Ku卫星通信的雨衰特性及在上海地区的补偿机制

宋晓东

摘 要：文章简述了上海地区的气象特点，收集和整理了民航Ku波段卫星网上海区域管制中心历时一年的实际雨衰数据。在现实可行的基础上尝试找出提高系统抗雨衰性能的方法，并在总结结果的基础上提出了进一步研究的方向。

关键词：民航；Ku波段；雨衰特性；上海；雨区估算；雨衰补偿1 上海的地理和降水特征

上海位于北纬31度14分，东经121度29分。正是中国海岸线中心点，守长江口。处于长江三角洲冲积平原前缘，东濒东海，北界长江，南临杭州湾，西与江苏省和浙江省接壤。全境为冲积平原，仅西南部有部分火山岩丘。海拔平均高度在4米左右，地势平坦，山脉少而低小。西部有佘山、天马山等，但高度都在100米以下。上海地区的降水同时兼有普遍性和集中性的特点，既有所处的地理环境所带来的全年降水量比较充沛的现状，也有因为汛期的存在造成降水概率远较其他时期来的大的差别。

2 民航上海区管的Ku卫星站使用

民航Ku波段卫星通信网于2005年底开始建设，于2007年7月正式投产运营。Ku卫星网是中国民航卫星通信网的重要组成部分，为全网状结构，可以实现网中任意两个卫星地球站之间的单跳通信，支持话音、数据广播、甚高频和雷达等多种业务。

图1 卫星传输链路的电平关系图

图1显示的是在一个典型的卫星传输链路中，各个点的相对电平之间的关系。在发射站，地面站通过高功率放大器（High Power Amplifier ，HPA）等一系列设备处理得到一个较强的发射电平信号有效全向辐射功率[Effective Isotropic Radiated Power，EIRP（E）]，通过天线向卫星发射。经过一系列穿越大气层的衰减之后信号传递到了卫星转发器上，此时的接收电平已经很微弱。卫星通过自身的转发器将湮没在噪声中的微弱信号提取出来进行中继放大，重新得到一个较强的发射功率EIRP（S），向目标接收站发射。随后通过同样的穿越大气层的信号衰减之后，地面接收站采用灵敏度极高的低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）同样从噪声中将极其微弱的信号提取出来，并放大还原，至此一次完整的卫星通信宣告完成。

从图中可以看出，大部分的电平损耗集中在上下行链路（图中Lu和Ld的折线）中出现，这其中，降水等引起的信道恶化、来自宇宙空间和大气层内的各种电磁波干扰等都会造成信号电平质量的急速下降。在卫星地球发射站和接收站的性能有限的前提下，提高卫星系统尤其是像Ku波段卫星系统的抗雨衰性能，对于信号质量的保证有着非常明显的作用。

3 雨衰的定义和影响

当电磁波穿越降雨区域时，降雨层会对电磁波产生各个方面的影响，不仅会吸收电磁波的能量，而且还会对电磁波产生散射，以及去极化效应等。这种吸收和散射共同形成了降雨层对电磁波的干扰和衰减作用，统称为雨衰。

这种衰减呈现非选择性能和缓慢的时变特性，是导致信号劣化，影响系统可用性的主要因素，因此雨衰问题也就成为系统设计过程中必须考虑的重要问题。雨衰的大小与雨滴直径与波长的比值有着密切的关系，当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用，当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用，无论是吸收或散射作用，其效果都使电波在传播方向遭受衰减；当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大，一般情况下（比如中短波）电磁波的波长远大于雨滴直径，故衰减很小，C波段信号受雨衰的影响也可以忽略。对于10GHz以上的电磁波，雨衰的影响就非常明显了，在链路计算中必须考虑雨衰的影响。频率越高雨衰的影响越大，大雨和暴雨对电磁波的衰减要比小雨大得多。

除了降雨衰减，降雨产生对电磁波的吸收衰减也会对地面站产生热噪声的影响。这种噪声折算到卫星站接收天线的输入端就会衍化成为天线热噪声。经验表明天线热噪声对接收信号的载噪比会产生很大的影响。这种影响和产生的衰减大小与天线的结构有关。依据历史数据测算，每衰减0.1dB，噪声温度约增加6.7K。而在一般情况下，天线的仰角越高，降雨噪声的影响就相对越小。这是因为电磁波因此穿过降雨的路径较短，相应地衰减量也就小一些。

降雨噪声有如下的定义公式：

Tatm=[1-10E（-R/10）]10E（-W/10）Train

其中，R为雨衰值，单位为dB；W为馈源到低噪声放大器LNB之间的波导损耗值，单位dB；Train为雨的温度，单位为K。从公式中可以看出，在没有雨衰的情况下，噪声温度不增加；在没有波导损耗的情况下，噪声温度只和波导损耗值有关。又由于噪声温度增加将直接影响到接收系统的G/T值，也就是直接影响到接收信号的载噪比，因此对于信号的可用度的影响决不能简单忽视，甚至可以说比降雨衰减更明显。故在进行相关的链路计算时必须考虑其影响。

