中继雨衰对载人航天的影响及解决措施*

王丽洁，，朱 华，孙微涛，罗文峰

(1.西安卫星测控中心，西安710043;2.北京航天飞行控制中心，北京100094)

1 引言

在中国载人航天任务中，由“天链”系列中继卫星构成的天基测控网的使用极大地拓展了航天测控网的覆盖范围。例如，在“神舟十号”载人飞行任务中，由 TL－01星、TL－02星和TL－03星构成的天基测控网使本次任务几乎达到了全轨道覆盖。“天链”系列中继卫星使用Ka频段的数传信道，其通信频带宽、传输容量大，有效地保证了太空授课、首长通话和各类在轨试验活动的顺利执行。我国后续的空间实验室任务及空间站任务中，航天器发射更加频繁，航天器与航天员在轨时间更长，同时在轨航天器数量增多，将进行各类在轨操作与实验，对测控网的要求也更高，天链系列中继卫星是后续任务测控通信非常重要的保障。

在降雨环境中，如果电磁波波长远大于雨滴直径，则降雨衰减基本是由雨水吸收引起的;随着电磁波波长降低，由散射引起的降雨衰减的比例不断增加，若电磁波波长与雨滴直径可比拟，则降雨衰减大部分由散射引起。降雨衰减与电磁波的频率及降雨强度相关，电磁波的波长由其频率决定，雨滴的尺寸服从一定的分布，雨强越大，大尺寸的雨滴就越多。“天链”系列中继卫星采用Ka频段的数传信道，其波长约0.8～1.1 cm，雨滴的直径一般在 0.05～0.6 cm之间，当降雨强度达到一定值时波长与雨滴的直径可相比拟，此时雨衰的影响不容小视。

为了有效地降低中继雨衰对载人航天任务的影响，本文首先构建并分析了典型的雨衰几何模型，然后依据实际降雨状况和地面站与卫星位置分别对“天链”系列3颗中继星的雨衰情况进行了仿真，最后介绍了中继雨衰对载人航天任务的影响，并依据分析和仿真结果提出了应对中继雨衰的飞控实施方案和减少雨衰影响的方法。

2 中继卫星雨衰分析

2.1 降雨衰减

依据 ITU － R P.618[1]，影响电磁波雨衰大小的相关参数主要有天线仰角、降雨层高度、卫星地面站海拔高度、电磁波频率、极化方式和降雨强度等。降雨衰减(单位dB)可表示为

式中，Ls为等效有效路径长度(单位km)，γR为单位路径衰减(单位dB/km)。

一般情况下，电磁波是以一个倾斜路径穿过雨区的，其等效路径长度Ls如图1所示。

图1 降雨区域有效路径示意图Fig.1 Effective path of rainfall area

图中hR为雨层高度，hS为卫星地面站海拔高度，D为电磁波传播的地－空路径，θ为卫星地面站天线仰角，LG为有效倾斜路径长度在地面的水平投影，则hR－hS为卫星地面站雨层相对高度。

依据 ITU － R P.618[1]的建议，在55 GHz以内的频段里，等效有效路径长度(单位km)可表示为

式中，Re=8500 km为地球的有效半径。

当地面站与卫星的经度差Δ、地面站纬度φ可知时，天线仰角θ可通过下式获得:

依据 ITU － R P.839[2]的建议，雨层高度 hR可近似为

将式(3)、(4)代入式(2)即可计算出等效有效路径长度LS。依据ITU －R P.838[3]的建议，单位路径衰减γR表示为

式中，R为降雨强度(mm/h)。系数k和α为电磁波频率f(GHz)范围为1～1000 GHz的函数，可由下式确定为

式中，

水平极化系数kH的常数值在表1中给出，垂直极化系数kV的常数值在表2中给出，水平极化系数αH的常数值在表3中给出，垂直极化系数αV的常数值在表4中给出。

表1 kH系数Table1 kHcoefficient

表2 kV系数Table2 kVcoefficient

表3 αH系数Table3 αHcoefficient

表4 αV系数Table4 αVcoefficient

对于线极化和圆极化中所有的路径几何，可以通过下式计算式(5)中的系数:

