Ka波段衛星通信雨衰問題的研究

梅妍玭，傅 榮

(1.揚州職業大學，揚州 225012；2.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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Ka波段衛星通信雨衰問題的研究

梅妍玭1，傅 榮2

(1.揚州職業大學，揚州 225012；2.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

介紹了影響雨衰的要素以及常用的雨衰預測模型——ITU-R模型，通過ITU-R雨衰預測模型，以揚州地區為例計算了雨衰大小，并通過Matlab進行仿真，分析了海拔高度、衛星緯度以及信號頻率對衛星通信系統的降雨衰減特性的影響。

衛星通信；Ka波段；降雨衰減；ITU-R模型

0 引 言

在衛星通信中有很多原因影響信號的傳播，衛星傳送的信號經過云、霧、雨、雪、霜時，除被其吸收掉一部分，還會引起散射。其中，信號在雨中傳播時受到的衰減稱為降雨衰減，簡稱雨衰，是影響信號質量的重要原因，且頻率越高受降雨衰減的影響越大，因此應用于高速衛星通信，頻率范圍在Ka波段(上行頻率30 GHz，下行頻率20 GHz)時雨衰問題的研究具有重要意義[1]。

1 基本概念

1.1 降雨強度的概率模型

降雨衰減的大小首先和降雨強度有關，即單位時間的降雨量大小，降雨量和時間、空間都有關系，同一地區不同季節，不同時間也有很大的區別，定性定量的計算十分困難，通常采用統計學的方法，對于降雨強度時間性和空間性變化的分析利用相關函數來表示。大量實踐表明，弱降雨強度時可近似地看成正態分布模型，強降雨強度時可近似地看成嘎馬分布模型[2]。

(1) 正態分布模型

正態分布時的概率函數為：

(1)

當雨強大于某值時的概率分布為：

(2)

式中：m為平均值；s為均方差值；R為實際測得的降雨強度(mm/h)；R0為雨強閾值。

(3)

由雨強閾值R0所對應的降雨強度分布函數F(R≥R0)，查表可得到相應的百分比數值x。根據：

lnR0=sx+m

(4)

由最小二乘法得到：

(5)

(6)

(2) 嘎馬分布模型

假設雨強為變量x，假設遵從嘎馬分布模型，則可以表示成：

(7)

(8)

式中：G(g)為嘎馬函數。

其中2個系數的估計值為：

(9)

(10)

Δg=0.025 8-0.18g+0.002 4g2

(11)

(12)

可以得較精確的g估計值，利用式(10)得到形狀參數的最大似然估計值。從而可以得到雨強R大于閾值R0的概率分布值約為：

(13)

通常降雨強度較小時,較多采用正態分布模型;降雨強度大時，大多使用嘎馬分布模型。

1.2 降雨層高度估算

降雨層的高度影響降雨衰減大小，降雨層高度的預測模型為[3]：

(14)

式中：φ為緯度參數。

1.3 單位雨衰值

因為沒有辦法檢測到實時的雨水大小、形狀，雨速等參數，通常采用一定時間內的平均降雨量來衡量單位雨衰值的大小：

gR=k(R0.01)a

(15)

式中：R0.01為在1年的0.01%時間內的雨量。

式(15)適用于降雨率的所有值。參數k和α隨頻率而定：

(16)

(17)

式中：θ為降雨路線與地面的夾角；τ為相對水平位置的極化角;kH，kV，aH以及aV的值可以查表1得到。

表1 衰減率的回歸系數

頻率(GHz)kHkVaHaV120.01880.01681.21741.200150.03670.03351.1541128200.07510.06911.0991.065250.1240.1131.0611.030300.1870.1671.0211.000350.2630.2330.9790.963400.3500.3100.9390.929

當頻率f的取值在表1中某段頻率區間內，即f1

(18)

(19)

2 雨衰減特性研究

2.1 雨衰預測模型

降雨衰減是衛星信號在雨中傳播時由于受到雨水的折射和吸收受到的衰減，沒有辦法得到實時的雨水大小、形狀，雨速等參數，通?；谝欢螘r間內降雨量的大小采用應驗模型——ITU-R雨衰預測模型來估算:

ITU-R雨衰預測模型需要的參數如圖1所示。

圖1 雨衰路徑圖

圖1中：A為冷凍層；B為降雨層高度；C為液體水凝物區；D為地球-空間路徑；R0.01為一年中0.01%時間內的雨量大??；hR為降雨層高度；hS為基站海拔；θ為地面站天線仰角；φ為基站地理緯度；f為信號頻率(GHz)。

