靜止氣象衛(wèi)星Ka數(shù)傳鏈路特性及分集策略研究

裘 奕,張 寶*，陳素晶，李慶碩,馮慶玉

(1.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/國家衛(wèi)星氣象中心國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心，北京 100081；2.許建民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081)

0 引言

隨著我國氣象衛(wèi)星的高質(zhì)量發(fā)展和風(fēng)云靜止系列衛(wèi)星的更新?lián)Q代，衛(wèi)星攜帶的有效載荷使數(shù)據(jù)傳輸碼速率越來越高，傳輸數(shù)據(jù)量不斷增加[1]。風(fēng)云四號A星采用X頻段圓極化復(fù)用方式，2路各100 MHz的數(shù)據(jù)帶寬來傳輸多通道掃描輻射成像儀、大氣垂直探測儀和閃電成像儀等載荷和平臺數(shù)據(jù)信息[2]。風(fēng)云四號B星繼承并大幅提升了載荷性能，增加了快速成像儀載荷，使觀測頻次提升到了1 min，最高空間分辨率提高到了250 m[3]。性能的提升對數(shù)傳帶寬和碼速率提出了更高的要求，X頻段已經(jīng)無法滿足當(dāng)前衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求，而且可用的X頻段帶寬有限，采用Ka頻段實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)已經(jīng)成為靜止氣象衛(wèi)星通信的必選。

1 Ka頻段星地數(shù)傳發(fā)展概述

上世紀(jì)七八十年代，國外就開始了Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究，美國、日本等十多個國家共發(fā)射了30多顆攜帶Ka頻段有效載荷的商用通信衛(wèi)星。

我國對Ka頻段的利用起步較晚，但隨著近幾年科技的不斷發(fā)展，已經(jīng)發(fā)射了多顆使用Ka頻段的衛(wèi)星。風(fēng)云四號B星作為首顆使用Ka頻段作為數(shù)傳頻段的氣象衛(wèi)星，于2021年6月3日成功發(fā)射，并完成了在軌測試工作。

Ka頻段通常指20～40 GHz的頻率范圍，其頻譜可用率高、通信容量大。由于通信衛(wèi)星發(fā)射功率大、天線波束較窄，從而能夠獲得較高的等效全向輻射功率值，減少了終端天線的尺寸。但由于工作頻率的提高，也導(dǎo)致了無線電波在傳播時的損耗極大增加[4]。

降雨是Ka頻段鏈路損耗影響最大的因素之一。信號穿過降雨層(包括雪)時，雨滴會對Ka頻段信號的幅度和極化產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，造成降雨衰減，在降雨嚴(yán)重的時候雨衰值可以達(dá)到幾十分貝[5]。

對于自由空間的傳播損耗，傳統(tǒng)的對策是增加天線的尺寸或者加大衛(wèi)星發(fā)射功率來保持足夠的信道余量。但是在多雨地區(qū)，長期保持這樣大的功率余量會導(dǎo)致衛(wèi)星功率消耗、系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本的增加以及晴天時的資源浪費(fèi)；較大的功率余量也會對鄰近的通信鏈路造成強(qiáng)烈的干擾；同時，因?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路的載荷限制，也很難提供較大的功率余量[6]。

因此，研究雨衰對Ka頻段數(shù)傳鏈路的影響以及相關(guān)的抗雨衰技術(shù)十分有必要。

2 影響Ka頻段星地數(shù)傳的因素

氣象衛(wèi)星屬于在軌運(yùn)行的遙感衛(wèi)星，它將各種載荷獲取的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳鏈路傳回地面，由一個或若干地面接收站接收[7]。整個數(shù)傳鏈路包括在軌衛(wèi)星和對在軌衛(wèi)星進(jìn)行測控和數(shù)據(jù)接收的地面站，如圖1所示。

圖1 星-地數(shù)傳通信示意Fig.1 Schematic diagram of satellite-to-ground data transmission communication

