均降雨量1%時(shí)間不同仰角的雨衰減計(jì)算結(jié)果如圖2所示。對于此種情況，不同頻率衰減不同程度地增大。在20 GHz時(shí)，10°仰角衰減約4 dB。

3.2 1-30 GHz云層衰減計(jì)算示例

同樣的情況，不超過年平均50%時(shí)間云中液態(tài)水柱狀含量時(shí)的云層導(dǎo)致的衰減如圖3所示。由圖3可知，最大值小于0.006 dB，在此情況下云層衰減可忽略。

圖1 西安地區(qū)不同仰角雨衰（p=50%）

圖2 西安地區(qū)不同仰角雨衰（p=1%）

不超過年平均1%時(shí)間云中液態(tài)水柱狀含量時(shí)的云層導(dǎo)致的衰減如圖4所示，此情況下衰減相應(yīng)增大。在20 GHz時(shí)，10°仰角衰減約6 dB。

圖3 西安地區(qū)不同仰角云層衰減（p=50%）

圖4 西安地區(qū)不同仰角云層衰減（p=1%）

3.3 1-30 GHz大氣吸收衰減計(jì)算示例

考慮水汽和氧氣吸收情況，不超過50%平均時(shí)間地表水汽密度時(shí)的大氣吸收損耗如圖5所示。在10 GHz時(shí)，仰角10°，損耗約為0.3 dB；仰角大于20°，損耗為0.2 dB以下；在20 GHz時(shí)，仰角大于20°時(shí)，大氣吸收損耗為0.2～0.7 dB；在21-23 GHz 出衰減迅速升高，10°仰角時(shí)達(dá)3 dB。

不超過1%平均時(shí)間地表水汽密度時(shí)的大氣吸收損耗如圖6所示。在20 GHz，仰角10°大氣吸收損耗約4 dB。

圖5 西安地區(qū)不同仰角大氣吸收衰減（p=50%）

圖6 西安地區(qū)不同仰角大氣吸收衰減（p=1%）

3.4 1-30 GHz對流層閃爍衰減計(jì)算示例

不超過年平均50%時(shí)間對流層閃爍引起的衰減，如圖7所示。由圖可知，仰角10°時(shí)在20 GHz引起的衰減為0.0013 dB左右，因此在此概率條件下閃爍衰減可忽略。

圖7 西安地區(qū)不同仰角閃爍衰減（p=50%）

不超過年平均1%時(shí)間對流層閃爍引起的衰減，如圖8所示。20 GHz，仰角10°時(shí)衰減約為1.2 dB。此概率下閃爍衰減相應(yīng)增加，相比雨衰、云層衰減和大氣吸收衰減而言，閃爍引起衰減較小。

3.5 1-30 GHz大氣整體衰減計(jì)算示例

根據(jù)公式（12）計(jì)算得到不超過50%概率下地空路徑大氣整體衰減，得出一般情況下的鏈路衰減，如圖9所示。由圖可知，在20 GHz、10°仰角情況下大氣整體衰減約為1.6 dB，20°以上仰角大氣整體衰減小于1 dB。

圖8 西安地區(qū)不同仰角閃爍衰減（p=1%）

對于極端情況，不超過1%概率下地空路徑大氣整體衰減如圖10所示。此情況下對于低仰角和Ka頻段衰減影響較大。

圖9 西安地區(qū)不同仰角總衰減（p=50%）

圖10 西安地區(qū)不同仰角總衰減（p=1%）

對于一般情況（p=50%）衰減主要貢獻(xiàn)來源于雨衰和大氣吸收，且低仰角時(shí)衰減大于髙仰角。

4 結(jié)束語

車載NGSO監(jiān)測系統(tǒng)受限于口徑，系統(tǒng)余量較低，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)仔細(xì)考慮鏈 路損耗和不同仰角鏈路衰減情況。本文通過研究ITU相關(guān)建議書，介紹了地空鏈路大氣損耗情況，引入精確地大氣衰減計(jì)算模型，利用Python中ITU-Rpy模塊分別對西安地區(qū)不同仰角空間鏈路中50%概率和1%兩種情況下的降雨、云層、大氣吸收和閃爍導(dǎo)致的衰減進(jìn)行比較計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在一般情況下（p=50%），衰減主要貢獻(xiàn)來源于雨衰和大氣吸收，在極端條件下 （p=1%）衰減急劇增大。該計(jì)算模型對車載NGSO設(shè)計(jì)時(shí)的鏈路計(jì)算具有指導(dǎo)意義，同時(shí)也可運(yùn)用于計(jì)算其他衛(wèi)星系統(tǒng)空間鏈路損耗。