式中，τ是相对水平位置的极化斜角，对于圆极化，τ =45°。

2.2 TL－03星雨衰分析

“天链”系列中继卫星利用国土在经纬方面跨度的宽度在东西分别设立地面站。TL－03星地面站位于我国最西部，平均海拔高度一千多米。根据国家气象局对该地面站所处地区30年的气候资料显示，该地区历年平均降水量约66 mm;5月份最多，平均约9 mm，11、12月份最少，平均降水量约1.6 mm;6月份平均降水量约8 mm，最小降水量0.0 mm，最大降水量约24 mm。从气候统计分析来看，该地区出现大雨以上强降水的概率非常小。

为了验证TL－03星雨衰对通信的影响，依据该地区实际降雨量取降雨强度从小雨到大雨的一组值分别为 1 mm/h、2 mm/h、3 mm/h(小雨)、4 mm/h、5 mm/h、10 mm/h(中雨)、15 mm/h、20 mm/h(大雨)，Ka频段取28～36 GHz，天线取圆极化，假设雨衰量达到20 dB时通信中断，图2给出了TL－03星与其地面站之间在不同降雨强度下的雨衰情况。如图所示，同样降雨强度下，雨衰量随着频率的增加而增加，当降雨量达到10 mm/h时，在Ka频段约31 GHz往上的频段通信中断;当降雨强度为大雨时，Ka频段通信中断。由于该地区降雨频率非常低，大雨的情况更加稀少，因此TL－03星受雨衰影响较小。

图2 TL－03星雨衰情况Fig.2 Rain attenuation of TL －03

2.3 TL－01星与TL－02星雨衰分析

TL－01星和TL－02星的地面站位于我国东部，海拔高度较低，属于温暖半湿润季风气候区。根据国家气象局对TL－01星和TL－02星地面站所处地区多年气候资料显示，该地区其春季(3～5月)干旱，多年平均降雨量为50 mm左右，占全年降雨量的8%。夏季多雨，年降雨量的75%集中于6、7、8这三个月，其中7、8两个月降水量约占夏季降水量的80%，并多以暴雨形式出现，暴雨主要出现在午后(14～20时)，大暴雨主要出现在夜间(20～08时)。例如，2012年6月该地区累计降雨量约为103 mm;在2012年7月21日，该地区平均降水量约170 mm，降雨最强时段达到100 mm/h。秋季(9～11月)多年平均降水量为85 mm左右，占年降雨量14%。冬季(12～2月)降雨稀少，降水只占全年降雨量的2%。

为了对TL－01、TL－02星的雨衰情况进行分析，依据该地区实际降雨量，考虑到最坏情况取降雨强度从中雨到特大暴雨的一组值分别为5 mm/h、10 mm/h(中雨)、20 mm/h、40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h、120 mm/h(大到大暴雨)，Ka频段取28～36 GHz;天线取圆极化，假设雨衰量达到20 dB通信中断，图3给出了TL－01星与地面站之间在不同降雨强度下的雨衰情况。如图所示，同一降雨强度下随着频率的增加雨衰量也在增加，在Ka频段范围内，降雨强度小于10 mm/h的衰减量的斜率比较平缓;在10 mm/h以下时，可以维持通信;当降雨强度在10 mm/h以上(大雨)时TL－01通信中断。

3 任务影响与处置措施

图3 TL－01星雨衰情况Fig.3 Rain attenuation of TL －01

图4 给出了TL－02星与地面站之间在不同降雨强度下的雨衰情况，由于天线倾角低，有效路径长，同样降雨强度下，TL－02星的降雨衰减严重于TL－01星，降雨强度从5 mm/h(中雨)往上时通信易中断。

