掌握日凌規律 完善衛星通信發稿流程

文｜吳麗華

日凌，是一種天文現象。每年春分和秋分節氣前后光顧地球，兩次日凌時間達90天，對衛星產生嚴重干擾，有時衛星通信完全中斷。在此期間，衛星用戶接收信號時常受到干擾，投訴和技術咨詢大量增加。衛星通信技術人員全面掌握日凌發生、形成以及何時到來的規律，向用戶提前預報，并提供全面詳細的技術咨詢服務，減小日凌帶來的負面影響，完善發稿流程，顯得尤為重要。

日凌的發生

1. 什么是日凌

每年春分、秋分時，太陽距離地球最近，太陽直射赤道，太陽發出的電磁波對地球的輻射最強烈，這一現象就是天文學上的日凌，在衛星通信領域就叫日凌中斷。由于通信衛星大多定位于赤道上空，春分秋分時，衛星運行到太陽和地球之間，并同處一條直線上，衛星接收站的天線對準衛星的同時也對準太陽，太陽強大的電磁波信號會使衛星信號的接收干擾或中斷，嚴重時甚至損壞接收設備。

2. 日凌的形成

圖1-地球自轉公轉示意圖

日凌形成的條件是太陽、衛星、地球三者成一條直線。地球距太陽約1.5億公里，衛星距地面36000公里，衛星與太陽的距離是與地面距離的4000多倍。地球的半徑為6400公里，而太陽的半徑為696342公里，是地球半徑的108倍。懸殊的體積、距離差距以及地球的自轉公轉關系，日凌導致只發生在春分和秋分前后，并會持續一段時間。如圖1所示，地球繞地軸自轉一周需23小時56分4秒，同時，地球繞著太陽公轉一周需365天6小時9分10秒。地球自轉軌道面與公轉軌道面形成23°26′的黃赤交角。由于黃赤交角的存在，地球才有春夏秋冬，因春分（3月21日）秋分（9月23日）前后一段時間，太陽離地球最近，太陽直射赤道。在靜止衛星星下點進入當地中午前后的一段時間里，發生日凌。

3. 日凌的時間

日凌發生在春分、秋分前后的46天之內。當太陽的入射角度與天線的軸線平行時發生日凌，這時衛星信號受到干擾。由于太陽相對地球來說大很多，因此太陽直射地球赤道區域的時間較長，那么日凌的持續時間也就較長，每次都達四十六天。太陽一年直射赤道兩次，因此日凌一年發生2次，分別在春分、秋分前后。即春分前二十多天開始，北半球開始發生日凌，春分后，南半球開始日凌。秋分前二十多天，南半球開始進入日凌期，秋分后，北半球開始日凌期。對我國的大部分地區來說，一年2次，每次持續10天左右，每天發生在10時至16時之間，時間10分鐘左右，最長可達20多分鐘。

影響日凌的幾個因素

1. 衛星位置因素

對同一接收地點，經度越東的衛星，日凌發生越早，逐步影響到經度越西的衛星。太陽、地球和經度越東的衛星最早形成直線，形成日凌。對同一個地方，同時有多個接收天線分別對準多顆衛星，肯定是對準經度靠東衛星的接收天線先受到影響。

2. 緯度因素

緯度影響日凌開始結束的時間。春分時，對北半球而言，緯度越高，則日凌開始和結束的時間越早。對南半球而言，緯度越高，則日凌開始和結束的時間越晚。春分時前二十多天，太陽從南至北向赤道移動，太陽、衛星和北半球形成直線，直射高緯度地區，再由高到中直至低緯度地區，北半球處于日凌期。春分后二十多天，當太陽從赤道向北移動時，太陽、衛星和南半球形成直線，直射低緯度地區，再由低到中至高緯度地區形成直線，南半球處于日凌期。秋分前后太陽由北向南穿過赤道。秋分時，對南半球而言，緯度越高，則日凌開始和結束的時間越早。對北半球而言，緯度越高，則日凌開始和結束的時間越晚。對同一經度的地球站，緯度每相差3度左右，則日凌開始和結束的時間就相差一天。

