一种星地联合Ka频段上行雨衰补偿方法

王 璞，张喜明

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

为了适应现代军事和民用通信的发展，扩展通信容量、增强抗干扰性能、减小接收终端体积等要求，卫星通信逐步向更高的频段发展，例如Ka频段和V频段等。采用Ka和V频段卫星链路具有以下优点：可提供足够的带宽，同样大小的天线在高频段的方向性更好，邻近卫星的干扰减小，这样可以使卫星的轨道设计的更近[1-3]。

卫星通信的特点是传播距离较长，在系统设计时必须考虑传输环境对电磁波传输的影响。一般来说，对于X频段以上的通信来说，电离层的影响可以忽略，损耗主要来自对流层，其中雨衰是最关键的一个因素。雨衰是由雨滴对电磁波信号的散射和吸收造成的，雨衰的大小与电磁波信号的频率、极化方式，雨滴的物理模型，接收地区的海拔高度等因素有关。并且，降雨具有较强的地域性，不同的地势、不同的气候均有较大差异，因此，研究不同地区降雨对电磁波传播的衰减特性对卫星通信系统的工程设计具有重大的意义[4]。

建设地球站时，应当根据对系统链路的分析估算和可用度来确定设备的性能指标，由于对上行站的要求更高，而且雨衰对上行链路的影响更大，在上行链路设计时要配备功率控制器，对衰减进行自动控制，对上行链路发射功率进行补偿，使上行链路工作在较为理想的状态。

1 降雨衰减模型

当前，在降雨引发电磁波传输衰减对卫星通信系统影响的研究中，ITU-R中的雨衰预测模型最为精确[5-7]。当前，常用 R0.01来表征降雨特性的重要参数，该参数表示一年内通信时间中断概率不超过 0.01%的降雨率。降雨率与单位衰减间的关系为：

式中， γR代表单位衰减，R0.01表示一般年份超过0.01%时间所测得的降雨率；k，α为参数，跟电磁波频率相关。ITU-R中给出了电磁波频率在1～1 000 GHz范围内的计算公式为：

式中：k和α在垂直极化和水平极化时不同，分别为kH、kV、αH、αV；f为电磁波的频率。计算不同极化方式的数值时，式（1）中的系数可根据式（2）（3）（4）（5）计算。

式中，θ代表地面站的接收仰角；τ代表线极化电场矢量与水平方向之间的极化倾角，当计算圆极化时，τ= 45°，当计算线极化时，τ= 0°（水平极化）或90°（垂直极化）。

ITU-R中给出了电磁波频率低于55GHz时的降雨衰减预测模型的计算方法，计算雨高：

其中，h0代表 0℃等温线距海平面高度，数据可从ITU-R第3研究组中获得。

根据地面站仰角计算斜径长度，如θ≥5°，斜径长度Ls为：

其中，hS代表地面站的海拔高度，Re代表地球半径。

计算电磁波在倾斜路径传输时在水平方向上的投影距离LG为：

获取当地降雨概率超过0.01%的年均降雨量。此数值可以从 ITU-R P.837建议书中给定的数值中获取，如果有当地气象部门长期的降雨统计，则以该地长期统计结果为准。

如R0.01为0，则雨衰值为0，以下步骤省略。

计算水平减少因子为：

计算预计降雨超过年均其它百分比（0.001%～5%）时间的雨衰值，由预计降雨超过年均0.01%时间的雨衰值来计算，若 p≥1%或|φ|≥36°，则β=0；若 p<1%且|φ|<36°且 θ≥25°，则 β=-0.005(|φ|-36)；否则，β=-0.005(|φ|-36)+1.8-4.25sinθ，可以得出：

2 开环功率控制技术

自从卫星通信频段上升到Ka频段后，对于降雨的自适应补偿技术就被大家所研究使用。上行功率控制主要是在降雨期间对卫星通信上行链路的雨衰值进行估算，然后根据估算的雨衰值相应的调整发射功率，使卫星接收到地面发射的上行信号功率始终保持在规定的有效范围之内，从而减小降雨对卫星通信上行链路的影响，保证上行通信信号传输的可靠性和稳定性。其中开环功率控制技术是目前国际上比较广泛使用的抗雨衰补偿技术[8]。

开环功率控制技术是在降雨期间通过监测地面接收到的卫星通信下行链路信号电平的变化，来估算卫星通信上行链路的雨衰值，根据衰减量相应调节地面站上行链路的发射功率来补偿降雨引发的衰减，使卫星收到地面站发射的上行信号与平时保持一致。至于由于温度等其他因素引起的缓慢变化，都可以当做雨衰来处理[9-10]。

上行链路开环功率控制技术的关键是通过下行链路信号电平的衰减转换成上行链路的衰减，上、下行链路降雨衰减的转换可以通过式（15）进行估算:。

其中，Aup、Adown分别代表卫星通信中上、下行链路的雨衰值，fup、fdown分别代表卫星通信中上、下行链路的频率值。

此方法较为简单，所用设备资源较少，但是下行链路其他故障都有可能引起信号电平变化，使得上行功率自动控制发生作用，造成不必要的补偿和上行信号增大，并且，通过频率换算关系得到的上行衰减精度较实际值也存在误差。

3 星地联合闭环补偿方法

针对上述开环功率控制技术存在的一些弊端，本文提出一种星地联合闭环补偿方法。卫星进行对地通信业务时会将星上的状态信息通过遥测信号发送给地面，地面接收遥测信号后通过放大、变频发送给综合基带，综合基带完成信号的解调、帧同步、译码等工作后将遥测信息送遥测参数解析设备，解析设备可根据约定的格式和接口将卫星遥测参数还原展示出来，参数中通常含有卫星接收地面上行信号的电平大小（AGC电平）和锁定指示。

当出现降雨衰减时，卫星收到地面站发送的上行信号电平将会变小，地面站通过遥测参数解析设备实时观察卫星接收电平大小，根据电平变化的值实时调整上行链路的发射功率，使卫星接收的信号电平处于相对理想的状态，此方法可将补偿精度控制在0.1 dB以内，大大提高了卫星通信系统工作的可靠性。系统闭环工作流程如图 1所示。

图1 星地联合闭环补偿方法流程图Fig.1 flow chart of satellite-ground joint closed-loop compensation method

4 结论

随着 Ka频段在卫星通信领域中的应用越来越广泛，大家对抗雨衰技术的研究也越来越深，如分集技术、自适应编码技术、上行功率自动控制技术等。本文基于ITU-R雨衰预测模型，对Ka频段的降雨衰减特性进行了分析，在国内通用的开环功率控制技术的基础上提出了一种星地联合Ka频段上行雨衰补偿方法，可使地面站对卫星的上行通信链路始终保持在良好的工作状态。