宋曉東

摘 要：文章簡述了上海地區(qū)的氣象特點，收集和整理了民航Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)上海區(qū)域管制中心歷時一年的實際雨衰數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實可行的基礎上嘗試找出提高系統(tǒng)抗雨衰性能的方法，并在總結結果的基礎上提出了進一步研究的方向。

關鍵詞：民航；Ku波段；雨衰特性；上海；雨區(qū)估算；雨衰補償1 上海的地理和降水特征

上海位于北緯31度14分，東經(jīng)121度29分。正是中國海岸線中心點，守長江口。處于長江三角洲沖積平原前緣，東瀕東海，北界長江，南臨杭州灣，西與江蘇省和浙江省接壤。全境為沖積平原，僅西南部有部分火山巖丘。海拔平均高度在4米左右，地勢平坦，山脈少而低小。西部有佘山、天馬山等，但高度都在100米以下。上海地區(qū)的降水同時兼有普遍性和集中性的特點，既有所處的地理環(huán)境所帶來的全年降水量比較充沛的現(xiàn)狀，也有因為汛期的存在造成降水概率遠較其他時期來的大的差別。

2 民航上海區(qū)管的Ku衛(wèi)星站使用

民航Ku波段衛(wèi)星通信網(wǎng)于2005年底開始建設，于2007年7月正式投產(chǎn)運營。Ku衛(wèi)星網(wǎng)是中國民航衛(wèi)星通信網(wǎng)的重要組成部分，為全網(wǎng)狀結構，可以實現(xiàn)網(wǎng)中任意兩個衛(wèi)星地球站之間的單跳通信，支持話音、數(shù)據(jù)廣播、甚高頻和雷達等多種業(yè)務。

圖1 衛(wèi)星傳輸鏈路的電平關系圖

圖1顯示的是在一個典型的衛(wèi)星傳輸鏈路中，各個點的相對電平之間的關系。在發(fā)射站，地面站通過高功率放大器（High Power Amplifier ，HPA）等一系列設備處理得到一個較強的發(fā)射電平信號有效全向輻射功率[Effective Isotropic Radiated Power，EIRP（E）]，通過天線向衛(wèi)星發(fā)射。經(jīng)過一系列穿越大氣層的衰減之后信號傳遞到了衛(wèi)星轉發(fā)器上，此時的接收電平已經(jīng)很微弱。衛(wèi)星通過自身的轉發(fā)器將湮沒在噪聲中的微弱信號提取出來進行中繼放大，重新得到一個較強的發(fā)射功率EIRP（S），向目標接收站發(fā)射。隨后通過同樣的穿越大氣層的信號衰減之后，地面接收站采用靈敏度極高的低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）同樣從噪聲中將極其微弱的信號提取出來，并放大還原，至此一次完整的衛(wèi)星通信宣告完成。

從圖中可以看出，大部分的電平損耗集中在上下行鏈路（圖中Lu和Ld的折線）中出現(xiàn)，這其中，降水等引起的信道惡化、來自宇宙空間和大氣層內(nèi)的各種電磁波干擾等都會造成信號電平質(zhì)量的急速下降。在衛(wèi)星地球發(fā)射站和接收站的性能有限的前提下，提高衛(wèi)星系統(tǒng)尤其是像Ku波段衛(wèi)星系統(tǒng)的抗雨衰性能，對于信號質(zhì)量的保證有著非常明顯的作用。

3 雨衰的定義和影響

當電磁波穿越降雨區(qū)域時，降雨層會對電磁波產(chǎn)生各個方面的影響，不僅會吸收電磁波的能量，而且還會對電磁波產(chǎn)生散射，以及去極化效應等。這種吸收和散射共同形成了降雨層對電磁波的干擾和衰減作用，統(tǒng)稱為雨衰。

這種衰減呈現(xiàn)非選擇性能和緩慢的時變特性，是導致信號劣化，影響系統(tǒng)可用性的主要因素，因此雨衰問題也就成為系統(tǒng)設計過程中必須考慮的重要問題。雨衰的大小與雨滴直徑與波長的比值有著密切的關系，當信號的波長比雨滴大時，散射衰減起決定作用，當電磁波的波長比雨滴小時，吸收損耗起決定作用，無論是吸收或散射作用，其效果都使電波在傳播方向遭受衰減；當電磁波的波長和雨滴直徑越接近時衰減越大，一般情況下（比如中短波）電磁波的波長遠大于雨滴直徑，故衰減很小，C波段信號受雨衰的影響也可以忽略。對于10GHz以上的電磁波，雨衰的影響就非常明顯了，在鏈路計算中必須考慮雨衰的影響。頻率越高雨衰的影響越大，大雨和暴雨對電磁波的衰減要比小雨大得多。

