日凌干扰影响定量预报的一种实现方法

+ 刘衍俊　　　中国卫通集团有限公司

日凌干扰影响定量预报的一种实现方法

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对于同步卫星通信网络而言，每年春分/秋分前后的日凌干扰是无法回避的问题。本文提出了一种对日凌干扰引起的接收系统噪声温度增量进行定量预报的方法，并与实际测试结果进行比对，分析了误差来源。

日凌干扰定量预报误差分析

1　、引言

目前卫星公司提供的日凌预报（如官方网站上计算工具）多为定性预报，即通过预测春分/秋分前后日期的太阳在地球坐标系中的位置，计算具体站点的对星指向与对日指向的偏角，从而得出可能发生日凌干扰的具体日期，以及日凌干扰发生日期的日凌干扰“最大时刻”、“开始时间”、“结束时间”。

其中，日凌干扰“最大时刻”通常是指对星指向与对日指向在赤道平面上的投影重合的时刻，而日凌干扰“开始时间”、“结束时间”则采用这两个指向之间的偏角与接收天线半功率角度达到某一数值关系作为判断条件。

上述日凌干扰定性预报方法在实际使用过程中，与用户实际观察到的通信中断时间存在不一致的情况。其主要原因是：对星指向与对日指向的几何关系只能定性地说明日凌干扰的影响，而无法定量地反映日凌干扰对接收C/N的影响，所以提供的日凌“开始时间”和“结束时间”与用户的实际感受经常出现一定的差异。

由于日凌干扰对地球站接收质量的影响本质上是增加地球站接收系统噪声温度，因此本文提出了一种对日凌干扰影响进行定量预报的方法，即通过预测具体时刻的日凌干扰引起的地球站接收系统噪声温度增量（以下简称Tsun），计算地球站C/Nd（下行C/N）的下降量：Δ［C/Nd］ = 10*log（（Tsun+Te）/Te），其中Te为不考虑日凌干扰影响时的地球站接收系统等效噪声温度。

用户可以根据具体站点C/Nd对接收质量（Eb/ No）的影响程度，来判断对应最低Eb/No工作点的日凌干扰“开始时间”、“结束时间”。

说明：日凌干扰只影响C/Nd（下行C/N），对接收质量的影响程度受其他因素制约。对大天线接收（例如中星10号卫星C波段主覆盖区的C波段13米天线），正常工作时C/Nd比总C/N高10dB以上，因此同样的Tsun对接收质量的影响较小，但由于C波段13米天线的Tsun峰值很大，对接收质量的影响也不可忽略，只是持续时间较短；对小天线接收（例如中星10号卫星C波段主覆盖区的C波段2.4米天线），C/Nd对总C/N影响很大，同样的Tsun对接收质量的影响很大，因此尽管C波段2.4米天线的Tsun峰值比C波段13米天线低很多，对接收质量的影响也很大，持续时间更长。

2　、日凌干扰影响的定量预报方法

下文以笔者于2016年3月3日进行实际测试验证的一面C波段13米天线为例。

（1）第一步：计算可能超过预设Tsun目标的日期列表：

（下表对应预设Tsun目标为675K，在Te取75K时Δ［C/Nd］=10dB）

Antenna Diameter = 13.00m Rcv Frequency = ------GHz SAT Longitude = 110.5 Station Longitude = ------Station Latitude = -------AZ0 = ------EL = ------POL = ------Beijing Time Entry Time Peak Time Exit Time Period（Minute）2016-03-03 12∶51∶45 12∶53∶15 12∶54∶45 3.00 2016-03-04 12∶50∶49 12∶53∶03 12∶55∶17 4.47 2016-03-05 12∶51∶06 12∶52∶49 12∶54∶32 3.43

说明：在计算过程中需要计算太阳在地球坐标系中的位置相关参数（等效纬度、经度修正值）。

为了简化计算，在定性预报时可能会直接采用某一固定时刻的参数来推算日凌干扰影响峰值时刻和最小偏角，这样会由于没有考虑同一日内不同时间等效纬度、经度修正值有变化的因素，从而导致峰值时刻计算有几秒～十几秒左右的误差（误差大小与站点纬度有关），最小偏角的误差可能达到0.3度（与实际峰值时刻和采用的固定时刻差值有关），在天线主瓣宽度不是远大于这个误差时，这种误差将对日凌干扰定量预报结果产生很大影响。

本文中采用了最小偏角搜索法，以最小偏角对应的时刻作为峰值时刻，相应的需要进行搜索计算（通过优化算法来解决运行时间问题）。

下一步的工作为针对第一步中产生的日期列表逐日计算（以2016年3月4日为例）：

（2）第二步：计算日凌干扰的指向偏角的时间曲线（见图1）

在定性预报时一般采用地日连线和地星连线在赤道平面和卫星经度面上投影的差角来进行计算，但此方法不方便分析地球站天线指向偏差（基于方位AZ/仰角EL）的影响，因此本文采用分析地日连线和地星连线的AZ/EL的偏角，来计算日凌干扰的指向偏角。

需要说明的是，在不同EL，AZ偏角对指向偏角的影响程度是不一样的。

（3）第三步：计算日凌干扰的指向损耗的时间曲线（见图2）

天线方向图模板选用《ITU RR2012-Vol-II》附录8（WRC-03，修订版）附件III“未公布地球站天线辐射方向性图时使用的辐射方向性图”，注意该模板在主瓣之外是一个上限模板，天线的实际旁瓣增益不应大于模板值。