雨衰的計算過程可以歸納為以下幾步：

第1步，計算降雨層高度hR，按式(14)計算。

第2步，計算雨頂下斜路徑長度,當θ≥5°時:

(20)

當θ<5°時:

(21)

式中：Re=8 500km，為地球等效半徑；hS為地面站海拔高度。

第3步，計算在地面的投影長度:

LG=LScosθ

(22)

第4步，采取一年中0.01%時間內的雨量大小R0.01，若沒有當地實測數據，可從ITU-R P837-5建議中取一個估值。

第5步，計算一年中0.01%時間概率點降雨率的特征衰減:

gR=k(R0.01)a

(23)

第6步:計算0.01%時間概率的水平縮短因子r0.01：

(24)

第7步:計算0.01%時間概率的垂直調整因子n0.01：

(25)

(26)

第8步，計算有效路徑長度:

LE=LRn0.01

(27)

第9步，計算時間概率p=0.01%時的雨衰減:

A0.01=gRLE

(28)

第10步，預測時間概率為0.001%～5%時的雨衰減,當p≥1%或|φ|≥36°時，β=0。當p<1%時，如|φ|<36°且θ≥25°，β=-0.005(|φ|-36°)；如|φ|<36°且θ<25°，β=-0.005(|φ|-36°)+1.8-4.25sinθ，則Ap為：

(29)

2.2 揚州地區Ka波段雨衰計算

Ka頻段的衛星通信系統由空間站的衛星、地面基站、運行控制中心以及用戶終端構成。我國力爭于2016年左右展開應用示范，逐步走向商業應用，空間段考慮采用我國自主研制的東方紅四號衛星平臺建造我國Ka波段寬帶通信衛星。因此，本文使用東方紅四號衛星平臺中定軌于110.5°E的中星10號衛星的參數，再結合我國揚州地區典型站的降雨數據進行地-空雨衰計算，將來我國確定到衛星軌道位置之后，結合國內的實際情況需作進一步的修正。基站與衛星站的位置如圖2所示。

圖2 靜止衛星S與A站的幾何關系

圖2中he為衛星離地面的高度；Re為地球半徑。下文公式用φ1表示衛星位置經度；φ2表示基站經度；θ表示基站天線與地面的夾角；φ表示基站緯度。

(30)

(31)

下面以定軌于110.5°E的中星10號(即φ1=110.5°)的N-STAR通信衛星為例，并結合揚州地區(基站緯度φ= 32.4°N，經度φ2=119.4°E，海拔hS=8.9 m)，上行工作頻率fup=30 GHz，下行工作頻率fdown=20 GHz，垂直極化，揚州地區年平均0.01%時間的降雨強度R0.01=60.665 2 mm/h來計算揚州地區基站的降雨衰減:

第1步，計算降雨層高度。因為φ>23°，由公式 (14)得:hR=5-0.075(φ-23)=4.295 km。

第2步，計算信號經過降雨層斜路徑長LS:

(1) 計算地-空站與地面的夾角:

第3步，計算地面的投影長度:LG=LScosθ=4.113 9 km。

第4步，從ITU-R P837-5中查得揚州地區平均年0.01%時間概率點降雨率 (1 min積分時間)[1]：R0.01=60.665 2 mm/h。

第5步，計算0.01%時間概率點降雨率的特征衰減gR。

由式(16)和式(17)計算k和a，由式(19)計算單位衰減gR。當下行線路fdown=20 GHz時，k= 0.072 9;a=1.087 4；gR=k(R0.01)a=6.335 0 dB/km；當上行線路fup=30 GHz時，k= 0.179 8，a=1.014 0，gR=k(R0.01)a=11.551 9 dB/km。

第7步，根據式(26)，可得到0.01%時間概率的垂直調整因子n0.01，由式(25)得到:

天線仰角θ=48.348°<ξ，所以:

第8步,由式 (27)計算有效路徑長度:LE=LRn0.01= 4.133 3km。

第9步,由式(28)計算20GHz時間概率0.01%時的降雨率的雨衰減量：A0.01=gRLE= 26.184 2dB；30GHz時，A0.01=rRLE= 36.046 3dB。

2.3 Ka頻段降雨衰減特性分析

根據ITU-R雨衰預測模型，以揚州地區為例加以分析，分別對東方紅4號衛星平臺中的NigComSat-1R，中星十一號以及鑫諾六號，位置在42.5°E、98.2°E、125°E，上行頻率30GHz和下行頻率為20GHz進行計算。根據上面的步驟，一一進行估算，并利用Matlab進行編程[4]并仿真。