此外，降雨雨衰还会对电磁波产生去极化作用。所谓去极化的现象也是因为雨滴的吸收和散射作用引起的。一般情况下，当天线仰角大于15度时，交叉极化鉴别度在超过年平均时间的0.1%时可达到27dB；0.01%时为20dB；0.001%时为15dB。

从一些已知的气象和雨衰文献中可以查询到如下数据：上海地区年平均99.9%的可用度条件下，需要调整的雨衰值在4.3dB左右，年平均中断的时长在8.8小时左右，最坏的月份也有2.8小时的中断；如果按照99%的可用度计算，则需要调整的雨衰值为1.35dB，年平均中断的时长会迅速爬升至87.7小时，最坏的月份中断时间也会相应地提高到20.8小时。

4 民航使用的Ku雨衰记录

在上海民航区域管制中心，每个自然日值班人员会在上午10：30对Ku波段卫星网上海区管节点的设备进行巡检工作，巡检内容包括：站点接收主参考节点的接收电平（Rx Lvl）和能噪比（Eb/No）；接收本地站点的接收电平（Rx Lvl）和能噪比（Eb/No）；以及当前的发射电平值（Current Tx Power）。endprint

5 差别及原因推断

表1中的内容详细地记录了从2011年5月至2012年5月初，筛选出了历史气象记录中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku卫星站的工作状况。从表中可以看出，高频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断的春雨和梅雨季节对卫星传输的潜在影响较大的观点。分析这一年的实际巡检记录与常见的雨区估算法发现，两者并不完全吻合。这主要可能的原因有以下几点：

第一，巡检记录来自每日的定时巡检，此时的降雨水平并不能代表当日的整体降雨水平，有可能在巡检当时卫星系统运行状态良好，但到了下午或晚上因为降雨雨量增大而造成卫星系统稳定性下降甚至掉线。

第二，作为气象参考资料的降雨程度比较粗泛，只能反映当天上海全市的大致天气水平，并不能精确到卫星站所在的青浦区的天气水平。可能当天的市区天气降水较少，但位于市郊的区管中心的降水程度要更大一些。

第三，作为雨区估算法的参考资料在不断地更新中，上海所在的雨区卫星可用度表也必须维持在最新状态。气候特点本身这几年来也在逐渐变化中，并不是一成不变的。可用度表的参数也许对最后的结果也产生了一定的偏移。

6 结束语

通过上述论述，可以得到以下的初步结论：

第一，Ku波段卫星网在上海地区的性能表现基本延续了其一贯的特点，在天星口径、信道容量、信号强度等方面相较C波段卫星网有一定的优势；但在抗雨衰方面表现则不如后者，特别是在面对短时突降的雷暴雨天气时，瞬时的信号衰减落差较大，甚至可能在短时间内超过20dB。

第二，上海地区有非常显著的地域性气候特征。主要表现在：气候湿润；全年降水比较平均，没有明显的旱季和雨季的区分，但对卫星传输影响较大的中到大雨则分布地相对比较集中；江南地区的特别气候现象——梅雨季节对于Ku波段卫星网的影响较其他季节要明显，潮湿多雨的梅雨期间更需要持续关注卫星地面站的运行情况，多巡检查看设备和系统链路的运行情况，及早发现可能的各种隐患；在台风多发的季节（6～8月），Ku卫星传输质量相比全年其他时节也显得略差。

常见的雨衰补偿方法主要有设置降雨预备余量，采用纠错编码，采用业务分集技术，频率变换技术，极化方式的选择，采用低噪声高增益的优质高频头（LNB），高品质天线的选择，以及最常见的上下行功率控制等。通过逐一确认和对比，并判断是否适用上海地区的Ku卫星网，初步得到的改进思路如下：根据上海地区的气候特点，在年均降水较多的月份（如针对降水集中和梅雨季节特点明显的6～9月），向网控中心反馈信息，请求提升适度的增益上限，一般可尝试提升3至4dB左右（也可调节发射衰减值相应减小若干个dB），在过了降水集中的这段时间之后再适度将增益值调整回原值，借以提高Ku波段卫星网上海区域的基站对抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，随着气候变暖和温室效应的加剧，整个全球的极端气候发生频率在逐渐增加，这对Ku波段的卫星传输一定会产生影响，包括上海地区在内。以上文提到的ITU-R推荐的雨区估算法为例，其估算法本身也在随着时间的推进逐渐更新数据，现在已经更新了超过10个版本，这就要求抑制雨衰和针对性的补偿技术也要不断与时俱进，不能停留在以前的成果上。

参考文献

[1]车晴，毛志 .Ku波段卫星广播中雨衰现象的研究[J].电波科学学报，1999，14（2）.