根據(jù)衛(wèi)星通信鏈路功率計(jì)算方程：

Pr(dB)=ERIP+Gr-LFS，

式中，Pr為地面天線接收到的衛(wèi)星信號功率。影響星地鏈路設(shè)計(jì)和性能評估的因素主要包括：有效全向輻射功率(ERIP)、Gr值和LFS。其中，衛(wèi)星的ERIP是通信鏈路傳輸性能的唯一參數(shù)，稱為品質(zhì)因數(shù)；Gr為地面接收天線增益，與衛(wèi)星頻率有關(guān)；LFS稱為自由空間鏈路損耗，是與傳播信號的頻率有關(guān)的函數(shù)，在自由空間或其特征近似于自由空間均勻性的地區(qū)(如大氣層)中傳播的所有無線電波都存在自由空間路徑損耗。

對于3 GHz以上頻段的數(shù)傳鏈路，對流層是造成傳播損耗的主要來源，包括降雨衰減、氣體衰減、云衰減和去極化等[8]。對于Ka頻段，因其毫米級波長與雨滴大小耦合，水滴的吸收和散射作用是造成信號幅度衰減的最主要的因素，圖2給出了3～100 GHz頻率范圍內(nèi)，不同強(qiáng)度的霧和雨量對于信號單位距離衰減的影響[9]。

圖2 雨強(qiáng)對頻率的衰減關(guān)系Fig.2 Rain intensity vs frequency attenuation

3 降雨對靜止氣象衛(wèi)星數(shù)傳鏈路的衰減分析

降雨天氣系統(tǒng)的宏觀特性主要表現(xiàn)為降雨的空間結(jié)構(gòu)，其中對通信的影響具有重要意義的2類結(jié)構(gòu)分別為：層狀雨和對流雨[10]。層狀雨的分布范圍大，通常為數(shù)百千米，持續(xù)時間長，降雨強(qiáng)度?。粚α饔晔怯纱怪贝髿膺\(yùn)動產(chǎn)生的，雖然其發(fā)生范圍小，通常是幾千米范圍內(nèi)，持續(xù)時間短，但是由于降雨強(qiáng)度大，往往對數(shù)傳鏈路的影響更大。

確定無線電波降雨衰減就是描述其在傳播方向上穿過一定厚度的降雨區(qū)域時，降雨沿傳播路徑造成的衰減的積分[11]。對于降雨衰減的研究和分析通常采用理論分析計(jì)算和實(shí)際測量等方法[12]。由于降雨具有空間、時間的不均一性，而且隨地域、季節(jié)的不同有很大的差異，因此，要準(zhǔn)確地掌握地面站所在區(qū)域的降雨衰減特性，就必須經(jīng)過長期的實(shí)際測量，而往往這些區(qū)域大多不具備與其相應(yīng)的降雨衰減數(shù)據(jù)。在這種情況下，目前主要是利用比較容易獲取的氣象數(shù)據(jù)，如降雨量、降雨率等來預(yù)測降雨帶來的衰減情況[13]。

ITU-R提供的在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上模擬出來的用于預(yù)測給定系統(tǒng)規(guī)范預(yù)期降雨衰減的模型，具有使用簡便、輸入?yún)?shù)較少、計(jì)算精度較高和應(yīng)用范圍比較廣泛等特點(diǎn)，被國際上廣為應(yīng)用，能夠?qū)︻l率55 GHz以下的降雨衰減進(jìn)行有效的預(yù)估[14]。其核心是采用“等效路徑長度”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度乘以單位路徑衰減(衰減率)就正好是實(shí)際測量的降雨衰減[15]。

靜止氣象衛(wèi)星觀測資料處于7×24 h不間斷實(shí)時傳輸狀態(tài)，隨著衛(wèi)星觀測載荷能力的提升，觀測頻次已經(jīng)提升至1 min，需要保證星地數(shù)傳鏈路一年中各種衰減引起系統(tǒng)的中斷時間占比不超過0.01%，即中斷時間小于53 min。在ITU-R模型中，也采用0.01%時間百分比下的降雨率R0.01作為表征降雨特性的參數(shù)[16]。

