掌握日凌规律 完善卫星通信发稿流程

文｜吴丽华

日凌，是一种天文现象。每年春分和秋分节气前后光顾地球，两次日凌时间达90天，对卫星产生严重干扰，有时卫星通信完全中断。在此期间，卫星用户接收信号时常受到干扰，投诉和技术咨询大量增加。卫星通信技术人员全面掌握日凌发生、形成以及何时到来的规律，向用户提前预报，并提供全面详细的技术咨询服务，减小日凌带来的负面影响，完善发稿流程，显得尤为重要。

日凌的发生

1. 什么是日凌

每年春分、秋分时，太阳距离地球最近，太阳直射赤道，太阳发出的电磁波对地球的辐射最强烈，这一现象就是天文学上的日凌，在卫星通信领域就叫日凌中断。由于通信卫星大多定位于赤道上空，春分秋分时，卫星运行到太阳和地球之间，并同处一条直线上，卫星接收站的天线对准卫星的同时也对准太阳，太阳强大的电磁波信号会使卫星信号的接收干扰或中断，严重时甚至损坏接收设备。

2. 日凌的形成

图1-地球自转公转示意图

日凌形成的条件是太阳、卫星、地球三者成一条直线。地球距太阳约1.5亿公里，卫星距地面36000公里，卫星与太阳的距离是与地面距离的4000多倍。地球的半径为6400公里，而太阳的半径为696342公里，是地球半径的108倍。悬殊的体积、距离差距以及地球的自转公转关系，日凌导致只发生在春分和秋分前后，并会持续一段时间。如图1所示，地球绕地轴自转一周需23小时56分4秒，同时，地球绕着太阳公转一周需365天6小时9分10秒。地球自转轨道面与公转轨道面形成23°26′的黄赤交角。由于黄赤交角的存在，地球才有春夏秋冬，因春分（3月21日）秋分（9月23日）前后一段时间，太阳离地球最近，太阳直射赤道。在静止卫星星下点进入当地中午前后的一段时间里，发生日凌。

3. 日凌的时间

日凌发生在春分、秋分前后的46天之内。当太阳的入射角度与天线的轴线平行时发生日凌，这时卫星信号受到干扰。由于太阳相对地球来说大很多，因此太阳直射地球赤道区域的时间较长，那么日凌的持续时间也就较长，每次都达四十六天。太阳一年直射赤道两次，因此日凌一年发生2次，分别在春分、秋分前后。即春分前二十多天开始，北半球开始发生日凌，春分后，南半球开始日凌。秋分前二十多天，南半球开始进入日凌期，秋分后，北半球开始日凌期。对我国的大部分地区来说，一年2次，每次持续10天左右，每天发生在10时至16时之间，时间10分钟左右，最长可达20多分钟。

影响日凌的几个因素

1. 卫星位置因素

对同一接收地点，经度越东的卫星，日凌发生越早，逐步影响到经度越西的卫星。太阳、地球和经度越东的卫星最早形成直线，形成日凌。对同一个地方，同时有多个接收天线分别对准多颗卫星，肯定是对准经度靠东卫星的接收天线先受到影响。

2. 纬度因素

纬度影响日凌开始结束的时间。春分时，对北半球而言，纬度越高，则日凌开始和结束的时间越早。对南半球而言，纬度越高，则日凌开始和结束的时间越晚。春分时前二十多天，太阳从南至北向赤道移动，太阳、卫星和北半球形成直线，直射高纬度地区，再由高到中直至低纬度地区，北半球处于日凌期。春分后二十多天，当太阳从赤道向北移动时，太阳、卫星和南半球形成直线，直射低纬度地区，再由低到中至高纬度地区形成直线，南半球处于日凌期。秋分前后太阳由北向南穿过赤道。秋分时，对南半球而言，纬度越高，则日凌开始和结束的时间越早。对北半球而言，纬度越高，则日凌开始和结束的时间越晚。对同一经度的地球站，纬度每相差3度左右，则日凌开始和结束的时间就相差一天。

