一種星地聯合Ka頻段上行雨衰補償方法

王 璞，張喜明

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為了適應現代軍事和民用通信的發展，擴展通信容量、增強抗干擾性能、減小接收終端體積等要求，衛星通信逐步向更高的頻段發展，例如Ka頻段和V頻段等。采用Ka和V頻段衛星鏈路具有以下優點：可提供足夠的帶寬，同樣大小的天線在高頻段的方向性更好，鄰近衛星的干擾減小，這樣可以使衛星的軌道設計的更近[1-3]。

衛星通信的特點是傳播距離較長，在系統設計時必須考慮傳輸環境對電磁波傳輸的影響。一般來說，對于X頻段以上的通信來說，電離層的影響可以忽略，損耗主要來自對流層，其中雨衰是最關鍵的一個因素。雨衰是由雨滴對電磁波信號的散射和吸收造成的，雨衰的大小與電磁波信號的頻率、極化方式，雨滴的物理模型，接收地區的海拔高度等因素有關。并且，降雨具有較強的地域性，不同的地勢、不同的氣候均有較大差異，因此，研究不同地區降雨對電磁波傳播的衰減特性對衛星通信系統的工程設計具有重大的意義[4]。

建設地球站時，應當根據對系統鏈路的分析估算和可用度來確定設備的性能指標，由于對上行站的要求更高，而且雨衰對上行鏈路的影響更大，在上行鏈路設計時要配備功率控制器，對衰減進行自動控制，對上行鏈路發射功率進行補償，使上行鏈路工作在較為理想的狀態。

1 降雨衰減模型

當前，在降雨引發電磁波傳輸衰減對衛星通信系統影響的研究中，ITU-R中的雨衰預測模型最為精確[5-7]。當前，常用 R0.01來表征降雨特性的重要參數，該參數表示一年內通信時間中斷概率不超過 0.01%的降雨率。降雨率與單位衰減間的關系為：

式中， γR代表單位衰減，R0.01表示一般年份超過0.01%時間所測得的降雨率；k，α為參數，跟電磁波頻率相關。ITU-R中給出了電磁波頻率在1～1 000 GHz范圍內的計算公式為：

式中：k和α在垂直極化和水平極化時不同，分別為kH、kV、αH、αV；f為電磁波的頻率。計算不同極化方式的數值時，式（1）中的系數可根據式（2）（3）（4）（5）計算。

式中，θ代表地面站的接收仰角；τ代表線極化電場矢量與水平方向之間的極化傾角，當計算圓極化時，τ= 45°，當計算線極化時，τ= 0°（水平極化）或90°（垂直極化）。

ITU-R中給出了電磁波頻率低于55GHz時的降雨衰減預測模型的計算方法，計算雨高：

其中，h0代表 0℃等溫線距海平面高度，數據可從ITU-R第3研究組中獲得。

根據地面站仰角計算斜徑長度，如θ≥5°，斜徑長度Ls為：

其中，hS代表地面站的海拔高度，Re代表地球半徑。

計算電磁波在傾斜路徑傳輸時在水平方向上的投影距離LG為：

獲取當地降雨概率超過0.01%的年均降雨量。此數值可以從 ITU-R P.837建議書中給定的數值中獲取，如果有當地氣象部門長期的降雨統計，則以該地長期統計結果為準。

如R0.01為0，則雨衰值為0，以下步驟省略。

計算水平減少因子為：

計算預計降雨超過年均其它百分比（0.001%～5%）時間的雨衰值，由預計降雨超過年均0.01%時間的雨衰值來計算，若 p≥1%或|φ|≥36°，則β=0；若 p<1%且|φ|<36°且 θ≥25°，則 β=-0.005(|φ|-36)；否則，β=-0.005(|φ|-36)+1.8-4.25sinθ，可以得出：

2 開環功率控制技術

自從衛星通信頻段上升到Ka頻段后，對于降雨的自適應補償技術就被大家所研究使用。上行功率控制主要是在降雨期間對衛星通信上行鏈路的雨衰值進行估算，然后根據估算的雨衰值相應的調整發射功率，使衛星接收到地面發射的上行信號功率始終保持在規定的有效范圍之內，從而減小降雨對衛星通信上行鏈路的影響，保證上行通信信號傳輸的可靠性和穩定性。其中開環功率控制技術是目前國際上比較廣泛使用的抗雨衰補償技術[8]。

開環功率控制技術是在降雨期間通過監測地面接收到的衛星通信下行鏈路信號電平的變化，來估算衛星通信上行鏈路的雨衰值，根據衰減量相應調節地面站上行鏈路的發射功率來補償降雨引發的衰減，使衛星收到地面站發射的上行信號與平時保持一致。至于由于溫度等其他因素引起的緩慢變化，都可以當做雨衰來處理[9-10]。

上行鏈路開環功率控制技術的關鍵是通過下行鏈路信號電平的衰減轉換成上行鏈路的衰減，上、下行鏈路降雨衰減的轉換可以通過式（15）進行估算:。

其中，Aup、Adown分別代表衛星通信中上、下行鏈路的雨衰值，fup、fdown分別代表衛星通信中上、下行鏈路的頻率值。

此方法較為簡單，所用設備資源較少，但是下行鏈路其他故障都有可能引起信號電平變化，使得上行功率自動控制發生作用，造成不必要的補償和上行信號增大，并且，通過頻率換算關系得到的上行衰減精度較實際值也存在誤差。

3 星地聯合閉環補償方法

針對上述開環功率控制技術存在的一些弊端，本文提出一種星地聯合閉環補償方法。衛星進行對地通信業務時會將星上的狀態信息通過遙測信號發送給地面，地面接收遙測信號后通過放大、變頻發送給綜合基帶，綜合基帶完成信號的解調、幀同步、譯碼等工作后將遙測信息送遙測參數解析設備，解析設備可根據約定的格式和接口將衛星遙測參數還原展示出來，參數中通常含有衛星接收地面上行信號的電平大小（AGC電平）和鎖定指示。

當出現降雨衰減時，衛星收到地面站發送的上行信號電平將會變小，地面站通過遙測參數解析設備實時觀察衛星接收電平大小，根據電平變化的值實時調整上行鏈路的發射功率，使衛星接收的信號電平處于相對理想的狀態，此方法可將補償精度控制在0.1 dB以內，大大提高了衛星通信系統工作的可靠性。系統閉環工作流程如圖 1所示。

圖1 星地聯合閉環補償方法流程圖Fig.1 flow chart of satellite-ground joint closed-loop compensation method

4 結論

隨著 Ka頻段在衛星通信領域中的應用越來越廣泛，大家對抗雨衰技術的研究也越來越深，如分集技術、自適應編碼技術、上行功率自動控制技術等。本文基于ITU-R雨衰預測模型，對Ka頻段的降雨衰減特性進行了分析，在國內通用的開環功率控制技術的基礎上提出了一種星地聯合Ka頻段上行雨衰補償方法，可使地面站對衛星的上行通信鏈路始終保持在良好的工作狀態。