在ITU-R雨衰模型中，所需的輸入?yún)?shù)主要包括衛(wèi)星工作頻率f，單位GHz，衛(wèi)星仰角θ，地面站緯度φ，海拔，單位km，以及年降雨量在0.01%時間百分比下的降雨率[17]。以北京氣象衛(wèi)星地面站(以下簡稱“北京站”)所在區(qū)域近十年降雨量為參考，計(jì)算0.01%時間百分比下風(fēng)云四號B星數(shù)傳系統(tǒng)的降雨衰減值的計(jì)算方法如下：

第1步：計(jì)算降雨高度

hR=h0+0.36(km)，

式中，h0為年平均0 ℃等溫線高度，與地面站所在緯度有關(guān)，當(dāng)緯度大于23°N時，可以近似取值為[5-0.075(φ-23)]。

第2步：計(jì)算傾斜路徑長度和水平投影

根據(jù)降雨高度、仰角和地面站海拔計(jì)算傾斜路徑長度LS和水評投影LG,如圖3所示。

圖3 數(shù)傳路徑衰減示意Fig.3 Schematic diagram of data transmission path attenuation

由圖3可見，傾斜路徑長度與地面站接收仰角有關(guān)，當(dāng)仰角θ大于5°時，其值由下式確定：

第3步：計(jì)算年0.01%時間百分比下的降雨率

積分時間為1 min的年降雨量超過0.01%時間百分比下的降雨率通常是由當(dāng)?shù)亻L期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果獲得，但實(shí)際情況中，各地區(qū)的降雨數(shù)據(jù)僅統(tǒng)計(jì)降雨量，且觀測時間是以10 min為積分時間[18]。因此，根據(jù)我國降雨量與0.01%時間百分比下降雨率的雙對數(shù)線性關(guān)系模型：

ln(R10(0.01%))=0.688 5lnRC-0.626 5，

式中，R10(0.01%)表示0.01%時間百分比下降雨率，積分時間為10 min;RC為年降雨量[19]。

為了將其轉(zhuǎn)換為積分時間為1 min的降雨率在ITU-R模型中應(yīng)用，國內(nèi)外提出了如轉(zhuǎn)換因子法、指數(shù)模式法等多種轉(zhuǎn)換模型，本文采用平均誤差更小的指數(shù)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，R10為積分時間10 min的降雨率;R0.01為0.01%時間百分比下積分時間1 min的降雨率[20]。

第4步：計(jì)算單位衰減值

由經(jīng)典米散射理論可得點(diǎn)降雨率R與單位衰減γR間的關(guān)系為：

式中，R的下標(biāo)0.01表示在0.01%的時間百分比下測得的降雨率；k，α是與頻率、仰角和極化相關(guān)的參數(shù)，風(fēng)云四號B星采用圓極化方式，其極化傾斜角為45°，因此可以由以下簡化后的公式計(jì)算出k和α的值:

式中，kH,αH,kV,αV稱為回歸系數(shù)，下標(biāo)H表示水平，V表示垂直，1～100 GHz范圍內(nèi)的典型頻率回歸系數(shù)在ITU-R建議的P.838-3中已經(jīng)提供，如表1所示。對于非典型頻率的回歸系數(shù)，可以由以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

表1 ITU-R給出的部分頻率回歸系數(shù)Tab.1 Frequency regression coefficients provided by ITU-R