图4 TL－02星雨衰情况Fig.4 Rain attenuation of TL －02

影响中继雨衰的因素很多，理论分析使用的模型与参数虽不能完全符合实际的情况，但其可以反映实际雨衰的大体状况。通过执行“神舟九号”和“神舟十号”任务时对雨衰的观察与记录，TL－01星雨衰情况优于TL－02星，在中雨时TL－02发生通信中断，在中雨近大雨时TL－01通信中断。

3.1 任务影响

从“天宫一号”任务开始，中继星在载人飞行任务的飞行控制中起到了越来越大的作用，其地位也越来越重要。“神舟九号”任务之前，由于任务持续期短或者任务时段未处于雨季，因此未受到雨衰的影响。而“神舟九号”、“神舟十号”、“天宫一号”长管期间均遭遇到了恶劣天气，造成了中继雨衰并引起了短暂的天地通信中断，后续空间实验室任务和空间站任务的持续期更长，对中继星的依赖更大，遇到中继雨衰的概率也更大。

天地通信链路的畅通是航天器飞行控制的基本要求，需要能够实时接收处理航天器下传的返向数据，能够实时上传地面的控制指令，能够实时保持与航天员的天地双向话音。而中继雨衰最直接的影响就是天地通信中断，从而造成数据丢失，指令无法上传，无法对航天器与航天员状态进行实时监测和控制，无法与航天员实时通话和进行在轨支持，对载人航天任务会产生一系列负面的影响，如果在实施关键控制过程中出现中继雨衰，天地通信链路中断，那将会对整个任务的成败产生严重的影响。

3.2 处置措施

降雨这一自然现象具有时间和地域上的不确定性，并且雨衰是电磁波传播的固有特性，在航天试验任务中难以避免，但可以通过采取有效的处置措施，减少其对任务的影响。

3.2.1 飞控应急处置措施

载人航天任务具有较强的规划性，关键飞控过程一般都是按照经过事前验证的飞行程序实施，由于降雨的时段与降雨量具有随机性，制定飞行程序时不会考虑雨衰影响。因此，在实际的飞行控制中，必须充分分析关键弧段的雨衰影响，合理安排飞控事件，并制定切实可行的应急处置措施，其大体遵循以下原则:

(1)当前我国载人航天测控地面站使用USB设备，雨衰影响较小，关键的控制过程尽量安排在中继星与地面站同时可见的跟踪弧段;

(2)在任务规划阶段，将关键飞控过程和数据注入尽量安排在地面站弧段或受雨衰影响较小的03星弧段，这样可减少任务过程中因雨衰影响产生的事前规划调整;

(3)当能够提前确定可造成雨衰影响的气象预报时，若时间允许，则对任务规划和卫星资源进行动态规划，将相关遥控指令、注入数据和飞行程序，根据需求调整到测控地面站或不受或受雨衰影响较小的中继星弧段内实施;

(4)未能提前确定可能产生雨衰影响的气象预报时，或时间不允许采取上述处理措施，则当前中继星尽力跟踪，尽量确保前返向链路畅通，停止当前中继星弧段内航天器的实时遥测下传，记录延时遥测。

3.2.2 提高短时临近气象预报能力

载人航天任务中，测控通信系统对国内外测控站、测控船、中继星地面站气象保障需求迫切，实时性要求高。飞控实施单位需要及时掌握相关气象情况，为任务关键事件决策提供支持。后续载人航天任务密度高、周期长，对短期临近气象预报的精确度提出了更高的要求。

相关气象保障部门需要加紧论证面向空间实验室、空间站任务需求的自动气象站，不断累计数据并强化对中继卫星地面站资料的统计分析能力，将中继卫星地面站短时临近气象预报作为常态化业务。提高设备和技术保障能力，通过引入新的计算机技术、网络技术和各类相关算法与模型提高计算短时临近气象预报的能力和准确率。

