水利卫星通信对星指向数据计算及应用

张建刚，祝 明

（水利部水文局，北京 100053）

0 引言

经过 10 多 a 的努力，2007 年水利卫星通信网的建设基本完成，实现了语音、数据、图像传输的防汛通信，可承担水雨情数据报汛、防汛异地会商、应急抢险机动通信、云图和遥感数据广播等重要防汛通信任务[1]。

针对水利通信网的卫星转发器、主站及相关设备大多面临老化的问题，2009 年水利部进行了更替改造工作，改造后的新一代水利卫星通信平台已于2012 年正式投入运行[2]。

1 水利卫星通信简介

新一代水利卫星通信平台卫星资源性能优良，主站技术先进，服务范围和业务应用更加全面，卫星小站建设和运维成本大幅降低，可靠性和功能更强大，更加适用应急通信、“两小”治理、水文测报、数据广播、异地会商和视频监控等领域的应用。依托新一代水利卫星通信平台，已入网卫星小站 487 个，其中固定站入网 467 个，移动站入网 20个，已经发挥了良好的减灾效益（数据截止至 2013年 1 月 31 日）。

1.1 水利卫星通信的特点

卫星通信是在地面微波通信和空间技术的基础上发展起来的[3]。与电缆、微波中继、光纤、移动通信等通信方式相比，水利卫星通信具有下列特点[4]：

1）覆盖区域大，通信距离远。几乎覆盖全国（包括各个特区），建站不受地理位置和地面距离及地形地貌的限制。

2）具有多址联接功能。水利卫星通信常用的多址联接方式有频分、时分、码分多和空分等多址联接，另外频率再用技术亦是一种多址方式。

3）灵活机动。水利卫星通信灵活机动的特点，使其在应急抢险中发挥了巨大作用，如在汶川地震、舟曲泥石泥、卢山地震时均发挥了巨大作用。

4）容量大，频段宽。卫星通信频率是 1～10 GHz频段，水利卫星通信主要选择 Ku 和 C 频段资源。

5）质量好，可靠性高。水利卫星通信的电波主要在自由空间传播，噪声小，通信质量好。就可靠性而言，卫星通信的正常运转率达 99.8% 以上。

6）成本与距离无关。水利卫星通信的地球站至卫星转发器之间靠微波进行传输，运行成本与距离无关，无需额外投资[4]。

由于水利卫星通信中继站建立在太空中，故存在以下一些不足之处：

1）传输线路有时延现象。由于地面站到卫星中继站的距离最大可达 4×104km，电磁波以光速（3×105km/s）传输，这样，利用卫星通信打电话，由于 2 个站的用户都要经过卫星，打电话者要听到对方的回答必须额外等待 0.54 s[5]。

2）线路有回声干扰。地面站到卫星中继站再到接收地球站来回转播需 0.54 s，产生“回声效应”。

3）存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。由于水利通信的特殊性，在雨大风急时必须建立通信链路，所以对雨衰现象应留有足够发射功率余量。

1.2 水利卫星通信系统组成

卫星通信系统由地球通信站、跟踪遥测及指令分系统、空间分系统和监控管理分系统等 4 大部分组成[6]。空间分系统指通信卫星，主要由天线、通信（转发器）、遥测与指令、控制和电源等分系统组成[7]，通信卫星信号处理单元如图 1 中虚线框部分所示。

水利卫星通信系统一般包括若干通信地球站，通过发射站、卫星转发器、接收站组成完整的卫星通信线路，直接用于通信。

1.3 水利卫星通信主站结构

水利部新一代的宽带卫星通信主站平台，采用美国 iDirect 公司的产品。iDirect 系统基于标准 IP 协议平台，实现 IP 技术与卫星通信技术的深层融合。与传统的支持 IP 协议的卫星系统相比，实现了系统和带宽资源的优化配置，系统内部提供 TCP/IP 协议加速，协议优化，链路加密和 QoS；系统支持的上行速率可以从 64 kbps 扩展到 8 Mbps，下行速率可以从 64 kbps 扩展到 45 Mbps，支持多入向载波，也支持多个独立网络共用主站基带设备的应用方式。

目前水利部具有 22.2 MHz 带宽的 Ku 波段和 5 MHz 带宽的 C 波段资源，新平台采用 Ku＋C 波段组网，共同组建 DVB-S2 网络，在雨衰较大地区采用 C 波段卫星小站以减小雨衰影响。主站的出向基带信号分别通过 Ku 和 C 波段射频单元及卫星天线同时上星。C 和 Ku 波段的小站分别通过各自的主站天线回传信号，在主站基带部分统一处理，水利卫星主站网络结构示意图如图 2 所示。

图2 水利卫星主站网络结构示意图

2 水利通信卫星对星指向数据计算

2.1 方位角、仰角和极化角的计算 [8]

为使用好水利空间卫星资源，在卫星通信地球站的设置、建立、开通和使用过程中，天线波束中心须对准卫星，为此必须知道天线波束中心和所要对准卫星的方位角 φa和仰角 φe，示意图如图 3 所示。

图3 方位角、仰角示意图

同步通信卫星与地面站的关系如图 4 所示。其中，地球站的经、纬度分别为 φ1和 θ1，同步通信卫星 S 的星下点 S' 的经度为 φ2。

将同步通信卫星与地球站关系图中的几何关系进行分解，标示在平面图中，分解图如图 5 所示（其中 A 点为地球站所在地点、B 点为经地球站 A点所在经线与赤道的交叉点）。

图4 同步通信卫星与地球站的关系图

图5 同步通信卫星与地球站的几何关系分解图

根据文献 8 的介绍，地球站仰角计算公式为

地球站方位角计算公式为

注意，利用式（2）求出的是以正南方向为基准的方位角，按规定地球站天线的方位角都是按正北方向为基准的。因此，位于北半球的地球站天线的实际方位角 φ 可按下述方法求得：

