基于ITU-R模型的降雨衰减特性研究与仿真

刘 波,郭 强

(上海卫星工程研究所,上海 200240)

0 引言

卫星通信中,电波在传输时受大气吸收,对流层闪烁,云、雾、雪、雨等的影响,可导致信号的衰落。随着工作频率的不断升高,降雨衰减逐渐成为影响卫星通信系统正常工作的重要因素之一。目前,在降雨衰减对卫星通信系统影响的研究中,ITU-R雨衰预测模型最精确[1-3]。国内用ITU-R模型对静止轨道卫星的降雨衰减特性进行了研究,但研究均只在某些特殊频点、某种极化方式、北京站特定的可见经度卫星、标准规定特定通信中断率的条件下进行,未给出整个卫星通信系统常用工作频段、常用极化方式、北京站全部可见经度卫星、标准规定所有通信中断率范围条件下的结果,不能满足卫星通信系统设计的实际需要[4-6]。另外,我国计划发射的非静止轨道卫星远多于静止轨道卫星,研究非静止轨道卫星的降雨衰减特性有其重要的实用价值。地面站与非静止轨道卫星通信时,由于地面站与卫星的相对位置随时间不断变化,需综合考虑卫星轨道参数、卫星通信工作频率、地面站及降雨率等的影响,增大了非静止轨道卫星降雨衰减特性研究的难度,同时ITU-R标准中非静止轨道卫星降雨衰减的计算方法仅适于先给定降雨衰减值,后计算其通信中断时间百分比的状况,不能满足实际卫星通信系统设计的需要。为此,本文采用ITU-R雨衰预测模型对静止和非静止轨道卫星的降雨衰减特性进行了研究。

1 ITU-R卫星降雨衰减特性计算方法

1.1 降雨衰减率

卫星通信系统的设计通常要求高概率可靠度,如1年中99.99%的时间内可正常通信,这就要求1年当中各种衰减引起系统的中断概率不超过0.01%。近年来0.01%的中断率已为国际公认,所以1年中0.01%时间中的降雨率R0.01是表征降雨特性最重要的参数。由经典米尔散射理论可得点降雨率R与单位衰减γR间的关系为

式中：R的下标0.01表示一般年份0.01%的时间中测得的降雨率;k,α为参数,随频率而定。ITU-R标准中给出了频率1～1 000 GHz范围内,有

式中：k为kH或kV;α为αH或αV;f为频率。此处：下标V,H分别表示垂直和水平极化[3]。计算线性极化和圆极化时,式(1)中的系数可根据式(2)、(3)以及

计算。此处：θ为路径仰角;τ为相对水平方向的极化倾角,圆极化时τ=45°,水平线极化时τ=0°,垂直线极化时τ=90°。

1.2 静止轨道卫星降雨衰减预测模型

用ITU-R降雨衰减预测模型可计算频率低于55 GHz的降雨衰减,计算方法如下：

a)计算降雨高度

式中：h0为零度层海拔高度,且

此处：φ为地面站的纬度[4]。

b)当θ≥5°时,在降雨高度之下的倾斜路径长度

当θ＜5°时,

式中：hS为地面站的海拔高度;Re为地球半径。

c)计算倾斜路径长度的水平投影

d)根据式(1)计算γR。

e)计算水平缩减因子

f)计算垂直修正因子ν0.01。令ζ=,当ζ＞θ时,LR=,否则,LR=。若|φ|＜36°,χ=36°-|φ|,否则,χ=0°。故有

g)有效路径长度

h)对一般年份0.01%的时间百分比,预测的降雨衰减值

i)对一般年份其他时间百分比(范围为0.001%～5.000%)的衰减值,由0.01%时间百分比的衰减值计算可得：若p≥1%或|φ|≥36°,β=0;若p＜1%且|φ|＜36°,θ≥25°,β=-0.005(|φ|-36°);否则,β=-0.005(|φ|-36°)+1.8°-4.25sinθ,