根據計算結果，對Ka波段降雨衰減數值進行分析，對雨衰特性進行了歸納總結：

(1) 影響雨衰大小最重要的原因是降雨強度。我國地域廣闊，氣候類型多種多樣，南方季風性氣候，夏季高溫多雨，冬天寒冷干燥；西部大陸性干旱氣候，終年較寒冷，降水稀少；高山氣候區，垂直變化明顯，降雨大小差異大，雨衰地域性差異大。揚州屬于亞熱帶季風性氣候，夏季濕熱多雨，會對信號造成明顯的衰減。

(2) 不同的地球站天線仰角值決定了電波通過雨區時，斜路徑長度的大小不同。地球站天線仰角的不同也有2個影響因素：一是地球站的海拔高度和經緯度；二是衛星的位置。因此，下面分別對這2個因素進行分析。

在降雨強度相同的情況下，選取不同的海拔高度，以紫金山海拔高度400m為例，平均海拔hR1=8.9m，山頂hR2=448m，20GHz下對136°E軌道位置在相同時間概率下(從0.001%到1%)的雨衰減值比較為例，如圖3所示。從圖中可看出，海拔高的降雨衰減值比海拔低的降雨衰減值小，在時間概率為0.01%時還相差1.61dB。

圖3 星位置為98.2°E時的不同海拔處的雨衰減曲線

衛星軌道位置和地球站位置的不同，影響仰角的大小。以揚州地區在下行頻率點(20GHz)在相同時間概率下(從0.001%到1%)不同軌道位置(軌道位置分別為62°E、80°E以及136°E)的雨衰減值比較(如圖3.6所示)為例，說明仰角對雨衰減的影響。揚州地區對于3顆星的仰角分別為19.48°、35.73°和48.35°，從圖4可以看出，對北京地區來說，衛星軌道位置為62°E的降雨衰減值大于衛星軌道位置是82°E和122°E時的降雨衰減值，在時間概率為0.01%時分別相差8.33dB和10.36dB。

從2幅圖的比較結果來看，衛星仰角對降雨衰減的影響非常大：

(1) 在海拔高度相差較小的情況下，仰角越大，通過雨區的斜路徑長度就越短，降雨衰減就越?。环粗?，仰角越小，則降雨衰減就越大。

(2) 在地球站的經緯度相差較小的情況下，仰角越大，通過雨區的斜路徑長度就越長，降雨衰減就越大；反之，仰角越小，則降雨衰減就越小。

總的來說，仰角的大小影響了斜路徑的長度，而斜路徑的長度影響了雨衰減值。

圖4 揚州地區衛星位置為62°E、82°E和136°E時的雨衰減曲線

(3) 雨衰大小的重要因素是頻率。以揚州地區對于82°衛星的上下行線路為例，上行頻率為30GHz，下行頻率為20GHz，計算出在不同時間概率情況下的雨衰減值，如圖5所示。從圖中可以看出，頻率的增高使降雨衰減值也隨之加大。其主要原因是隨著頻率的增高，其波長越來越接近于雨滴的尺寸。這樣就加大了雨滴對電磁波的吸收和散射，繼而增大了降雨衰減。

圖5 揚州地區在20 GHz和30 GHz時的雨衰減曲線

[1] 侯光明,王俊鵬,閆緒嫻,劉建昌.對ITU-R837-2模式計算中國雨強分布的應用分析[J].電波科學學報,2003，18(4):440-446.

[2] 王成元,徐慨,任佳.衛星鏈路降雨衰減的測量及頻率換算[J].無線通信技術,2010(2):37-40.

[3] 申莉華,李曉輝.近地空間通信中的降雨衰減影響分析[J].通信技術,2010,43(5):79-81.

[4] 魚濱,趙元哲，王國華，等.MATLAB編程與工程應用[M].2版.北京：電子工業出版社，2013.

Research into The Rain Attenuation of Satellite Communication in Ka Band

MEI Yan-pin1，FU Rong2

(1.Yangzhou Vocational University,Yangzhou 225012,China;2.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces the factors influencing the rain attenuation and the common rain attenuation forecast model——ITU-R model,calculates the rain attenuation magnitude taking Yangzhou area as an example through the ITU-R rain attenuation prediction model,and performs the simulation by using Matlab,analyzes the influence of height above sea level,satellite latitude and signal frequency on the rain attenuation characteristic of satellite communication system.

satellite communication;Ka band;rain attenuation;ITU-R model

2015-09-06

TN927.2

A

CN32-1413(2016)03-0049-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.013