3. 经度的因素

经度影响每天日凌开始和结束的时间。地球的自转影响了日凌开始和结束的时间。地球站的经度越往西，则每天日凌开始和结束的时间越早；经度越往东，则每天日凌开始和结束的时间越晚。由于地球自转的原因，每天的日凌区域为自西向东移动，因为地求自转，太阳相对于地球自东向西移动，太阳、卫星先和经度西的地域形成直射关系。如果两地纬度一样，那么经度每相差2度，则两地日凌开始及结束的时间相差1分钟。

4. 接收天线因素

日凌与接收天线的电气特性密切相关。对一个地面接收站来讲，日凌的时间从太阳进入其3dB波束宽度开始，至太阳离开3dB波束宽度结束。

其中，λ为波长，c为光速，f为天线接收频率，D为天线直径。

从上式可以看出，3dB波束宽度与天线口径和天线接收频率有关，成反比。天线口径越大，3dB波束宽度越窄，日凌时间越短。如口径3.7米的C波段天线3dB波束宽度为1.4度，2.4米的C波段天线3dB波束宽度为2.2度，地球每分钟转0.25度，则2.4米天线的日凌持续时间比3.7米天线长约3分钟。也与接收频率有关，KU频段的3dB带宽就比C波段的3dB带宽窄，KU频段就比C频段的日凌时间短。以2.4米天线为例，KU频段的3dB波束带宽为0.7度，C频段的3dB波束带宽为2.2度。地球每分钟转0.25度，则C波段比KU波段的日凌时间长6分钟。

日凌的计算

学会计算日凌时间才能精准地向用户通告日凌时间，可使用户提前了解受干扰的时间，做到心中有数。

1. 如何计算日凌时间

图2 卫星日凌期计算图

如图2所示，令P点为卫星地面接收站站址，K1为地面站所在的经度，∠POK1＝Φ为该站纬度。赤道上静止卫星为S。K2为星下点，地心为O，星下点经度为K2°。则：星下点经度与地面站址经度差|Δλ|＝|K1°－K2°|。

OS为地心与卫星距离，OS＝42164.177km，

R1为赤道半径 R1＝6378.137km

R2为极半径 R2＝6356.725km，

则平均半径R3 R3＝（2R1＋R2）/3＝6371.008km

过P点作PD垂直赤道平面交OK1于D点，再用DD″⊥OS和PD′⊥PD，则可见矩形PDD″D′。

过地心作OS′平行于D′S，设∠SOS′＝A。

过地心作OS″平行于DS，设∠SOS″＝B。

当地球自转和公转能同时满足下列两个条件时，卫星地面站接收站将发生日凌。 （1）太阳光线S″O与DS平行并与OS夹角为B。

太阳光线S′O与D′S平行并与OS夹角为A。

根据图2卫星日凌期计算图所示，运用立体几何定律可得A、B计算公式如下：

A＝tg－1［sinΦ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

B＝tg－1［cosΦsinΔλ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

B值确定发生日凌时太阳光直射经度位置M1， M1=K2+B

B＞0时M1＞K2， M=M1 开始，M=K2 结束。

B＜0时M1＜K2， M=K2开始，M=M1 结束。

某地发生日凌的时间可用下式换算：

T1＝12.00－（M－M0）×4 （分）M=M1开始，M=K2，结束

M0为某地授时经度线值，当M1＞M0时为午前，M1＜M0时为午后，M1＝M0时为正午12点。

A值确定发生日凌时太阳光直射纬度位置M2，若M 2在春（秋）分前后45天里的平均南北移动角速度为ω＝0.3853815°/天，则每年两次日凌时间：

T2＝春（秋）分（）日（）时（）分－（＋）A/ω天

B值一天一次，A值一年共两次，计算出T2值是日凌持续时间最长的一天，前后连续发生2～3天，每天的时间由T1决定。

2. 日凌日期计算实例

以中星10号卫星（110.5°E），选取北京做一实例计算，计算2012年的秋分时的日凌时间。2012年秋分日为9月22日。

A＝tg－1［sinΦ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

T2＝春（秋）分（）日（）时（）分 ±A/ω天

北京： 116.3°E，39.55°N，Δλ=K1-K2=116.3°-110.5°=5.8°。选用北京时间，查表得北京时间属于东8区，授时经度线为120°。

A=tg－1［sin39.92°/（6.6181328－cos 39.92°cos(116.46°-110.5°)]