除了降雨衰減，降雨產(chǎn)生對電磁波的吸收衰減也會對地面站產(chǎn)生熱噪聲的影響。這種噪聲折算到衛(wèi)星站接收天線的輸入端就會衍化成為天線熱噪聲。經(jīng)驗表明天線熱噪聲對接收信號的載噪比會產(chǎn)生很大的影響。這種影響和產(chǎn)生的衰減大小與天線的結構有關。依據(jù)歷史數(shù)據(jù)測算，每衰減0.1dB，噪聲溫度約增加6.7K。而在一般情況下，天線的仰角越高，降雨噪聲的影響就相對越小。這是因為電磁波因此穿過降雨的路徑較短，相應地衰減量也就小一些。

降雨噪聲有如下的定義公式：

Tatm=[1-10E（-R/10）]10E（-W/10）Train

其中，R為雨衰值，單位為dB；W為饋源到低噪聲放大器LNB之間的波導損耗值，單位dB；Train為雨的溫度，單位為K。從公式中可以看出，在沒有雨衰的情況下，噪聲溫度不增加；在沒有波導損耗的情況下，噪聲溫度只和波導損耗值有關。又由于噪聲溫度增加將直接影響到接收系統(tǒng)的G/T值，也就是直接影響到接收信號的載噪比，因此對于信號的可用度的影響決不能簡單忽視，甚至可以說比降雨衰減更明顯。故在進行相關的鏈路計算時必須考慮其影響。

此外，降雨雨衰還會對電磁波產(chǎn)生去極化作用。所謂去極化的現(xiàn)象也是因為雨滴的吸收和散射作用引起的。一般情況下，當天線仰角大于15度時，交叉極化鑒別度在超過年平均時間的0.1%時可達到27dB；0.01%時為20dB；0.001%時為15dB。

從一些已知的氣象和雨衰文獻中可以查詢到如下數(shù)據(jù)：上海地區(qū)年平均99.9%的可用度條件下，需要調(diào)整的雨衰值在4.3dB左右，年平均中斷的時長在8.8小時左右，最壞的月份也有2.8小時的中斷；如果按照99%的可用度計算，則需要調(diào)整的雨衰值為1.35dB，年平均中斷的時長會迅速爬升至87.7小時，最壞的月份中斷時間也會相應地提高到20.8小時。

4 民航使用的Ku雨衰記錄

在上海民航區(qū)域管制中心，每個自然日值班人員會在上午10：30對Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)上海區(qū)管節(jié)點的設備進行巡檢工作，巡檢內(nèi)容包括：站點接收主參考節(jié)點的接收電平（Rx Lvl）和能噪比（Eb/No）；接收本地站點的接收電平（Rx Lvl）和能噪比（Eb/No）；以及當前的發(fā)射電平值（Current Tx Power）。endprint

5 差別及原因推斷

表1中的內(nèi)容詳細地記錄了從2011年5月至2012年5月初，篩選出了歷史氣象記錄中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku衛(wèi)星站的工作狀況。從表中可以看出，高頻度的降水主要集中在2月、3月、6月和8月，基本符合前文中所推斷的春雨和梅雨季節(jié)對衛(wèi)星傳輸?shù)臐撛谟绊戄^大的觀點。分析這一年的實際巡檢記錄與常見的雨區(qū)估算法發(fā)現(xiàn)，兩者并不完全吻合。這主要可能的原因有以下幾點：

第一，巡檢記錄來自每日的定時巡檢，此時的降雨水平并不能代表當日的整體降雨水平，有可能在巡檢當時衛(wèi)星系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，但到了下午或晚上因為降雨雨量增大而造成衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定性下降甚至掉線。