例如,對于頻率f(f1

第5步：計(jì)算水平壓縮因子

水平壓縮因子r0.01由降雨率R0.01確定：

第6步：計(jì)算垂直調(diào)節(jié)因子

式中，

第7步：確定有效路徑長度

有效路徑可由下式計(jì)算：

LE=LRv0.01。

第8步：計(jì)算年超過0.01%時間百分比的衰減值

A0.01=LEγR。

其他時間百分比為P的衰減(0.001%≤P≤5%)可由下式計(jì)算：

因本文所涉及的站區(qū)緯度均大于36°N，故上式中β值取0。

通過計(jì)算，在時間百分比0.01%和0.1%的情況下，北京站近十年降雨量造成的Ka頻段雨衰情況如圖4所示。

圖4 北京站近十年降雨情況不同時間百分比下雨衰情況Fig.4 Rainfall attenuation at different time percentages in the last ten years at Beijing station

計(jì)算數(shù)據(jù)表明，即使在時間百分比為0.1%時，雨衰的最小值仍為9.6 dB，大于系統(tǒng)信道設(shè)計(jì)余量，即全年將有8.8 h，Ka頻段的數(shù)傳鏈路因降雨導(dǎo)致無法正常工作。根據(jù)近十年北京降雨情況的統(tǒng)計(jì)，降雨主要集中在6—9月，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到20 mm/h，即大雨強(qiáng)度時，雨衰值將達(dá)到11 dB以上，北京站Ka頻段數(shù)傳鏈路將受到降雨帶來的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收大量誤碼甚至中斷。

為了克服降雨對Ka頻段數(shù)傳鏈路的影響，在衛(wèi)星天線覆蓋范圍內(nèi)，選取了距離北京站較遠(yuǎn)的密云、懷柔、延慶地區(qū)以及河北懷來地區(qū)、內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)作為研究對象，獲取了該地區(qū)近十年的降雨情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 各地區(qū)近十年降雨情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Rainfall statistics for the last ten years

利用ITU-R雨衰預(yù)測模型，對各地在時間百分比0.01%和0.1%情況下的雨衰值進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 時間百分比0.01%下各地區(qū)雨衰值Fig.5 Rain attenuation value with time percentage of 0.01%

圖6 時間百分比0.1%下各地區(qū)雨衰值Fig.6 Rain attenuation value with time percentage of 0.1%

可見，在衛(wèi)星經(jīng)緯度、頻率和仰角等因素確定的情況下，系統(tǒng)的雨衰值與降雨量近似成正比。

在系統(tǒng)可用度0.01%的情況下，北京站近十年的全年降雨量與懷柔、密云等遠(yuǎn)郊相差不大，均在400～860 mm，因此其雨衰值也大致在21.4～33.4 dB，相差不大。

延慶、河北懷來地區(qū)全年降雨量較北京站要少，大致分布在300～570 mm，雨衰值也達(dá)到了15.7～25.3 dB，僅在降雨量少的年份能夠勉強(qiáng)滿足系統(tǒng)可用要求。隨著近年來降雨量呈現(xiàn)出的增多趨勢，雨衰值超出可用范圍還將增大。

烏蘭察布地區(qū)近十年的全年降雨量僅有240～400 mm，雨衰值在10～14.5 dB，遠(yuǎn)小于北京站所處地區(qū)的雨衰。采用北京站和烏蘭察布地區(qū)作為空間分集的聯(lián)合接收站點(diǎn)，在相同的0.01%時間百分比下，系統(tǒng)整體的分集增益為11.4～18.9 dB，能夠有效克服降雨帶來的功率衰減。在系統(tǒng)故障時間百分比為0.1%時，受到降雨衰減影響將更小。

4 雨衰對Ka頻段數(shù)傳鏈路影響的應(yīng)對策略分析

為了克服雨衰對Ka頻段數(shù)傳系統(tǒng)的不利影響，通常采用增加天線尺寸或者提高發(fā)射功率的方法，在鏈路設(shè)計(jì)時提供足夠的功率冗余。由于衛(wèi)星發(fā)射功率、地面接收天線口徑以及建設(shè)成本等因素的限制，國際上常采用功率恢復(fù)技術(shù)和信號改變恢復(fù)技術(shù)來克服雨衰。