式中：p为1年中降雨衰减导致系统中断的时间占全年时间百分比,且p=0.001%～5.000%;β为计算变量。

该方法给出了降雨衰减长期统计值的一个估计。当比较测量的统计值与预测值时,应考虑降雨衰减统计值在年与年间会有一定程度的可变性。

1.3 非静止轨道卫星降雨衰减长期统计值计算方法

对仰角在变的非静止轨道卫星来说,单颗卫星的降雨衰减值可用如下方法计算：

a)计算系统预计的最小和最大工作仰角;

b)将工作仰角的范围分成较小(如宽5°)的增量段;

c)计算可视卫星的时间百分比(作为各增量段内仰角的一个函数);

d)对一给定的传播减损水平,求出各仰角增量段衰减超过该水平的时间百分比;

e)对各仰角增量段,将步骤c)、d)的结果相乘再除以100,可得该仰角上衰减超过减损水平的时间百分比;

f)将步骤e)所得的时间百分比值相加,以获得衰减超过该减损水平的系统总时间百分比。

2 静止轨道卫星降雨衰减特性仿真

选取我国5个典型地面站,卫星通信系统常用的工作频段0～30 GHz,用Matlab软件进行仿真分析,相关地理位置和降雨率见表1[4-7]。该降雨率为地面站10年间每年的统计平均R0.01。仿真中如无特别说明,均假设卫星射频信号极化方式为圆极化,静止轨道卫星位于东经108°。

表1 全国典型站点的地理位置和降雨率Tab.1 Location and point rainfall rate of China typical earth stations

5个典型地面站静止轨道卫星在一般年份0.01%时间里的降雨衰减仿真结果如图1所示。由图可知：当工作频率大于10 GHz时,降雨衰减随频率提高而迅速增大;当工作频率大于20 GHz时,降雨衰减已成为制约卫星正常通信的关键因素。卫星通信系统设计时,应留有足够的系统余量。

北京站静止轨道卫星标准规定一般年份不同时间百分比的降雨衰减仿真结果如图2所示。由图可知：不同时间百分比里的降雨衰减值相差很大。卫星通信链路设计时,可根据不同卫星对通信的可靠性和实时性要求,选择对应的降雨衰减值,降低卫星和地面站的研制成本和难度。

图1 静止轨道卫星降雨衰减Fig.1 Rain attenuation of GEO satellite

图2 北京站不同时间百分比中的降雨衰减Fig.2 Rain attenuation for different percentages of Beijing station

北京站静止轨道卫星一般年份0.01%时间百分比条件下,不同极化方式的降雨衰减仿真结果如图3所示。由图可知：水平线极化方式降雨衰减最大,垂直线极化方式降雨衰减最小。3种极化方式的降雨衰减在频率小于10 GHz时几乎一致;在频率30 GHz时,水平线极化的降雨衰减大于圆极化约1.5 dB,圆极化的降雨衰减大于垂直线极化约1.5 dB。

图3 北京站不同极化方式的降雨衰减Fig.3 Rain attenuation for different polarization of Beijing station

北京站在一般年份0.01%时间百分比条件下,不同经度静止轨道卫星的降雨衰减仿真结果如图4所示。通常地面站天线接收卫星下传信号的最小仰角为5°。当静止轨道卫星位于东经45°时,北京地面站的接收天线仰角为5.5°,接近最小仰角值;当静止轨道卫星位于东经116°时,接近北京地面站天线的最大仰角44°。由图4可知：同一地面站不同经度卫星的降雨衰减值相差很大。卫星通信系统设计时,需综合考虑卫星与地面站的相对位置,减小降雨衰减对卫星通信系统的影响。

图4 北京站不同经度卫星的降雨衰减Fig.4 Rain attenuation for different longitude of Beijing station

根据文献[7]的参数,用仿真法讨论了北京站不同时间百分比、极化方式和不同卫星的降雨衰减,仿真结果与文献[7]中对静止轨道卫星10年间不同时间百分比的降雨衰减测试数据的比较如图5所示。由图可知：本文的仿真结果与实测数据基本一致,表明本文对静止轨道卫星降雨衰减特性的仿真分析结果正确。