3. 經度的因素

經度影響每天日凌開始和結束的時間。地球的自轉影響了日凌開始和結束的時間。地球站的經度越往西，則每天日凌開始和結束的時間越早；經度越往東，則每天日凌開始和結束的時間越晚。由于地球自轉的原因，每天的日凌區域為自西向東移動，因為地求自轉，太陽相對于地球自東向西移動，太陽、衛星先和經度西的地域形成直射關系。如果兩地緯度一樣，那么經度每相差2度，則兩地日凌開始及結束的時間相差1分鐘。

4. 接收天線因素

日凌與接收天線的電氣特性密切相關。對一個地面接收站來講，日凌的時間從太陽進入其3dB波束寬度開始，至太陽離開3dB波束寬度結束。

其中，λ為波長，c為光速，f為天線接收頻率，D為天線直徑。

從上式可以看出，3dB波束寬度與天線口徑和天線接收頻率有關，成反比。天線口徑越大，3dB波束寬度越窄，日凌時間越短。如口徑3.7米的C波段天線3dB波束寬度為1.4度，2.4米的C波段天線3dB波束寬度為2.2度，地球每分鐘轉0.25度，則2.4米天線的日凌持續時間比3.7米天線長約3分鐘。也與接收頻率有關，KU頻段的3dB帶寬就比C波段的3dB帶寬窄，KU頻段就比C頻段的日凌時間短。以2.4米天線為例，KU頻段的3dB波束帶寬為0.7度，C頻段的3dB波束帶寬為2.2度。地球每分鐘轉0.25度，則C波段比KU波段的日凌時間長6分鐘。

日凌的計算

學會計算日凌時間才能精準地向用戶通告日凌時間，可使用戶提前了解受干擾的時間，做到心中有數。

1. 如何計算日凌時間

圖2 衛星日凌期計算圖

如圖2所示，令P點為衛星地面接收站站址，K1為地面站所在的經度，∠POK1＝Φ為該站緯度。赤道上靜止衛星為S。K2為星下點，地心為O，星下點經度為K2°。則：星下點經度與地面站址經度差|Δλ|＝|K1°－K2°|。

OS為地心與衛星距離，OS＝42164.177km，

R1為赤道半徑 R1＝6378.137km

R2為極半徑 R2＝6356.725km，

則平均半徑R3 R3＝（2R1＋R2）/3＝6371.008km

過P點作PD垂直赤道平面交OK1于D點，再用DD″⊥OS和PD′⊥PD，則可見矩形PDD″D′。

過地心作OS′平行于D′S，設∠SOS′＝A。

過地心作OS″平行于DS，設∠SOS″＝B。

當地球自轉和公轉能同時滿足下列兩個條件時，衛星地面站接收站將發生日凌。 （1）太陽光線S″O與DS平行并與OS夾角為B。

太陽光線S′O與D′S平行并與OS夾角為A。

根據圖2衛星日凌期計算圖所示，運用立體幾何定律可得A、B計算公式如下：

A＝tg－1［sinΦ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

B＝tg－1［cosΦsinΔλ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

B值確定發生日凌時太陽光直射經度位置M1， M1=K2+B

B＞0時M1＞K2， M=M1 開始，M=K2 結束。

B＜0時M1＜K2， M=K2開始，M=M1 結束。

某地發生日凌的時間可用下式換算：

T1＝12.00－（M－M0）×4 （分）M=M1開始，M=K2，結束

M0為某地授時經度線值，當M1＞M0時為午前，M1＜M0時為午后，M1＝M0時為正午12點。

A值確定發生日凌時太陽光直射緯度位置M2，若M 2在春（秋）分前后45天里的平均南北移動角速度為ω＝0.3853815°/天，則每年兩次日凌時間：

T2＝春（秋）分（）日（）時（）分－（＋）A/ω天

B值一天一次，A值一年共兩次，計算出T2值是日凌持續時間最長的一天，前后連續發生2～3天，每天的時間由T1決定。

2. 日凌日期計算實例

以中星10號衛星（110.5°E），選取北京做一實例計算，計算2012年的秋分時的日凌時間。2012年秋分日為9月22日。

A＝tg－1［sinΦ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

T2＝春（秋）分（）日（）時（）分 ±A/ω天

北京： 116.3°E，39.55°N，Δλ=K1-K2=116.3°-110.5°=5.8°。選用北京時間，查表得北京時間屬于東8區，授時經度線為120°。

A=tg－1［sin39.92°/（6.6181328－cos 39.92°cos(116.46°-110.5°)]