信號改變恢復(fù)技術(shù)主要包括：頻率分集、帶寬壓縮、時延傳輸分集和自適應(yīng)編碼調(diào)制等方法，在固定線路衛(wèi)星數(shù)傳和應(yīng)對雨衰方面的應(yīng)用有限，其主要應(yīng)用在無線移動和蜂窩信道中應(yīng)對多徑、散射等衰減。

功率恢復(fù)技術(shù)包括：波束分集、功率控制、軌道分集和站點(diǎn)分集。在不改變數(shù)據(jù)速率和信號格式本身的前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。其中,波束分集、功率分集是通過增加信號功率或者ERIP，使信號能夠有足夠的能量穿過衰減區(qū)；軌道分集是通過多顆衛(wèi)星的多條路徑來對同一地面站傳輸，來保證數(shù)據(jù)的完整接收，主要用于衛(wèi)星通信或者中繼傳輸。

站點(diǎn)分集也稱為空間分集，是通過2個地理上分開的地面站，利用強(qiáng)降雨大小和范圍有限的特點(diǎn)來提高衛(wèi)星的數(shù)傳鏈路整體性能，克服大雨期間數(shù)傳鏈路的路徑衰減[21]。空間分集模型如圖7所示。

圖7 空間分集模型Fig.7 Spatial diversity model

在分集接收站的選址方面，應(yīng)保證主站與分集站的距離超出對流降雨的影響范圍，接收2站應(yīng)至少相距幾十至上百千米，以減少同時出現(xiàn)強(qiáng)降雨的概率。確保在任意時刻均有一個站正常接收Ka頻段數(shù)據(jù)，將其通過地面網(wǎng)絡(luò)傳輸至處理中心，達(dá)到避免數(shù)據(jù)丟失和使用“最佳”數(shù)據(jù)的目的。

對于單個站點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信道冗余，保證其在給定的時間百分比(P)內(nèi)能夠應(yīng)對一定的衰減(AS)影響。聯(lián)合2個站點(diǎn)進(jìn)行分集接收，在相同時間百分比(P)下，共同能夠應(yīng)對的衰減為AJ，二者之間的差值定義為空間分集的增益[22]，如圖8所示，即每個站點(diǎn)都降低了克服衰減所需的功率冗余，相當(dāng)于整個系統(tǒng)增加了系統(tǒng)“增益”，通?？梢蕴峁?～10 dB的增益恢復(fù)。

圖8 空間分集增益示意Fig.8 Schematic diagram of spatial diversity gain

我國的降雨受亞熱帶季風(fēng)和西風(fēng)帶低壓槽影響時空分布變率很大[23]。水汽來源以南方和西南方海洋為主，由于偏西氣流和北太平洋經(jīng)常存在的阿留申低壓吸引力的作用，致使多數(shù)氣旋是朝東北方向移動的[24]。根據(jù)國家氣候中心官網(wǎng)“中國氣候基本要素監(jiān)測”提供的2021年全國降水分布圖顯示,雨帶呈西南至東北方向，且年降水量總體分布情況呈現(xiàn)由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸遞減的規(guī)律[25]。

因此，在分集數(shù)據(jù)接收站的選址方面，除上述距離的要求外，還應(yīng)盡量避免分集站點(diǎn)處于同一雨帶方向上，從時間、空間2個維度避免降雨帶來的影響。

北京站、懷柔、密云在空間位置上由西南向東北方向在同一直線上依次排列，處于同一雨帶的分布線上，雨強(qiáng)基本一致；延慶、懷來在北京站的西北方向，延慶距離北京站較近，直線距離約70 km，從雨衰值的計(jì)算結(jié)果分析，其在特定干旱年份能夠基本克服雨衰；烏蘭察布的四子王旗地區(qū)距離北京站直線距離約420 km，距離延慶約370 km，處在北京站的西北垂直方向上，與北京站受到同一個降雨帶影響的概率極小。

從地理位置分布層面，烏蘭察布地區(qū)是作為空間分集接收站的理想選擇；綜合考慮系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)維及地方行政管理等條件，延慶在北京行政區(qū)域內(nèi)受雨衰影響較小，是作為主站的理想候選地區(qū)。