第二，作為氣象參考資料的降雨程度比較粗泛，只能反映當天上海全市的大致天氣水平，并不能精確到衛(wèi)星站所在的青浦區(qū)的天氣水平?？赡墚斕斓氖袇^(qū)天氣降水較少，但位于市郊的區(qū)管中心的降水程度要更大一些。

第三，作為雨區(qū)估算法的參考資料在不斷地更新中，上海所在的雨區(qū)衛(wèi)星可用度表也必須維持在最新狀態(tài)。氣候特點本身這幾年來也在逐漸變化中，并不是一成不變的?？捎枚缺淼膮?shù)也許對最后的結果也產(chǎn)生了一定的偏移。

6 結束語

通過上述論述，可以得到以下的初步結論：

第一，Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)在上海地區(qū)的性能表現(xiàn)基本延續(xù)了其一貫的特點，在天星口徑、信道容量、信號強度等方面相較C波段衛(wèi)星網(wǎng)有一定的優(yōu)勢；但在抗雨衰方面表現(xiàn)則不如后者，特別是在面對短時突降的雷暴雨天氣時，瞬時的信號衰減落差較大，甚至可能在短時間內(nèi)超過20dB。

第二，上海地區(qū)有非常顯著的地域性氣候特征。主要表現(xiàn)在：氣候濕潤；全年降水比較平均，沒有明顯的旱季和雨季的區(qū)分，但對衛(wèi)星傳輸影響較大的中到大雨則分布地相對比較集中；江南地區(qū)的特別氣候現(xiàn)象——梅雨季節(jié)對于Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)的影響較其他季節(jié)要明顯，潮濕多雨的梅雨期間更需要持續(xù)關注衛(wèi)星地面站的運行情況，多巡檢查看設備和系統(tǒng)鏈路的運行情況，及早發(fā)現(xiàn)可能的各種隱患；在臺風多發(fā)的季節(jié)（6～8月），Ku衛(wèi)星傳輸質(zhì)量相比全年其他時節(jié)也顯得略差。

常見的雨衰補償方法主要有設置降雨預備余量，采用糾錯編碼，采用業(yè)務分集技術，頻率變換技術，極化方式的選擇，采用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)高頻頭（LNB），高品質(zhì)天線的選擇，以及最常見的上下行功率控制等。通過逐一確認和對比，并判斷是否適用上海地區(qū)的Ku衛(wèi)星網(wǎng)，初步得到的改進思路如下：根據(jù)上海地區(qū)的氣候特點，在年均降水較多的月份（如針對降水集中和梅雨季節(jié)特點明顯的6～9月），向網(wǎng)控中心反饋信息，請求提升適度的增益上限，一般可嘗試提升3至4dB左右（也可調(diào)節(jié)發(fā)射衰減值相應減小若干個dB），在過了降水集中的這段時間之后再適度將增益值調(diào)整回原值，借以提高Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)上海區(qū)域的基站對抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，隨著氣候變暖和溫室效應的加劇，整個全球的極端氣候發(fā)生頻率在逐漸增加，這對Ku波段的衛(wèi)星傳輸一定會產(chǎn)生影響，包括上海地區(qū)在內(nèi)。以上文提到的ITU-R推薦的雨區(qū)估算法為例，其估算法本身也在隨著時間的推進逐漸更新數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)更新了超過10個版本，這就要求抑制雨衰和針對性的補償技術也要不斷與時俱進，不能停留在以前的成果上。

參考文獻

[1]車晴，毛志 .Ku波段衛(wèi)星廣播中雨衰現(xiàn)象的研究[J].電波科學學報，1999，14（2）.

[2]蔡敏.Ku波段衛(wèi)星通信雨衰影響的分析[D].廣州：中山大學，2009.

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[8]周艷秋，賈方，李萍.武警衛(wèi)星通信系統(tǒng)的雨衰估算及分析[J].現(xiàn)代電子技術，2008（13）：44-48.

[9]李琳，王杰.雨衰對Ku波段衛(wèi)星的影響及消除[J].大眾科技，2010（11）：15-16.