[2]蔡敏.Ku波段卫星通信雨衰影响的分析[D].广州：中山大学，2009.

[3]康健，李信，高垣.Ku频段卫星链路降雨衰减特性分析[J].吉林大学学报（信息科学学报），2009，27（4）：354-358.

[4]张俊祥，崔爱红，梁冀生.降雨对卫星链路的影响分析[J].无线电工程，2005，35（12）：11-13.

[5]李黄.利用Ku波段卫星通信雨衰探测大气降水的初步研究[J].遥感学报，2006，10（4）：568-572.

[6]宋丹，曲绍君.民航Ku波段卫星通信站的链路测试及维护[J].价值工程：46-47.

[7]王卫民.提高Ku频段地球站抗雨衰能力的措施[J].现代雷达，2003（4）：45-47.

[8]周艳秋，贾方，李萍.武警卫星通信系统的雨衰估算及分析[J].现代电子技术，2008（13）：44-48.

[9]李琳，王杰.雨衰对Ku波段卫星的影响及消除[J].大众科技，2010（11）：15-16.

[10]王秀琦，曾昭生.雨衰对Ku波段信号的影响及估算[J].广播与电视技术，2000（1）：101-104.endprint

5 差别及原因推断

表1中的内容详细地记录了从2011年5月至2012年5月初，筛选出了历史气象记录中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku卫星站的工作状况。从表中可以看出，高频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断的春雨和梅雨季节对卫星传输的潜在影响较大的观点。分析这一年的实际巡检记录与常见的雨区估算法发现，两者并不完全吻合。这主要可能的原因有以下几点：

第一，巡检记录来自每日的定时巡检，此时的降雨水平并不能代表当日的整体降雨水平，有可能在巡检当时卫星系统运行状态良好，但到了下午或晚上因为降雨雨量增大而造成卫星系统稳定性下降甚至掉线。

第二，作为气象参考资料的降雨程度比较粗泛，只能反映当天上海全市的大致天气水平，并不能精确到卫星站所在的青浦区的天气水平。可能当天的市区天气降水较少，但位于市郊的区管中心的降水程度要更大一些。

第三，作为雨区估算法的参考资料在不断地更新中，上海所在的雨区卫星可用度表也必须维持在最新状态。气候特点本身这几年来也在逐渐变化中，并不是一成不变的。可用度表的参数也许对最后的结果也产生了一定的偏移。

6 结束语

通过上述论述，可以得到以下的初步结论：

第一，Ku波段卫星网在上海地区的性能表现基本延续了其一贯的特点，在天星口径、信道容量、信号强度等方面相较C波段卫星网有一定的优势；但在抗雨衰方面表现则不如后者，特别是在面对短时突降的雷暴雨天气时，瞬时的信号衰减落差较大，甚至可能在短时间内超过20dB。

第二，上海地区有非常显著的地域性气候特征。主要表现在：气候湿润；全年降水比较平均，没有明显的旱季和雨季的区分，但对卫星传输影响较大的中到大雨则分布地相对比较集中；江南地区的特别气候现象——梅雨季节对于Ku波段卫星网的影响较其他季节要明显，潮湿多雨的梅雨期间更需要持续关注卫星地面站的运行情况，多巡检查看设备和系统链路的运行情况，及早发现可能的各种隐患；在台风多发的季节（6～8月），Ku卫星传输质量相比全年其他时节也显得略差。

常见的雨衰补偿方法主要有设置降雨预备余量，采用纠错编码，采用业务分集技术，频率变换技术，极化方式的选择，采用低噪声高增益的优质高频头（LNB），高品质天线的选择，以及最常见的上下行功率控制等。通过逐一确认和对比，并判断是否适用上海地区的Ku卫星网，初步得到的改进思路如下：根据上海地区的气候特点，在年均降水较多的月份（如针对降水集中和梅雨季节特点明显的6～9月），向网控中心反馈信息，请求提升适度的增益上限，一般可尝试提升3至4dB左右（也可调节发射衰减值相应减小若干个dB），在过了降水集中的这段时间之后再适度将增益值调整回原值，借以提高Ku波段卫星网上海区域的基站对抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，随着气候变暖和温室效应的加剧，整个全球的极端气候发生频率在逐渐增加，这对Ku波段的卫星传输一定会产生影响，包括上海地区在内。以上文提到的ITU-R推荐的雨区估算法为例，其估算法本身也在随着时间的推进逐渐更新数据，现在已经更新了超过10个版本，这就要求抑制雨衰和针对性的补偿技术也要不断与时俱进，不能停留在以前的成果上。

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[6]宋丹，曲绍君.民航Ku波段卫星通信站的链路测试及维护[J].价值工程：46-47.