5 實(shí)例分析

通過風(fēng)云二號G星2019年全年的降水產(chǎn)品資料對北京、烏蘭察布兩地每日逐小時降雨情況，利用軟件進(jìn)行預(yù)測分析。結(jié)果表明，在全年8 299 h的統(tǒng)計(jì)時長內(nèi)，兩地同時降雨時長僅95 h，占比1.14%。烏蘭察布地區(qū)的平均降雨強(qiáng)度僅為0.87 mm，其最大降雨強(qiáng)度發(fā)生在2019年7月8日19時，約為30 mm，而同時次北京降雨強(qiáng)度僅0.009 6 mm，兩地?zé)o降雨強(qiáng)度同時超過10 mm的情況，如圖9所示。

圖9 2019年兩地同時下雨時每小時降水情況預(yù)測Fig.9 Hourly precipitation forecast in 2019 when it rained at the same time at both locations

為了進(jìn)一步分析兩地降雨情況，對風(fēng)云二號G星2012—2021年十年間的降水產(chǎn)品進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,十年間兩地同時降雨時長僅833 h，占比1.01%,如圖10所示。

圖10 近十年兩地同時下雨時每小時降水情況預(yù)測Fig.10 Hourly precipitation predictions for the last ten years when it rained at the same time at both locations

對2019年北京和烏蘭察布地區(qū)實(shí)際降雨的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，北京站全年發(fā)生降雨64 d，延慶同日發(fā)生降雨48 d，烏蘭察布同日降雨39 d，降雨量整體分布情況如圖11所示，北京站大于延慶地區(qū)大于烏蘭察布地區(qū)，且無同時大于10 mm的降水情況。從實(shí)際降雨情況分析，其同時產(chǎn)生強(qiáng)降雨從而對Ka頻段數(shù)傳信號造成雨衰影響的幾率相對很低，符合空間分集接收的選址要求。

圖11 2019年三地同時下雨時每日降水情況Fig.11 Daily precipitation during simultaneous rain at three locations in 2019

綜上所述，利用風(fēng)云二號G星降水產(chǎn)品資料進(jìn)行的2019年降雨情況的預(yù)測結(jié)果和通過2019年全年實(shí)際降雨情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所做的分析，其結(jié)果均表明，烏蘭察布地區(qū)是作為空間分集接收站的更加理想的選擇站址。

6 結(jié)束語

本文以風(fēng)云四號B星Ka頻段數(shù)據(jù)傳輸鏈路為研究對象，采用ITU-R模型計(jì)算了近十年北京站、密云、懷柔、延慶、河北懷來和內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)在不同時間百分比下的降雨衰減情況。結(jié)合當(dāng)前氣象衛(wèi)星設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實(shí)際情況，提出了空間分集接收策略以應(yīng)對降雨衰減對Ka頻段數(shù)傳鏈路的影響。烏蘭察布地區(qū)處于距北京站較遠(yuǎn)的西北方向，與北京站分屬不同降雨帶，其年均降雨量較少，能夠有效克服雨衰，提升系統(tǒng)整體的增益，是作為分集接收站建設(shè)的更加理想的選擇。同時，北京站現(xiàn)有數(shù)據(jù)接收鏈路的設(shè)計(jì)冗余無法克服雨衰對Ka頻段數(shù)傳鏈路帶來的影響，降低了分集接收的整體系統(tǒng)增益，即使在采用站點(diǎn)分集接收的情況下，不及更靠北的位置設(shè)置接收站而帶來的系統(tǒng)優(yōu)勢。研究表明，在北京市偏北區(qū)域(如延慶)選址建設(shè)數(shù)據(jù)接收主站，和在烏蘭察布地區(qū)建設(shè)分集站，可以滿足未來靜止氣象衛(wèi)星Ka頻段數(shù)據(jù)傳輸鏈路的高可用性要求。