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        一種預(yù)測(cè)55 GHz以內(nèi)微波雨衰的實(shí)用方法

        2016-09-03 02:52:27沈月偉范國(guó)政劉姜玲唐曉斌
        關(guān)鍵詞:方法

        李 鵬,沈月偉,范國(guó)政,劉 民,劉姜玲,唐曉斌

        (1.中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京 100041;2.中國(guó)軟件與技術(shù)服務(wù)股份有限公司,北京 102200)

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        工程與應(yīng)用

        一種預(yù)測(cè)55 GHz以內(nèi)微波雨衰的實(shí)用方法

        李鵬1,沈月偉1,范國(guó)政2,劉民1,劉姜玲1,唐曉斌1

        (1.中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京100041;2.中國(guó)軟件與技術(shù)服務(wù)股份有限公司,北京102200)

        從四份ITU-R P.系列建議書中歸納出一種預(yù)測(cè)55 GHz以內(nèi)微波雨衰的實(shí)用方法。簡(jiǎn)化了雨衰A0.01的計(jì)算步驟;計(jì)算了10 GHz以內(nèi)的關(guān)于極化的系數(shù);給出了部分重點(diǎn)地區(qū)的降雨率和0 ℃等溫線高度的典型值。依據(jù)雨衰A0.01,發(fā)生頻率可外推至99.999%~95%,微波頻率可外推至55 GHz。計(jì)算邏輯清晰完整,易于實(shí)用化編程。

        雨衰預(yù)測(cè);發(fā)生頻率外推;微波頻率外推

        TN927.23

        A

        1673-5692(2016)02-173-05

        0 引 言

        隨著數(shù)字衛(wèi)星通信[1]和星載雷達(dá)[2,3]的廣泛應(yīng)用,電磁波工作頻率普遍升高,波長(zhǎng)隨之減小。當(dāng)波長(zhǎng)和雨滴線度接近時(shí),雨滴會(huì)產(chǎn)生吸收和散射,雨衰效應(yīng)凸顯。雨滴半徑與波長(zhǎng)的比值對(duì)雨衰有著密切的關(guān)系,而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。吸收衰減是雨衰產(chǎn)生的主要影響,大部分表現(xiàn)為熱損耗[4]。

        全球范圍和國(guó)內(nèi)各地的雨滴模型差異很大,故雨衰的預(yù)測(cè)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。目前,幾種計(jì)算方法[5],如Lin、SAM、Crane、Bothias等,存在中間參量指代不明確和更新不及時(shí)等問題,急需一種簡(jiǎn)便、明確且符合實(shí)際應(yīng)用需求的雨衰預(yù)測(cè)方法。

        2013年9月頒布的ITU-R P.618建議書[6]給出了55 GHz以內(nèi)微波雨衰的預(yù)測(cè)方法,但其中某些重要參數(shù)的計(jì)算方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分散在其它三份建議書中,具體包括:ITU-R P.837建議書[7]的降雨率R0.01的全球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù);ITU-R P.838建議書[8]有關(guān)極化的系數(shù)k和α的計(jì)算方法和典型值;ITU-R P.839建議書[9]的降雨高度的計(jì)算方法以及該建議書附件給出的0 ℃等溫線高度的全球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù) (經(jīng)、緯度每1.5°間隔),該參數(shù)直接決定了降雨高度的計(jì)算。因此,欲得到最終的雨衰預(yù)測(cè)結(jié)果,必須整合這四份建議書的相關(guān)內(nèi)容。本文歸納相關(guān)計(jì)算邏輯,簡(jiǎn)化計(jì)算步驟,整理或計(jì)算重要參數(shù)的典型值,形成一種邏輯清晰完整的雨衰預(yù)測(cè)實(shí)用方法,最終編程實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)功能。

        1 雨衰預(yù)測(cè)計(jì)算方法

        1.1傾斜路徑雨衰

        傾斜路徑雨衰如圖1所示。

        圖1 傾斜路徑雨衰的示意圖[6]

        各參數(shù)如下:

        hR為年平均降雨高度 (km);hs為臺(tái)站海拔高度 (km);Ls為斜路徑長(zhǎng)度 (km);θ為發(fā)射仰角。

        定義“平均每年0.01%的時(shí)間超出的雨衰年度值A(chǔ)0.01(dB)”:平均每年99.99%的時(shí)間,雨衰≤A0.01。

        (1)

        其中,降雨特定衰減率γR(dB/km) 由式(2)決定:

        (2)

        根據(jù)ITU-R P.838建議書[8],與極化相關(guān)的系數(shù):

        τ為相對(duì)水平位置的極化斜角(對(duì)于圓極化,τ=45°)。

        1 G~10 GHz的kH、αH、kV和αH典型值如表1。

        表1 kH、αH、kV和αH的典型值(1 G~10 GHz)

        定義“平均每年0.01%的時(shí)間超出的降雨率年度值R0.01(mm/h)”:平均每年99.99%的時(shí)間,降雨率≤R0.01。

        根據(jù)ITU-R P.837建議書[7],全球R0.01分布如圖2所示,部分地區(qū)的R0.01典型值如表2。

        表2 部分地區(qū)的R0.01(mm/h)典型值

        根據(jù)ITU-R P.839建議書[9],全球年平均降雨高度hR(km) 由式(3)決定:

        (3)

        其中,h0為年平均0 ℃等溫線高度(km)。根據(jù)ITU-R P.839建議書附件,全球h0分布如圖3所示,部分地區(qū)的h0典型值可參考表3。

        圖3 全球h0分布[9]

