三亚Ka波段卫星遥感信号降雨衰减的研究

辛 进，蒙 康，王 越，董 巍，张宇超，杨子凡

(1.中国西安卫星测控中心，陕西 西安710043;2.中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉732750)

0 引言

国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)给卫星业务分配的Ka波段为20～30 GHz，已广泛应用于宽带卫星通信和高码速率卫星遥感数据下传[1]。Ka波段具有可用带宽较宽、通信容量大、波束形成窄、终端尺寸小、下传速率快等优点[2-3]。但是Ka波段的缺点是受降雨衰减影响较大[4-5]，降雨衰减主要是指电磁波进入雨层后引起的衰减，主要包括雨滴吸收和散射导致的衰减[6-7]。由于雨滴直径大约在0.5～12 mm，这与Ka波段波长非常接近[8-9]，当电磁波入射到雨滴上时，外界电场力作用使得雨滴内部自由电子和束缚电荷产生剧烈振动，雨滴将会吸收一部分入射的电磁波能量，同时把另一部分电磁波能量散射出去[10-11]。

在接收Ka波段卫星下行遥感信号时，需要关注降雨衰减的问题，特别是三亚属于热带海洋性气候，年均降雨多达1 392.2 mm[12]，需要对三亚地区Ka波段雨衰进行准确估算。国际电信联盟无线电通信部门(ITU-Radio communication sector，ITU-R)给出了雨衰建议书、最新的雨衰模型和全球时间概率0.01%降雨量数据[13-16]。本文基于ITU-R 雨衰模型，针对三亚地区位置信息和实际卫星遥感数据接收业务，利用Matlab处理降雨量数据和建模，计算不同Ka频点的降雨衰减率，分析Ka波段降雨衰减值随天线接收仰角的变化，结合自动气象站观测数据研究不同等级降雨量下的雨衰变化，为三亚地区合理预留Ka波段下行信道抗雨衰余量提供参考，为地面站减小雨衰影响提出具体的应对措施。

1 站点信息和降雨量数据

1.1 地面站信息

地面站负责Ka波段卫星下行遥感数据的实时接收和传输工作，天线接收仰角变化范围为10°～80°。利用ITU-R雨衰预测模型计算降雨衰减时，需要知道所研究站点的位置信息。

1.2 ITU-R降雨量数据

时间概率0.01%的降雨量是指某地一年中有0.01%的时间降雨量超过R，单位mm/h，记作R0.01。例如，某地平均一年0.01%的时间降雨量超过65 mm/h，雨衰为35 dB，则表示一年平均99.99%的时间雨衰不高于35 dB。时间概率越精细，雨衰可用度越好[17]。实际工作中，一般称可用度为3个9或者4个9，表示99.9%或者99.99%的可用度[18-20]。

ITU-R P.837-7建议书[14]给出了全球时间概率0.01%的降雨量数据，该降雨量数据纬度网格从-90° N ～+90 ° N ，经度网格从-180° E～+180° E ，分辨率0.125°×0.125°。根据三亚站点的位置信息，利用Matlab处理得到三亚站点时间概率0.01%的降雨量R0.01为83.7 mm/h。

1.3 观测数据和降雨等级划分

利用Matlab对三亚站点自动气象站观测数据进行处理，得到时间概率0.01%的降雨量为86.6 mm/h，这与处理ITU-R全球降雨量数据得到的三亚站点0.01%降雨量(83.7 mm/h)基本一致。同时通过对自动气象站观测数据进行统计分析，得到时间概率0.1%的降雨量为66.9 mm/h，可以预测99.9%的雨衰；时间概率1%的降雨量为21.9 mm/h，可以预测99%的雨衰；时间概率10%的降雨量为5.1 mm/h，可以预测90%的雨衰，如图1所示。同时参照GB/T 28592-2012，可以发现三亚站点10%以上的小时降雨量都在中雨等级以上，见表1。

图1 降雨量观测数据和等级划分

表1 降雨量等级划分标准

2 ITU-R雨衰模型

ITU-R P.618-13建议书[13]给出了降雨衰减模型的主体框架，该模型可以在固定站点上，预测频率55 GHz以内倾斜路径上降雨衰减的结果。如图2所示。

图2 Ka波段卫星下行遥感信号经过降雨区的示意图

地面站抛物面天线在接收Ka波段卫星下行遥感信号时，θ为天线接收仰角(°)，LS为卫星下行信号穿过降雨区的倾斜路径长度(km)，hR为年平均降雨量高度(km)，hs为地面站海拔高度(km)。ITU-R降雨衰减模型计算步骤如下：