3.2.3 建立备份地面站

从式(2)～(3)可以看到，当地面站与卫星的经度差越小，地面站纬度越低时，地面海拔越高，则雨衰的有效路径减小，雨衰量也相应减小。为了降低雨衰影响，最有效的方式是选择合适的地理位置建立备份地面站，形成有效的站址分集来保证通信质量。降雨特性与雨衰具有较强的地域性，不同地貌、不同气候条件均有很大的差异，建立备份地面站主要考虑以下四个因素:

(1)地面站位置尽量靠近中继卫星定位位置，海拔较高区域，减小雨衰的有效路径;

(2)地面站当地气候尽量雨水稀少;

(3)主备份地面站的雨季尽量不出现在同一时期;

(4)备份站尽量选择现有航天测站，避免重复建设。

例如，可在TL－03星地面站的基础上建立TL－01星的备份地面站，图5给出此时TL－01星的雨衰情况，与图2对比可以观察到TL－01星的备份地面站在同样降雨强度下其降雨衰减量低于TL－03星的降雨衰减量，发生通信中断的概率更低。同时，可在海南或其他低纬度地区建立TL－02星的备份地面站。

图5 TL－01星备份地面站雨衰情况Fig.5 Rain attenuation between TL －01 and the backup earth station

3.2.4 技术改进

随着电子技术、精密设备和通信技术的发展，可以通过以下几种技术克服Ka频段雨衰较大的问题:

(1)设计裕量与自适应功率控制技术。设计时对链路的分析留有裕量，达到以较高的可用度配置设备。采用自适应功率控制技术提高系统的通信容量并保证链路的可靠性[4];

(2)高/低频组合技术。由于 C频段(3.7～4.2 GHz)的雨衰远小于Ka频段的雨衰，当检测到雨衰过大时，系统可以自动从高频模式切换到低频模式，当雨衰转好时再切回高频模式[5];

(3)编码及降低传输速率。雨衰较大时，可以采取纠错编码技术减少传输的误码率，通过减小编码率获得编码增益的提高。降低传输速率，通过减少衰减信道的数据率来降低误码率[6－7];

(4)自适应TDMA技术。自适应TDMA技术可以结合自适应编码和符号率可变等抗衰减措施来降低雨衰影响，其对星上功率无额外要求，可用于下行链路抗衰减[8]。

3.2.5 发射窗口选择与关键过程安排

一个地区的降雨量与其所处的气候类型有关，降雨量在一年中的分布具有规律性。可以通过发射窗口选择，使任务执行避开降雨集中时段，处于少雨时段，从时间上降低雨衰的概率。2011年11月进行的“神舟八号”交会对接任务中虽然也使用了中继卫星，但这个时段中继星地面站所处地区处于枯雨季，在整个任务期间没有发生中继雨衰。对于未来的空间站任务，其任务周期长，期间涉及到若干关键控制过程，进行任务规划时需要充分考虑可能的雨衰问题，尽量将关键过程安排在发生雨衰较少的时期完成;在雨衰多发时期进行关键过程的快速重规划和资源调度，减少雨衰的影响。

4 结束语

回顾历次的载人航天任务，天基测控网扮演着越来越重要的角色，“神舟九号”载人交会对接任务、“神舟十号”载人飞行任务以及“天宫一号”长管任务中都不同程度地遇到了中继雨衰引起的通信中断，对任务执行产生了影响。后续载人航天任务密度更高，持续时间更长，中继星在通信中扮演更加重要的角色，中继雨衰更加难以避免，需要从不同方面来综合提高应对中继雨衰的能力。中继雨衰问题给飞控工作提出了更高的要求，需要继续探索应对雨衰的更有效的飞控手段。同时，如何在一定的经费和技术能力下建立有效的对抗雨衰的卫星通信系统和对现有卫星系统进行改造亦是一个重要的课题。

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