=tg-1[sin39.92°/（6.6181328－cos 39.92°cos(116.46°-110.5°)]

=tg-1[0.641717/(6.6181-0.7669*0.9945)]

=tg-1[0.109594]

=6.25°

T2=秋分+6.25°/0.3853815°=秋分+16.23天，

B＝tg－1［cosΦsinΔλ/（6.6181328－cosΦcosΔλ）］

=tg－1[(cos39.92°sin(-6)°)/(6.6181328-cos39.92°cos(-6)°]

=tg-1[-0.771×0.101)/(6.6181328-0.771×0.9945)]

=tg-1[-0.08/5.851]

=tg-1(-0.01367)

=-0.78°

因B<0，所以M1

T1＝12:00－（M1－M0）×4 （分）M1=K2+B，结束；M1=K2，开始。

结束:T1=12:00-(K2+B-120°)×4=12:00-(110.5-0.78-120)×4=12:00+41.12分=12时41分7秒

开始：T1=12:00-(110.5-120)×4=12:00+9.5×4=12时38分

持续时间：T1（结束）-T1（开始）=3分7秒

图3-鑫诺卫星公司网站日凌计算结果截屏图

9月22日为2012年的秋分日，则10月8日为日凌持续时间最长的一天，以此为中心点，前后持续8天左右。在鑫诺卫星公司网站提供的日凌在线计算程序验证：北京的日凌时间为10月4日-12日，最强日凌日为10月8日、与上述计算基本一致(详见图3-鑫诺卫星公司网站日凌计算结果截屏图)。持续时间与网站提供的计算工具有出入，是由于上述公式为一粗略估算公式，日凌与地理位置，信号电平，数据格式、天线尺寸、指向精确度、接收站电气性能等因素都有关系，计算起来比较复杂，也没有必要。卫星通信工程技术人员只要懂得原理即可，现在卫星公司一般会在官网站上提供在线日凌计算界面，个人输入相关参数，日凌数据就直接在界面上显示，非常方便，是技术人员的得力工具和助手。

如何应对日凌的影响

1. 积极谋划卫星通信，减小日凌的影响

日凌是一种自然现象，不可避免，在工作中尽量消除减小它的影响，是我们可以争取的。重要稿件的播发力争避开日凌时段。如工作确实需要，又实在难以避开，在主用卫星处于日凌期时，需使用另一颗卫星。如每年的两会期，正好也是我国大部分地区的春季日凌期。如中央电视台2001年两会直播，当中央电视台使用的“亚洲一号”卫星发生日凌时，北京电视台的“亚洲2号”卫星承担起直播重任（亚洲1号，东经105.5°。亚洲2号100.5°。亚洲1号先发生日凌，正好利用了日凌发作的时间差）。也可以切换不同的地面接收天线，因为不同经、纬度日凌发生的时间不同，当然在可能的范围内，两个地面接收站要尽量隔开，以彻底避开日凌。

图4-INTELSAT-904星北京春分日凌计算截图

图5-INTELSAT-904北京春分日凌计算结果

2. 积极做好日凌期的用户服务

技术人员应在日凌发生前数日，以通知形式下发用户，及时通报用户日凌开始和结束的时间，引起用户重视，做好用户服务工作。现在基本每个卫星公司的网站上都提供日凌计算工具。技术人员可登录网站进行计算。以国际卫星公司IS-904星（60°E）北京接收端为例。登录：http://www.intelsat.com，在Tools&ResourcesSatellite Data&ToolsSun Interference Calculator界面下计算，计算结果可原界面打印，也可存为PDF、EXCEL文件。图4为计算截图，图5为日凌计算结果截图。

日凌现象的利用

日凌对卫星通信会形成干扰，但对此现象加以利用，会有意想不到的效果。在卫星地面站选址时，对前面高楼、大树、烟囱等是否形成遮挡难以确定，可在日凌期间观测前方的建筑物、大树是否对选址地形成阴影来加以确定。还可实现简易调星。在日凌时刻调星，调整天线方位角、俯仰角，使高频头的影子落到天线中心即可。