        海域陸地東海及臺(tái)灣島4.8東南沿海5南海及海南島5華中4.7黃海4.7東北3.2中南半島以西5西藏地區(qū)6波斯灣出海口3.8新疆地區(qū)4.5阿拉伯海4.8帕米爾以西5渤海3.5華北3.7

        當(dāng)hR>hs時(shí),斜路徑長(zhǎng)度Ls(km):

        (4)

        其中,Re為地球有效半徑 (km),其典型值可參考Re=8500 km。

        對(duì)于微波頻率為f(GHz)的LR:

        (5)

        其中,

        (6)

        垂直調(diào)節(jié)因子v0.01:

        (7)

        其中,χ由臺(tái)站的地理緯度φ°決定 ,北緯φ°為正,南緯φ°為負(fù):

        (8)

        1.2發(fā)生頻率外推:A0.001~A5

        平均年份的A0.001~A5可由A0.01外推:(即平均每年99.999% ~ 95%的時(shí)間的雨衰上限)

        (9)

        其中,

        (10)

        1.3微波頻率外推:7G~55 GHz雨衰

        若已得到微波頻率f1(GHz)的長(zhǎng)期測(cè)量統(tǒng)計(jì)雨衰A|f1,則相同路徑上微波頻率f2(GHz)的雨衰A|f2可按式(11)外推得到:

        圖4 雨衰預(yù)測(cè)邏輯圖

        (11)

        其中,

        (12)

        2 編程邏輯

        上述預(yù)測(cè)方法采用全解析計(jì)算,邏輯清晰完整,便于編程實(shí)現(xiàn)。其邏輯流程如圖4所示。

        雨衰預(yù)測(cè)的程序?qū)崿F(xiàn)如圖5~圖8。設(shè)定臺(tái)站輻射功率80 dBm,微波頻率2 GHz。

        圖5 選定附加雨衰預(yù)測(cè)功能

        圖6 降雨率分布參考

        圖7 雨衰預(yù)測(cè)

        3 結(jié) 語

        綜合四份ITU-R P. 系列建議書歸納出的雨衰預(yù)測(cè)方法邏輯清晰完整,中間參量指代明確,易于編程實(shí)現(xiàn),是一種實(shí)用化的有效預(yù)測(cè)方法。

        [1]John D. Kraus and Ronald J. Marhefka, Antennas: For All Applications, ThirdEdition, [M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. , 2002.

        [2]Merrill I. Skolnik, Radar Handbook, Third Edition, [M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. , 2008.

        [3]John C. Curlander and Robert N. Mcdonough, Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing, [M]. John Wiley & Sons, Inc., 1991.

        [4](前蘇聯(lián)) 阿爾別爾特Ял著. 袁翊譯. 無線電波傳播和電離層(第二卷). [M]. 人民郵電出版社. 1981.

        [5]G.Brussaard etc. Atmospheric Modelling &Millimeter Wave Propagation. [R]. Eindhoven University of Technology, Netherlands, 1991.

        [6]Radiocommunication Sector of ITU, Recommendation ITU-R P.618-11: Propagation Data and Prediction Methods Required for the Design of Earth-Space Telecommunication Systems. [Electronic Publication]. Geneva, 2013, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

        [7]國(guó)際電聯(lián)無線電通信部門, ITU-R P.837-6建議書: 傳播建模的降水特性. [電子出版]. 日內(nèi)瓦, 2013, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

        [8]國(guó)際電聯(lián)無線電通信部門, ITU-R P.838-3建議書:預(yù)測(cè)方法中使用的雨天衰減的具體模型. [電子出版]. 日內(nèi)瓦, 2005, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en[9]國(guó)際電聯(lián)無線電通信部門, ITU-R P.839-4建議書:預(yù)測(cè)方法使用的降雨高度模型. [電子出版]. 日內(nèi)瓦, 2014, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

        李鵬(1981—),男,北京市人,工程師,主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒荩?/p>

        E-mail: zimao_lp@163.com

        沈月偉(1983—),男,山東省人,工程師,主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)展示技術(shù);

        范國(guó)政(1986—),男,山東省人,工程師,主要研究方向?yàn)檐浖O(shè)計(jì);

        劉民(1972—),男,黑龍江省人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境電磁效應(yīng);

        劉姜玲(1977—),女,江西省人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì);

        唐曉斌(1961—),女,重慶市人,研究員,主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。

        An Applied Method of Predicting Rain Attenuation of Microwave up to 55 GHz

        LI Peng1, SHEN Yue-wei1, FAN Guo-zheng2, LIU Min1, LIU Jiang-ling1, TANG Xiao-bin3

        (1. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China;2. China National Software & Service Co. Ltd., Beijing 102200, China)

        An applied method of predicting rain attenuation of microwave up to 55GHz is extracted from four ITU-R P. Series Recommendations. Calculating steps for rain attenuationA0.01are simplified; coefficients depending on polarization are computed, up to 10GHz; typical values of rainfall rate and 0℃ isotherm height in some significant regions are shown. Derived fromA0.01, extrapolation of occurrence frequency between 99.999%~95% could be available, as well as microwave frequency up to 55GHz. Logic of calculation must be clear, complete, and easy for applied program.

        Predicting Rain Attenuation; Extrapolation of Occurrence Frequency; Extrapolation of Microwave Frequency

        10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.010

        2016-01-09

        2016-03-01

        裝備預(yù)研基金項(xiàng)目支持:基于××采樣的復(fù)雜電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)綜合展示技術(shù)研究(9140A04010115DZ×××××)

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