=tg-1[sin39.92°/（6.6181328－cos 39.92°cos(116.46°-110.5°)]

=tg-1[0.641717/(6.6181-0.7669*0.9945)]

=tg-1[0.109594]

=6.25°

T2=秋分+6.25°/0.3853815°=秋分+16.23天，

B＝tg－1［cosΦsinΔλ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

=tg－1[(cos39.92°sin(-6)°)/(6.6181328-cos39.92°cos(-6)°]

=tg-1[-0.771×0.101)/(6.6181328-0.771×0.9945)]

=tg-1[-0.08/5.851]

=tg-1(-0.01367)

=-0.78°

因B<0，所以M1

T1＝12:00－（M1－M0）×4 （分）M1=K2+B，結束；M1=K2，開始。

結束:T1=12:00-(K2+B-120°)×4=12:00-(110.5-0.78-120)×4=12:00+41.12分=12時41分7秒

開始：T1=12:00-(110.5-120)×4=12:00+9.5×4=12時38分

持續時間：T1（結束）-T1（開始）=3分7秒

圖3-鑫諾衛星公司網站日凌計算結果截屏圖

9月22日為2012年的秋分日，則10月8日為日凌持續時間最長的一天，以此為中心點，前后持續8天左右。在鑫諾衛星公司網站提供的日凌在線計算程序驗證：北京的日凌時間為10月4日-12日，最強日凌日為10月8日、與上述計算基本一致(詳見圖3-鑫諾衛星公司網站日凌計算結果截屏圖)。持續時間與網站提供的計算工具有出入，是由于上述公式為一粗略估算公式，日凌與地理位置，信號電平，數據格式、天線尺寸、指向精確度、接收站電氣性能等因素都有關系，計算起來比較復雜，也沒有必要。衛星通信工程技術人員只要懂得原理即可，現在衛星公司一般會在官網站上提供在線日凌計算界面，個人輸入相關參數，日凌數據就直接在界面上顯示，非常方便，是技術人員的得力工具和助手。

如何應對日凌的影響

1. 積極謀劃衛星通信，減小日凌的影響

日凌是一種自然現象，不可避免，在工作中盡量消除減小它的影響，是我們可以爭取的。重要稿件的播發力爭避開日凌時段。如工作確實需要，又實在難以避開，在主用衛星處于日凌期時，需使用另一顆衛星。如每年的兩會期，正好也是我國大部分地區的春季日凌期。如中央電視臺2001年兩會直播，當中央電視臺使用的“亞洲一號”衛星發生日凌時，北京電視臺的“亞洲2號”衛星承擔起直播重任（亞洲1號，東經105.5°。亞洲2號100.5°。亞洲1號先發生日凌，正好利用了日凌發作的時間差）。也可以切換不同的地面接收天線，因為不同經、緯度日凌發生的時間不同，當然在可能的范圍內，兩個地面接收站要盡量隔開，以徹底避開日凌。

圖4-INTELSAT-904星北京春分日凌計算截圖

圖5-INTELSAT-904北京春分日凌計算結果

2. 積極做好日凌期的用戶服務

技術人員應在日凌發生前數日，以通知形式下發用戶，及時通報用戶日凌開始和結束的時間，引起用戶重視，做好用戶服務工作?，F在基本每個衛星公司的網站上都提供日凌計算工具。技術人員可登錄網站進行計算。以國際衛星公司IS-904星（60°E）北京接收端為例。登錄：http://www.intelsat.com，在Tools&ResourcesSatellite Data&ToolsSun Interference Calculator界面下計算，計算結果可原界面打印，也可存為PDF、EXCEL文件。圖4為計算截圖，圖5為日凌計算結果截圖。

日凌現象的利用

日凌對衛星通信會形成干擾，但對此現象加以利用，會有意想不到的效果。在衛星地面站選址時，對前面高樓、大樹、煙囪等是否形成遮擋難以確定，可在日凌期間觀測前方的建筑物、大樹是否對選址地形成陰影來加以確定。還可實現簡易調星。在日凌時刻調星，調整天線方位角、俯仰角，使高頻頭的影子落到天線中心即可。