第1步计算年平均降雨量高度hR：

hR=h0+0.36，

(1)

式中，h0为高于平均海平面的年平均0°C等温线高度，可以通过式(2)计算得到，φ为地面站所在纬度，正号表示北半球，负号表示南半球。

(2)

第2步计算卫星下行信号穿过降雨区的倾斜路径长度LS：如果θ≥5°，利用式(3)计算，如果θ<5°，则利用式(4)计算：

(3)

(4)

第3步计算卫星下行信号穿过降雨区倾斜路径长度的水平投影LG：

LG=LScosθ。

(5)

第4步处理时间概率0.01%的降雨量数据R0.01：上述已经明确，通过Matlab处理全球时间概率0.01%的降雨量数据，得到三亚站点时间概率0.01%的降雨量R0.01为83.7 mm/h。同时通过处理自动气象站观测数据，得到了其他时间概率时的降雨量数据。

第5步计算降雨衰减率γR(dB/km)：

γR=k(R0.01)α，

(6)

式中，k和a为计算降雨衰减率所需的频率相关系数，可以通过ITUR P.838-3建议书[15]给定的频率相关系数kH，kV，aH，aV(如表2)和式(7)～(8)计算得到：

k=[kH+kV+(kH-kV)cos2θcos 2τ]/2，

(7)

a=[kHaH+kVaV+(kHaH-kVaV)cos2θcos 2τ]/2k，

(8)

式中，τ为相对水平位置的极化斜角，对于圆极化电磁波，τ=45°。如果所研究的频率不在表2中，例如所研究的频率为25.5 GHz，介于25.0～26.0 GHz之间，则先利用式(7)～(8)计算出f1=25.0 GHz时的k1和a1，f2=26.0 GHz时的k2和a2；再利用内插公式(9)～(10)计算得到f=25.5 GHz时k和a的值。

表2 计算降雨衰减率γR时所需的相关系数kH，kV，aH，aV

(9)

(10)

第6步计算卫星下行信号穿过降雨区的有效路径长度LE，在计算LE之前，需要计算影响有效路径长度的两个调整因子：水平换算系数r0.01和垂直调整系数ν0.01。

水平换算系数r0.01的计算公式为：

(11)

垂直调整系数ν0.01的计算公式为：

(12)

其中，式(12)涉及的两个中间变量LR和χ(°)计算方法如下：θ为天线接收仰角，φ为地面站所在纬度，其他的参数前文已介绍。

第7步在第6步计算得到垂直调整系数ν0.01之后，计算卫星下行信号穿过降雨区的有效路径长度LE：

LE=LRν0.01km。

(13)

第8步在第5步计算得到降雨衰减率γR和第7步计算得到有效路径长度LE之后，计算降雨衰减值A0.01(dB)：

A0.01=γRLE。

(14)

3 数据分析

3.1 不同Ka频点的降雨衰减率

基于ITU-R降雨衰减预测模型，使用时间概率0.01%的降雨量，利用式(6)分别计算了25.0,25.5,26.0,26.5,27.0,27.5 GHz六个频点时的降雨衰减率。如图3所示，随着Ka频点的增加，降雨衰减率逐渐增加；在三亚站点Ka波段卫星遥感数据接收工作中，降雨衰减率最大能达到13 dB/km，最小也超过11 dB/km。

图3 6个Ka频点的降雨衰减特征

3.2 降雨衰减值随天线仰角的变化

实际卫星遥感数据接收业务中，地面站天线仰角一般在10°～80°范围内变化，针对时间概率0.01%的降雨量，利用Matlab分别模拟了25.0,25.5,26.0,26.5,27.0,27.5 GHz六个频点时降雨衰减值随天线接收仰角的变化，可以用于应对99.99%的雨衰事件。由图4可知，随着天线接收仰角的减小，降雨衰减值快速增大，这是低仰角时卫星下行遥感信号穿过雨区的倾斜路径增加导致的；天线接收仰角较高时，遥感信号穿过雨区的实际倾斜路径虽然较小，但降雨衰减值并不是最小，这是由于信号穿过雨区的有效路径与接收仰角有关，最高仰角时的有效路径通过水平换算和垂直调整以后并不是最小；天线接收仰角为48°时，降雨衰减值最小，6个Ka频点的降雨衰减值分别为74.47,76.29,78.11,79.90,81.71,83.48 dB。