[7]王卫民.提高Ku频段地球站抗雨衰能力的措施[J].现代雷达，2003（4）：45-47.

[8]周艳秋，贾方，李萍.武警卫星通信系统的雨衰估算及分析[J].现代电子技术，2008（13）：44-48.

[9]李琳，王杰.雨衰对Ku波段卫星的影响及消除[J].大众科技，2010（11）：15-16.

[10]王秀琦，曾昭生.雨衰对Ku波段信号的影响及估算[J].广播与电视技术，2000（1）：101-104.endprint

5 差别及原因推断

表1中的内容详细地记录了从2011年5月至2012年5月初，筛选出了历史气象记录中降水程度中雨或以上的日期，以及那些天里Ku卫星站的工作状况。从表中可以看出，高频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断的春雨和梅雨季节对卫星传输的潜在影响较大的观点。分析这一年的实际巡检记录与常见的雨区估算法发现，两者并不完全吻合。这主要可能的原因有以下几点：

第一，巡检记录来自每日的定时巡检，此时的降雨水平并不能代表当日的整体降雨水平，有可能在巡检当时卫星系统运行状态良好，但到了下午或晚上因为降雨雨量增大而造成卫星系统稳定性下降甚至掉线。

第二，作为气象参考资料的降雨程度比较粗泛，只能反映当天上海全市的大致天气水平，并不能精确到卫星站所在的青浦区的天气水平。可能当天的市区天气降水较少，但位于市郊的区管中心的降水程度要更大一些。

第三，作为雨区估算法的参考资料在不断地更新中，上海所在的雨区卫星可用度表也必须维持在最新状态。气候特点本身这几年来也在逐渐变化中，并不是一成不变的。可用度表的参数也许对最后的结果也产生了一定的偏移。

6 结束语

通过上述论述，可以得到以下的初步结论：

第一，Ku波段卫星网在上海地区的性能表现基本延续了其一贯的特点，在天星口径、信道容量、信号强度等方面相较C波段卫星网有一定的优势；但在抗雨衰方面表现则不如后者，特别是在面对短时突降的雷暴雨天气时，瞬时的信号衰减落差较大，甚至可能在短时间内超过20dB。

第二，上海地区有非常显著的地域性气候特征。主要表现在：气候湿润；全年降水比较平均，没有明显的旱季和雨季的区分，但对卫星传输影响较大的中到大雨则分布地相对比较集中；江南地区的特别气候现象——梅雨季节对于Ku波段卫星网的影响较其他季节要明显，潮湿多雨的梅雨期间更需要持续关注卫星地面站的运行情况，多巡检查看设备和系统链路的运行情况，及早发现可能的各种隐患；在台风多发的季节（6～8月），Ku卫星传输质量相比全年其他时节也显得略差。

常见的雨衰补偿方法主要有设置降雨预备余量，采用纠错编码，采用业务分集技术，频率变换技术，极化方式的选择，采用低噪声高增益的优质高频头（LNB），高品质天线的选择，以及最常见的上下行功率控制等。通过逐一确认和对比，并判断是否适用上海地区的Ku卫星网，初步得到的改进思路如下：根据上海地区的气候特点，在年均降水较多的月份（如针对降水集中和梅雨季节特点明显的6～9月），向网控中心反馈信息，请求提升适度的增益上限，一般可尝试提升3至4dB左右（也可调节发射衰减值相应减小若干个dB），在过了降水集中的这段时间之后再适度将增益值调整回原值，借以提高Ku波段卫星网上海区域的基站对抗雨衰的性能。

此外，需要指出的是，随着气候变暖和温室效应的加剧，整个全球的极端气候发生频率在逐渐增加，这对Ku波段的卫星传输一定会产生影响，包括上海地区在内。以上文提到的ITU-R推荐的雨区估算法为例，其估算法本身也在随着时间的推进逐渐更新数据，现在已经更新了超过10个版本，这就要求抑制雨衰和针对性的补偿技术也要不断与时俱进，不能停留在以前的成果上。

参考文献

[1]车晴，毛志 .Ku波段卫星广播中雨衰现象的研究[J].电波科学学报，1999，14（2）.

[2]蔡敏.Ku波段卫星通信雨衰影响的分析[D].广州：中山大学，2009.

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[7]王卫民.提高Ku频段地球站抗雨衰能力的措施[J].现代雷达，2003（4）：45-47.

[8]周艳秋，贾方，李萍.武警卫星通信系统的雨衰估算及分析[J].现代电子技术，2008（13）：44-48.

[9]李琳，王杰.雨衰对Ku波段卫星的影响及消除[J].大众科技，2010（11）：15-16.

[10]王秀琦，曾昭生.雨衰对Ku波段信号的影响及估算[J].广播与电视技术，2000（1）：101-104.endprint