[10]王秀琦，曾昭生.雨衰對Ku波段信號的影響及估算[J].廣播與電視技術，2000（1）：101-104.endprint

5 差別及原因推斷

表1中的內(nèi)容詳細地記錄了從2011年5月至2012年5月初，篩選出了歷史氣象記錄中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku衛(wèi)星站的工作狀況。從表中可以看出，高頻度的降水主要集中在2月、3月、6月和8月，基本符合前文中所推斷的春雨和梅雨季節(jié)對衛(wèi)星傳輸?shù)臐撛谟绊戄^大的觀點。分析這一年的實際巡檢記錄與常見的雨區(qū)估算法發(fā)現(xiàn)，兩者并不完全吻合。這主要可能的原因有以下幾點：

第一，巡檢記錄來自每日的定時巡檢，此時的降雨水平并不能代表當日的整體降雨水平，有可能在巡檢當時衛(wèi)星系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，但到了下午或晚上因為降雨雨量增大而造成衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定性下降甚至掉線。

第二，作為氣象參考資料的降雨程度比較粗泛，只能反映當天上海全市的大致天氣水平，并不能精確到衛(wèi)星站所在的青浦區(qū)的天氣水平?？赡墚斕斓氖袇^(qū)天氣降水較少，但位于市郊的區(qū)管中心的降水程度要更大一些。

第三，作為雨區(qū)估算法的參考資料在不斷地更新中，上海所在的雨區(qū)衛(wèi)星可用度表也必須維持在最新狀態(tài)。氣候特點本身這幾年來也在逐漸變化中，并不是一成不變的。可用度表的參數(shù)也許對最后的結果也產(chǎn)生了一定的偏移。

6 結束語

通過上述論述，可以得到以下的初步結論：

第一，Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)在上海地區(qū)的性能表現(xiàn)基本延續(xù)了其一貫的特點，在天星口徑、信道容量、信號強度等方面相較C波段衛(wèi)星網(wǎng)有一定的優(yōu)勢；但在抗雨衰方面表現(xiàn)則不如后者，特別是在面對短時突降的雷暴雨天氣時，瞬時的信號衰減落差較大，甚至可能在短時間內(nèi)超過20dB。

第二，上海地區(qū)有非常顯著的地域性氣候特征。主要表現(xiàn)在：氣候濕潤；全年降水比較平均，沒有明顯的旱季和雨季的區(qū)分，但對衛(wèi)星傳輸影響較大的中到大雨則分布地相對比較集中；江南地區(qū)的特別氣候現(xiàn)象——梅雨季節(jié)對于Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)的影響較其他季節(jié)要明顯，潮濕多雨的梅雨期間更需要持續(xù)關注衛(wèi)星地面站的運行情況，多巡檢查看設備和系統(tǒng)鏈路的運行情況，及早發(fā)現(xiàn)可能的各種隱患；在臺風多發(fā)的季節(jié)（6～8月），Ku衛(wèi)星傳輸質(zhì)量相比全年其他時節(jié)也顯得略差。

常見的雨衰補償方法主要有設置降雨預備余量，采用糾錯編碼，采用業(yè)務分集技術，頻率變換技術，極化方式的選擇，采用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)高頻頭（LNB），高品質(zhì)天線的選擇，以及最常見的上下行功率控制等。通過逐一確認和對比，并判斷是否適用上海地區(qū)的Ku衛(wèi)星網(wǎng)，初步得到的改進思路如下：根據(jù)上海地區(qū)的氣候特點，在年均降水較多的月份（如針對降水集中和梅雨季節(jié)特點明顯的6～9月），向網(wǎng)控中心反饋信息，請求提升適度的增益上限，一般可嘗試提升3至4dB左右（也可調(diào)節(jié)發(fā)射衰減值相應減小若干個dB），在過了降水集中的這段時間之后再適度將增益值調(diào)整回原值，借以提高Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)上海區(qū)域的基站對抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，隨著氣候變暖和溫室效應的加劇，整個全球的極端氣候發(fā)生頻率在逐漸增加，這對Ku波段的衛(wèi)星傳輸一定會產(chǎn)生影響，包括上海地區(qū)在內(nèi)。以上文提到的ITU-R推薦的雨區(qū)估算法為例，其估算法本身也在隨著時間的推進逐漸更新數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)更新了超過10個版本，這就要求抑制雨衰和針對性的補償技術也要不斷與時俱進，不能停留在以前的成果上。

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[10]王秀琦，曾昭生.雨衰對Ku波段信號的影響及估算[J].廣播與電視技術，2000（1）：101-104.endprint