图4 6个Ka频点的降雨衰减值随天线仰角的变化

3.3 不同等级降雨量的雨衰比较

结合三亚站点自动气象站观测数据和降雨量等级划分，对25.0～27.5 GHz的Ka波段降雨衰减进行模拟分析。如图5所示，随着降雨量的增大，Ka雨衰显著增加，时间概率0.01%降雨量(83.7 mm/h)时，雨衰最低为74.47 dB，最高137.56 dB；时间概率0.1%降雨量(66.9 mm/h)时，雨衰最低为64.28 dB，最高121.27 dB；时间概率1%降雨量(21.9 mm/h)时，雨衰最低29.33 dB，最高62.92 dB；时间概率10%降雨量(5.1 mm/h)时，雨衰最低7.30 dB，最高24.47 dB；时间概率越精细，得到的雨衰结果越能抵御更多的降雨事件，比如时间概率10%的降雨量计算出的雨衰最大为24.47 dB，只能用于抵御90%的降雨事件，而时间概率0.01%的降雨量计算出的雨衰结果可以抵御99.99%的降雨事件；不同等级降雨量计算得到的雨衰最低值对应的天线仰角不同，对于时间概率0.01%降雨量，天线接收仰角在48°时雨衰最小；对于时间概率0.1%降雨量，天线接收仰角49°时雨衰最小；对于时间概率1%降雨量，天线接收仰角在55°时雨衰最小；对于时间概率10%降雨量，天线接收仰角越大，雨衰越小，此时卫星下行遥感信号穿过降雨区的倾斜路径也最短。

图5 不同等级降雨量的衰减值随天线仰角的变化

4 地面站应对Ka雨衰的建议

4.1 抗雨衰余量的建议

在三亚建设Ka波段卫星遥感数据接收设备时，要充分考虑三亚时间概率0.01%降雨量较大的实际，在预留Ka信道抗雨衰余量时，要大于北方地区的建设余量。① 基于ITU-R雨衰模型的预测结果，结合实际工作和建设成本，建议三亚站点的Ka信道抗雨衰余量不低于80 dB；② 面对雨衰的影响，普通地面站一般无法通过改变调制及编码方式以降低接收门限，在天线口径无法改变的情况下，建议采用质量更佳、增益更大的Ka低噪放来增加抗衰减余量，以提高降雨时的Ka信号电平。

4.2 数据接收圈次的建议

通过Matlab对不同等级降雨量Ka雨衰模拟发现，对于5.1 mm/h的降雨量，Ka雨衰值随接收仰角增大而减小；对于21.9 mm/h的降雨量，Ka雨衰值在天线接收仰角55°时最小；对于66.9 mm/h和83.7 mm/h的降雨量，Ka雨衰值在天线接收仰角48°～49°时最小，总体而言，较高仰角的雨衰值明显小于较低仰角的。建议：① 尽量安排高仰角过境的Ka卫星遥感数据接收圈次，同时将数据下传时间选在天线过顶点前后5°～10°范围内；② 在5—10月三亚暴雨多发的季节，减少Ka卫星遥感数据接收圈次或者增加备站接收。

4.3 雨衰应对措施的建议

降雨时执行Ka卫星遥感数据接收任务，若发现数传基带信号闪烁或者无法锁定，建议减小Ka下行信道衰减以提高信号电平，结合设备现有抗衰减余量，可以将Ka低噪放衰减降低25 dB，这样可以应对90%的降雨事件，因为时间概率10%的降雨量(5.1 mm/h)最大降雨衰减值为24.47 dB。但对于中雨等级以上的降雨量，如时间概率1%的降雨量(21.9 mm/h)、时间概率0.1%的降雨量(66.9 mm/h)、时间概率0.01%的降雨量(83.7 mm/h)，Ka雨衰值最小也达到29.33 dB，无法通过调节Ka低噪放现有抗衰减余量进行应对。

5 结束语

本文介绍了ITU-R降雨衰减模型预测Ka波段卫星下行遥感信号雨衰的基本步骤，利用Matlab处理了降雨量数据，进行了雨衰模拟分析。结果表明，三亚某地面站时间概率0.01%的降雨量超过了83.7 mm/h，Ka频点最大降雨衰减率可达13 dB/km，降雨衰减值随着天线接收仰角的增高而减小。同时结合自动气象站降雨观测数据，模拟了不同等级降雨量时的降雨衰减情况，降雨量5.1 mm/h的最大降雨衰减值为24.47 dB，可以通过减小Ka低噪放衰减25 dB应对90%的降雨事件。但对于中雨等级以上的降雨量，设备现有的Ka下行信道抗衰减余量不足。在三亚建设Ka波段卫星遥感数据接收设备时，需要从增大抛物面天线口径、提高低噪放和变频器增益范围等方面，合理预留Ka信道链路抗雨衰余量。