在卫星通信中除了卫星的方位角和仰角外，还有 1 项重要指标，即极化角 φp，极化角是指由于接收者所在位置与卫星所在地经度差加大及地球曲率的影响，而使天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。小口径天线的极化角调整尤其重要，甚至关系到能否对星成功。极化角示意图如图 6 所示。

图6 极化角示意图

地球站极化角计算公式为

调整极化角的目的在于使接收天线与卫星极化良好匹配，高效率地接收微弱的卫星信号。当计算结果为负值时，表示接收的是南偏西的卫星，此时馈源应逆时针旋转（人面对天线接收面调整）；极化角为正值时，表示接收的是南偏东的卫星，馈源应顺时针旋转。

由公式（1）～（3）可知，对于 1 个已知的卫星，只要知道地球站所处经、纬度，就可以求出仰角、方位角及极化角值。

2.2 地球站对星指向表

为方便广大水利系统技术人员使用卫星，在全国范围内选取了部分省会城市或典型地点进行卫星指向计算，使用亚洲 Ⅴ 号通信卫星[9]Ku 波段和亚太 VI号通信卫星[10]C 波段的卫星小站可分别参照表 1 相应通信卫星对星指向表进行对星。

地球站天线的实际方位角 φ 值为正时，地球站对星为南偏西；实际方位角 φ 为负时，地球站对星为南偏东。

3 地球站对星工作注意事项

根据水利部卫星应用小站建设情况，在卫星地球站建设及对星工作中需要考虑以下几点内容：

1）卫星天线的选址。要考虑以下基本环境条件和安全保障，a）卫星天线指向应开阔，无遮挡，一般要求以天线基点为参考，对障碍物最高点所成的夹角小于以上对星仰角角度；b）查看附近有无微波站、差转台、雷达站和高压线等，应尽量避开这些干扰源；c）对装在高楼顶的天线基础设施（处在风口区）做好承重及防风工作（满足 8 级大风能工作，12 级大风不毁坏）。须根据建站地磁偏角进行修正，在全国范围内选取的部分典型地点的磁偏角如表 2 所示。

表1 亚洲 V 号和亚太 VI 号通信卫星对星指向表

4）防雷接地。在多雷雨地区，卫星天线的架设位置应避开雷击多发地点，同时要采取多种避雷措施以防雷击，如安装避雷针，避雷针的接地应良好，接地电阻应小于 4 Ω[12]。如处理不好，卫星系统就可能引雷入室，造成设备损害，如水利部原有卫星平台中的广东省飞来峡水利枢纽工程中的卫星小站就因为防雷接地系统遭到破坏而多次受到雷击。

4 结语

2）天线的安装注意事项。按厂家提供的结构图安装，除调整机构部分，其余紧固件锁定牢固。完成天线安装后，高频头、馈源、BUC（变频器组件）等与电缆联接处应做好防水处理。

3）磁偏角修正[11]。磁偏角指地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。本文在进行对星方位角计算时并未考虑磁偏角影响，在实际对星中必

根据水利部拥有的亚洲 Ⅴ 号和亚太 VI 号 2 颗通信卫星指向数据计算结果，并结合十余年的建设经验和防汛抗旱指挥系统二期工程建设需求，介绍的卫星地球站对星工作中的关键注意事项，可使水利技术人员有效利用新一代水利卫星通信平台，完成防汛通信任务，提高抗灾救灾能力和信息化水平，确保重要信息的传递。

目前卫星通信在水利系统得到较多的应用支持，发挥了良好的作用，但在卫星通信系统建设中，建站环境、天线基础、对星指向、极化调整、防雷接地等均是重要的基础工作，一旦建站完成，施工人员撤除后，这些设施再行调整的难度很大，所以在建站时一定要考虑周全，将工作做到位，以免留下后患。

表2 各地的磁偏角表

[1] 丁军，高广利，张为. 水利卫星通信系统存在问题与需求分析[J]. 卫星与网络，2010 (增刊 1): 1-2.

[2] 水利部水利信息中心,北京金水信息技术发展有限公司. 防汛通信卫星转发器更替可行性研究报告[R]. 北京：国家防汛指挥系统项目办，2007: 1-2.

[3] 郭庆，王振永，顾学迈. 卫星通信系统[M]. 北京：电子工业出版社，2010: 5-12.

[4] 梁炎. IP 组播可靠性技术在卫星通信 VSAT 系统中的应用研究[D]. 上海交通大学，2004: 19-20.

[5] 何学民. 浅谈卫星通信技术[J]. 黑龙江科技信息，2011 (9):1-2.

[6] 李亚中，张建刚，刘庆涛. 新一代水利卫星通信空间资源介绍[J]. 水利信息化，2012 (5): 44-48.

[7] 郭新波. 卫星通信地球站软件版权保护模块设计与实现[D]. 南京邮电大学，2010: 4-5.

[8] 林培通. 卫星接收极化角计算公式的推导[J]. 宁德师专学报，2004 (4): 400-412.

[9] 亚洲卫星有限公司. AsiaSat 5 号卫星 [EB/OL]. [2013-03-20]. http://www.asiasat.com/asiasat/index.php.

[10] 亚太卫星公司. 亚太 6 号卫星[EB/OL]. [2013-03-20].http://www.apstar.com/chinese/apt_company/index.asp.

[11] 地磁偏角[EB/OL].[2013-03-20].http://baike.baidu.com/view/358662.htm.

[12] 国家技术监督局，中华人民共和国建设部. GB50174—93 电子计算机机房设计规范. 北京：中华人民共和国建设部，1993: 11-14.