5 差別及原因推斷

表1中的內(nèi)容詳細地記錄了從2011年5月至2012年5月初，篩選出了歷史氣象記錄中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku衛(wèi)星站的工作狀況。從表中可以看出，高頻度的降水主要集中在2月、3月、6月和8月，基本符合前文中所推斷的春雨和梅雨季節(jié)對衛(wèi)星傳輸?shù)臐撛谟绊戄^大的觀點。分析這一年的實際巡檢記錄與常見的雨區(qū)估算法發(fā)現(xiàn)，兩者并不完全吻合。這主要可能的原因有以下幾點：

第一，巡檢記錄來自每日的定時巡檢，此時的降雨水平并不能代表當日的整體降雨水平，有可能在巡檢當時衛(wèi)星系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，但到了下午或晚上因為降雨雨量增大而造成衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定性下降甚至掉線。

第二，作為氣象參考資料的降雨程度比較粗泛，只能反映當天上海全市的大致天氣水平，并不能精確到衛(wèi)星站所在的青浦區(qū)的天氣水平?？赡墚斕斓氖袇^(qū)天氣降水較少，但位于市郊的區(qū)管中心的降水程度要更大一些。

第三，作為雨區(qū)估算法的參考資料在不斷地更新中，上海所在的雨區(qū)衛(wèi)星可用度表也必須維持在最新狀態(tài)。氣候特點本身這幾年來也在逐漸變化中，并不是一成不變的?？捎枚缺淼膮?shù)也許對最后的結果也產(chǎn)生了一定的偏移。

6 結束語

通過上述論述，可以得到以下的初步結論：

第一，Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)在上海地區(qū)的性能表現(xiàn)基本延續(xù)了其一貫的特點，在天星口徑、信道容量、信號強度等方面相較C波段衛(wèi)星網(wǎng)有一定的優(yōu)勢；但在抗雨衰方面表現(xiàn)則不如后者，特別是在面對短時突降的雷暴雨天氣時，瞬時的信號衰減落差較大，甚至可能在短時間內(nèi)超過20dB。

第二，上海地區(qū)有非常顯著的地域性氣候特征。主要表現(xiàn)在：氣候濕潤；全年降水比較平均，沒有明顯的旱季和雨季的區(qū)分，但對衛(wèi)星傳輸影響較大的中到大雨則分布地相對比較集中；江南地區(qū)的特別氣候現(xiàn)象——梅雨季節(jié)對于Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)的影響較其他季節(jié)要明顯，潮濕多雨的梅雨期間更需要持續(xù)關注衛(wèi)星地面站的運行情況，多巡檢查看設備和系統(tǒng)鏈路的運行情況，及早發(fā)現(xiàn)可能的各種隱患；在臺風多發(fā)的季節(jié)（6～8月），Ku衛(wèi)星傳輸質(zhì)量相比全年其他時節(jié)也顯得略差。

常見的雨衰補償方法主要有設置降雨預備余量，采用糾錯編碼，采用業(yè)務分集技術，頻率變換技術，極化方式的選擇，采用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)高頻頭（LNB），高品質(zhì)天線的選擇，以及最常見的上下行功率控制等。通過逐一確認和對比，并判斷是否適用上海地區(qū)的Ku衛(wèi)星網(wǎng)，初步得到的改進思路如下：根據(jù)上海地區(qū)的氣候特點，在年均降水較多的月份（如針對降水集中和梅雨季節(jié)特點明顯的6～9月），向網(wǎng)控中心反饋信息，請求提升適度的增益上限，一般可嘗試提升3至4dB左右（也可調(diào)節(jié)發(fā)射衰減值相應減小若干個dB），在過了降水集中的這段時間之后再適度將增益值調(diào)整回原值，借以提高Ku波段衛(wèi)星網(wǎng)上海區(qū)域的基站對抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，隨著氣候變暖和溫室效應的加劇，整個全球的極端氣候發(fā)生頻率在逐漸增加，這對Ku波段的衛(wèi)星傳輸一定會產(chǎn)生影響，包括上海地區(qū)在內(nèi)。以上文提到的ITU-R推薦的雨區(qū)估算法為例，其估算法本身也在隨著時間的推進逐漸更新數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)更新了超過10個版本，這就要求抑制雨衰和針對性的補償技術也要不斷與時俱進，不能停留在以前的成果上。

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