图5 仿真结果与测试数据Fig.5 Prediction data and measured data of rain attenuation

3 非静止轨道卫星降雨衰减特性研究与仿真

本文的ITU-R非静止轨道卫星降雨衰减的计算方法是以静止轨道卫星降雨衰减的计算模型为基础,考虑非静止轨道卫星与特定地面站通信时仰角随时间变化的关系以及降雨导致卫星与特定地面站通信中断的时间关系,从概率统计的角度计算非静止轨道卫星的降雨衰减。因此,基于本文的静止轨道卫星降雨衰减仿真结果,综合卫星轨道仿真数据和ITU-R标准中的概率统计方法,可保证非静止轨道卫星降雨衰减仿真分析结果的正确性。

本文用STK软件仿真特定地面站的最大和最小工作仰角,考虑卫星通信的实际工作情况,取最小仰角5°;在特定地面站每隔5°仰角设置一个传感器,仿真1年中该地面站每个传感器能接收到卫星信号的时间,由此得到该地面站仰角每5°增量段1年中能与卫星通信的时间百分比;用Matlab软件编程,迭代求出特定频率在各仰角增量段超过特定雨衰值的时间百分比;计算整个卫星通信系统在特定频率超过特定雨衰值的时间百分比,对非静止轨道卫星降雨衰减特性进行仿真。仿真中,取非静止轨道卫星的轨道高度830 km,轨道倾角98°,轨道偏心率0.001。

圆极化条件下各地面站在一般年份0.01%时间内非静止轨道卫星的降雨衰减如图6所示。比较图1、6,可明显发现相同通信中断时间百分比内非静止轨道卫星的降雨衰减远小于静止轨道卫星的降雨衰减,用该降雨衰减计算方法设计非静止轨道卫星通信系统,可大幅减少卫星的EIRP或地面站天线的口径,降低卫星和地面站的研制难度和成本,同时又能满足卫星通信高概率可靠度的要求。

图6 非静止轨道卫星降雨衰减Fig.6 Rain attenuation of non-GEO satelliteof Guangzhou station

广州站圆极化条件下一般年份不同时间百分比内的降雨衰减如图7所示。由图可知：不同时间百分比的降雨衰减值相差较大,当时间百分比超过0.2%时由降雨导致的衰减可忽略不计。

图7 广州站不同时间百分比内的降雨衰减Fig.7 Rain attenuation for different percentages

广州站非静止轨道卫星一般年份0.01%时间内不同极化方式的降雨衰减如图8所示。由图可知：频率相同极化方式不同的降雨衰减值从大到小的顺序为水平线极化、圆极化、垂直线极化。当工作频率为30 GHz时,水平线极化的降雨衰减大于圆极化的降雨衰减约3 d B,圆极化的降雨衰减大于垂直线极化的降雨衰减约3 d B。

图8 广州站不同极化方式的降雨衰减Fig.8 Rain attenuation for different polarization of Guangzhou station

用STK软件仿真计算1年中不同轨道高度、不同轨道倾角的非静止轨道卫星进入广州站地面接收天线仰角范围(5°～90°)内时,各仰角增量段所占时间的百分比,结果见表2。

表2 各仰角增量段所占时间百分比Tab.2 Time percentages of elevation angle increments(%)

广州站不同轨道高度、不同轨道倾角的非静止轨道卫星,在一般年份0.01%时间内的降雨衰减如图9所示。由图9和表2可知：相同卫星通信可靠度条件下,非静止轨道卫星的降雨衰减值随1年中卫星进站时间百分比的增加而增大。

图9 广州站不同非静止轨道卫星的降雨衰减Fig.9 Rain attenuation for dif ferent non-GEO satellites of Beijing station

4 结束语

本文基于ITU-R雨衰预测模型,结合我国典型地面站实际的降雨率数据,在常用的卫星通信系统工作频段(30 GHz)内,对静止轨道卫星和非静止轨道卫星的降雨衰减特性进行了仿真,给出了不同条件下的降雨衰减特性规律,以及对应的降雨衰减值。结合我国典型地面站的降雨率数据的仿真结果显示,本文模型和方法正确。研究可为我国卫星通信系统的研究与设计提供理论参考依据。

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