图1

图2

从预报数据与实际的测试结果的对照图来看，使用该方向图模板与早期使用的方向图模板（第一旁瓣按-14dBc考虑）相比，预报数据与实际的测试结果的拟合度更高。

（4）第四步：计算日凌干扰引起的Tsun的时间曲线（见图3）

说明：当太阳圆盘视直径远大于天线主瓣宽度（2*Фm）、且日凌干扰指向偏角为0时，可用下式计算出的日凌干扰引起的地球站接收系统噪声温度增量最大值近似地作为：

式中：f为工作频率（GHz），p为天线极化衰减因子（一般取0.5）。对于其它情况，应使用“太阳圆盘积分法”，将太阳圆盘分成n环*m个小块，分别计算接收天线对日凌干扰的指向偏角和指向增益，再对整个太阳圆盘进行积分，计算出总的Tsun。此方法计算复杂，速度慢（笔者使用的双核2.93GHz CPU，计算360个时点需要5s左右（n=200，m=36）。如果对计算速度有要求，在本文中使用C波段13米天线时可用近似算法减小分段数，计算结果差距不大（预报时间曲线差异小于0.3dB），但计算速度提升明显（计算360个时点的时间小于0.5s）。

另外，由于方向图模板在主瓣之外为上限模板，在太阳圆盘视直径远大于主瓣宽度（如13米Ku波段天线）时，太阳圆盘积分计算出的结果有可能超过（ 明显与实际不符），此时应采用作为计算结果。

（5）第五步：计算日凌干扰引起的C/Nd下降量的时间曲线（见图4）

图3

图4

图5

图6

图7

说明：由于使用太阳圆盘积分法，对于C波段13米天线而言，太阳圆盘在天线方向图下降段上对应范围相对较大，而主瓣内天线方向图按平方律下降，因此C/Nd下降曲线与天线方向图下降曲线并不完全一致。

3　、实际测试结果与预报数据比较

（见图5～图7）

图5～图7为实际测试结果与预报数据比较图。

说明1：每隔5s监测一次频谱，以相关频段的接收噪底平均电平与无日凌干扰影响时间段内的接收噪底平均电平的差值作为C/Nd下降实测值（测试前后1小时内监测到的接收噪底平均电平波动不超过±0.2dB）。

沧海桑田，万古如斯。汉水，不仅是一条绿色生态之河、商旅黄金之河、文化大河、历史大河和魅力大河，更是华夏文明的重要发源地和中华民族的母亲河。

说明2：2016年3月3日、3月4日测试前，对测试用PC进行过电话查询校时（3月5日测试是在3月4日下午作的定时测试计划，未进行电话查询校时）。

4　、误差分析

（1）测试系统

a.记录时间误差：2016年3月3日、3月4日的测试，在测试前校正过时间，考虑频谱仪扫描时间后，误差不超过5s；2016年3月5日的记录时间误差不确定。

图8

图9

b.通道增益波动：在测试时间段内非日凌影响区间，噪底波动小于±0.2dB（连续3天都在-113.0dBm/RBW=10kHz左右）。

（2）预报误差

在天线指向准确的情况下，日凌峰值时刻和Tsun峰值是比较准确的（固定的天文现象），C/ Nd下降峰值的准确度取决于地球站天线效率和系统噪声温度的准确度，C/Nd下降时间曲线的准确度与天线方向图实际特性有关，预报数据只是一个按理论天线方向图模板计算的上限数据，对于满足ITU天线方向图模板的天线，主瓣之外的预报数据一般应该比实际测试值高。

上文中的预报数据基于：天线效率：65%；地球站接收系统噪声温度：75K（仰角43度左右，Ta=22K，馈源到LNA间损耗0.2dB，LNA噪声温度40K）；地球站地理位置：准确（GPS标定）；天线指向误差为0（精确指向）。

以2016年3月3日、3月4日为例，如果在预报时考虑实际方位方向为准确指向卫星标称轨道位置的方向偏东0.1度，则实际测试结果与预报数据比较图如下（见图8～图9）：

5　、日凌定量预报数据的应用

（1）一般情况下，用户可根据日凌定量预报数据，判断对通信质量的影响，作好相应准备工作。在日凌干扰影响期间，用户不宜增加发射功率（可能影响转发器功率的工作状态）。

（2）特殊情况下，如点对点通信系统，且站点的地理分布比较分散，可利用日凌影响时间段的不同，在转发器功率线性工作区内，按日凌定量预报数据，适当调整发射功率。

（3）在天线调整较容易时，在日凌影响时间段内可以通过适当调整天线仰角，利用天线方向图主瓣下降曲线为平方律下降的特点，通过对载波少量的指向增益下降，换取较大的Tsun下降。

这个方法主要适合于在非日凌峰值日（峰值时刻日凌影响偏角较大）的情况。

例如：对本文中测试使用的C波段13米天线，2016年3月3日，如在日凌开始前，将EL下偏0.11°（增益下降约1.0dB），则峰值时刻Tsun可从2204K下降到836K，峰值时刻C/Nd下降量从14.83dB下降到10.85dB（改善4dB），峰值时刻C/Nd下降量将改善3dB左右。

但这个方法在通常情况下实际意义不大，因为大天线时C/Nd对接收质量影响小，C/Nd下降量的改善意义不大；而小天线时由于太阳圆盘相对于主瓣而言很小，C/Nd下降量的改善很小。

6　、结语

计算日凌干扰引起的接收系统噪声温度增量是一个很复杂的过程，与实际测试结果产生差异的原因也很多。由于测试条件所限，本文只是对一面具体的C波段13米天线进行了预报和测试比对，所得出的一些分析结论仅供参考；文中的缺点和不足之处，敬请专家批评指正。