Ku频段卫星雨衰计算及自动观测系统设计

罗 静，秦宏伟，洪 军

(中国人民解放军63886部队，河南 洛阳 471003)

0 引言

对流层对卫星通信链路的影响主要表现为吸收衰减，对流层中的水蒸气对2 GHz以上的信号损伤较大，且随频率增加而影响加剧。Ku频段除了对水蒸气吸收敏感外，对对流层中的尘埃也较为敏感。随着Ku频段卫星的使用，雨衰对卫星传输的影响已成为卫星系统设计与使用过程中的重要影响因素。

1 雨衰的产生及影响

1.1 雨衰的产生

电磁信号穿过对流层时，其能量会因雨、雪、云、雾的吸收和散射而受到衰耗，散射还能导致大范围无线电干扰，并对电磁波存在去极化效应，称这些衰减和干扰为雨衰。雨衰的程度因信号频率，雨雪的大小及信号穿过雨雪区的路程长短而不同。

1.2 雨衰的影响

雨衰呈现非选择性和缓慢的时变特性，是导致信号劣化，影响系统可用性的主要因素。雨衰的大小与雨滴直径和波长的比值有着密切的关系，当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用。当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用。对于10 GHz以上的电磁波，随着电磁波波长的减小，雨衰的影响越大，大雨和暴雨对电磁波的衰减要比小雨大得多。Ku波段频率较高，其波长与直径为数毫米的雨滴有一定的可比性，中雨(雨量为4 mm/h)以上的降雨引起的衰耗相当严重。同样仰角和雨区高度，大雨(16 mm/h)时，Ku波段上、下链路的衰耗可分别达到11 dB、7.5 dB以上;暴雨(雨量为100 mm/h)时，上、下链路的衰耗分别可超过16 dB、10 dB。

1.3 降雨噪声

降雨引起的对电磁波的吸收衰减也会对地球站产生热噪声影响，这种降雨噪声折合到接收天线输入端就等效为天线热噪声，对接收信号的载噪比有很大的影响，这种影响与衰减量的大小和天线结构有关。根据经验，每衰减0.1 dB，噪声温度增加约6.7 K。一般情况下，天线的仰角越高，降雨噪声的影响越小。这是因为电磁波穿过降雨路径较短，衰减量就小一些。由于噪声温度的增加直接影响到接收系统的品质因数(G/T)值，也就是直接影响到接收信号的载噪比，对信号可用度的影响甚至比降雨衰减更明显，在链路计算时必须考虑其影响。

1.4 去极化现象

事实上，降雨不仅会衰减电磁波，还会产生去极化作用，所以降雨对电磁波的吸收和散射特性也与入射波的极化波面有关。由于空气阻力会使雨滴变成略微扁平的形状，在雨滴的2个轴向引起的衰减称为微分衰减，相位移称为微分相移。这种现象对单极化传输系统影响并不大，但对于正交极化复用的双极化传输系统，会造成极化隔离度降低，导致正交极化的信号互相干扰加大。这种降雨引起的去极化现象，对线极化和圆极化都有影响。

2 雨衰的计算

卫星通信链路的降雨衰减可以由许多方法来估计，其中最为常用的一种方法为ITU-R降雨衰减的推测方法。在1982年的研究中，国际电信联盟ITU(原国际无线电咨询委员会CCIR)推荐了一个预测降雨衰减的模型，其核心是采用了“等效路径长度”的概念，即将降雨的非均匀性进行均匀化而引进能起等效作用的缩短因子，使得缩短了的路径长度乘以单位路径衰减(衰减率)就是实际测量的降雨衰减。雨衰量估算步骤大致为:估算降雨高度并求出电波穿越雨区的斜距，查出当地的降雨强度并据此求得单位路程的雨衰率，由电波穿越雨区的水平距离和降雨强度算出路程缩短因子，雨衰率、斜距和缩短因子的乘积即为所求的雨衰量。

ITU-R雨衰预报模型所需要的参数归结如下:

R0.01:当地平均年0.01%时间概率的降雨率;hs:地面站海拔高度;φ1:卫星所定点的经度;φ2:地面站的经度;θ:天线仰角;φ:地面站纬度;f:工作频率;Re:地球等效半径(8500 km)。

第1步:计算雨顶高度:

第2步:计算雨顶下斜路径长度，如图1所示。

图1 地－空斜路径降雨衰减计算示意图

第3步:计算斜路径的水平投影:

第4步:获得一般年份0.01%的时间里的降雨率R0.01(mm/h)，并计算0.01%时间概率点的衰减率:

式中，k和α的具体计算方法见参考文献4。

第5步:计算0.01%时间概率的水平缩短因子:

第6步:计算0.01%时间概率的垂直因子:

式中，LR为调整穿越降雨路径长度。

最终可得垂直调整因子为:

第7步:计算有效路径长度:

第8步:计算0.01%时间概率降雨衰减:

第9步:预测时间概率为0.001% ～5%的降雨衰减:

如果P≥1，则β=0;若P ＜1，则有:

通过以上步骤对洛阳站和石家庄站的雨衰情况进行预测。假设使用卫星为鑫诺一号;洛阳站经度112.38E、纬度34.7N，接收频率12.5 GHz;石家庄站经度114.47E、纬度38.07N，接收频率12.5 GHz，洛阳所在雨区为K区，石家庄所在雨区为H区，则地球站可用度与雨衰的对照情况分别如表1和表2所示。其中，AV(av.yr.):可用度(%平均年);AV(w.m.):(%最坏月);ATTN:雨衰值(dB);XPD:交叉极化隔离度;DT(av.yr.):中断小时(平均年);DT(w.m.):中断小时(最坏月)。

表1 洛阳站下行链路可用度与雨衰对照情况表

表2 石家庄站下行链路可用度与雨衰对照情况表

3 Ku频段卫星链路自动观测系统设计

为了更好地研究降雨对卫星链路传输质量的影响，进行卫星信号的长期观测是非常必要的，研究信号的长期以及短时间间隔的变化特性，可通过实验掌握雨衰的变化规律从而实现对雨衰的有效补偿。为了研究卫星通信链路特性，设计了Ku频段卫星链路传输特性自动观测系统。

3.1 自动观测系统的基本组成

自动观测系统由天线、室外单元(ODU)、室内单元(IDU)、频谱分析仪、雨量仪以及个人计算机组成。计算机通过GP-IB对频谱分析仪和数据采集器进行控制，连续读取频谱分析仪上卫星信号的电平值和雨量值，并把读取的数据保存到计算机硬盘上。通过观测接收到的信号电平值的变化情况以及雨量值，可以得出卫星传输链路在晴天和雨天等不同条件下的变化特性，其基本组成如图2所示。

图2 自动观测系统组成图

3.2 系统软件设计

为了实现计算机对频谱分析仪的自动控制，采用GP-IB接口技术。GP-IB有专门的输入、输出控制命令，而频谱分析仪也有自己专有的控制命令。计算机通过GP-IB的输出命令，向频谱分析仪发送频谱的内部命令，然后通过GP-IB的输入命令把需要的数据送到计算机，其程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

4 结束语

对ITU-R降雨衰减的推测方法进行了研究，在此基础上提出了Ku频段卫星链路传输特性自动观测系统的设计方案，在后续工作中将对此设计方案进行实现，对Ku频段卫星链路传输特性进行详细分析，为地球站提供可靠依据。

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