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日凌干擾影響定量預(yù)報(bào)的一種實(shí)現(xiàn)方法

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對于同步衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)而言，每年春分/秋分前后的日凌干擾是無法回避的問題。本文提出了一種對日凌干擾引起的接收系統(tǒng)噪聲溫度增量進(jìn)行定量預(yù)報(bào)的方法，并與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行比對，分析了誤差來源。

日凌干擾定量預(yù)報(bào)誤差分析

1　、引言

目前衛(wèi)星公司提供的日凌預(yù)報(bào)（如官方網(wǎng)站上計(jì)算工具）多為定性預(yù)報(bào)，即通過預(yù)測春分/秋分前后日期的太陽在地球坐標(biāo)系中的位置，計(jì)算具體站點(diǎn)的對星指向與對日指向的偏角，從而得出可能發(fā)生日凌干擾的具體日期，以及日凌干擾發(fā)生日期的日凌干擾“最大時刻”、“開始時間”、“結(jié)束時間”。

其中，日凌干擾“最大時刻”通常是指對星指向與對日指向在赤道平面上的投影重合的時刻，而日凌干擾“開始時間”、“結(jié)束時間”則采用這兩個指向之間的偏角與接收天線半功率角度達(dá)到某一數(shù)值關(guān)系作為判斷條件。

上述日凌干擾定性預(yù)報(bào)方法在實(shí)際使用過程中，與用戶實(shí)際觀察到的通信中斷時間存在不一致的情況。其主要原因是：對星指向與對日指向的幾何關(guān)系只能定性地說明日凌干擾的影響，而無法定量地反映日凌干擾對接收C/N的影響，所以提供的日凌“開始時間”和“結(jié)束時間”與用戶的實(shí)際感受經(jīng)常出現(xiàn)一定的差異。

由于日凌干擾對地球站接收質(zhì)量的影響本質(zhì)上是增加地球站接收系統(tǒng)噪聲溫度，因此本文提出了一種對日凌干擾影響進(jìn)行定量預(yù)報(bào)的方法，即通過預(yù)測具體時刻的日凌干擾引起的地球站接收系統(tǒng)噪聲溫度增量（以下簡稱Tsun），計(jì)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為不考慮日凌干擾影響時的地球站接收系統(tǒng)等效噪聲溫度。

用戶可以根據(jù)具體站點(diǎn)C/Nd對接收質(zhì)量（Eb/ No）的影響程度，來判斷對應(yīng)最低Eb/No工作點(diǎn)的日凌干擾“開始時間”、“結(jié)束時間”。

說明：日凌干擾只影響C/Nd（下行C/N），對接收質(zhì)量的影響程度受其他因素制約。對大天線接收（例如中星10號衛(wèi)星C波段主覆蓋區(qū)的C波段13米天線），正常工作時C/Nd比總C/N高10dB以上，因此同樣的Tsun對接收質(zhì)量的影響較小，但由于C波段13米天線的Tsun峰值很大，對接收質(zhì)量的影響也不可忽略，只是持續(xù)時間較短；對小天線接收（例如中星10號衛(wèi)星C波段主覆蓋區(qū)的C波段2.4米天線），C/Nd對總C/N影響很大，同樣的Tsun對接收質(zhì)量的影響很大，因此盡管C波段2.4米天線的Tsun峰值比C波段13米天線低很多，對接收質(zhì)量的影響也很大，持續(xù)時間更長。

2　、日凌干擾影響的定量預(yù)報(bào)方法

下文以筆者于2016年3月3日進(jìn)行實(shí)際測試驗(yàn)證的一面C波段13米天線為例。

（1）第一步：計(jì)算可能超過預(yù)設(shè)Tsun目標(biāo)的日期列表：

（下表對應(yīng)預(yù)設(shè)Tsun目標(biāo)為675K，在Te取75K時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

說明：在計(jì)算過程中需要計(jì)算太陽在地球坐標(biāo)系中的位置相關(guān)參數(shù)（等效緯度、經(jīng)度修正值）。

為了簡化計(jì)算，在定性預(yù)報(bào)時可能會直接采用某一固定時刻的參數(shù)來推算日凌干擾影響峰值時刻和最小偏角，這樣會由于沒有考慮同一日內(nèi)不同時間等效緯度、經(jīng)度修正值有變化的因素，從而導(dǎo)致峰值時刻計(jì)算有幾秒～十幾秒左右的誤差（誤差大小與站點(diǎn)緯度有關(guān)），最小偏角的誤差可能達(dá)到0.3度（與實(shí)際峰值時刻和采用的固定時刻差值有關(guān)），在天線主瓣寬度不是遠(yuǎn)大于這個誤差時，這種誤差將對日凌干擾定量預(yù)報(bào)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

本文中采用了最小偏角搜索法，以最小偏角對應(yīng)的時刻作為峰值時刻，相應(yīng)的需要進(jìn)行搜索計(jì)算（通過優(yōu)化算法來解決運(yùn)行時間問題）。

下一步的工作為針對第一步中產(chǎn)生的日期列表逐日計(jì)算（以2016年3月4日為例）：

（2）第二步：計(jì)算日凌干擾的指向偏角的時間曲線（見圖1）

在定性預(yù)報(bào)時一般采用地日連線和地星連線在赤道平面和衛(wèi)星經(jīng)度面上投影的差角來進(jìn)行計(jì)算，但此方法不方便分析地球站天線指向偏差（基于方位AZ/仰角EL）的影響，因此本文采用分析地日連線和地星連線的AZ/EL的偏角，來計(jì)算日凌干擾的指向偏角。

需要說明的是，在不同EL，AZ偏角對指向偏角的影響程度是不一樣的。

（3）第三步：計(jì)算日凌干擾的指向損耗的時間曲線（見圖2）

天線方向圖模板選用《ITU RR2012-Vol-II》附錄8（WRC-03，修訂版）附件III“未公布地球站天線輻射方向性圖時使用的輻射方向性圖”，注意該模板在主瓣之外是一個上限模板，天線的實(shí)際旁瓣增益不應(yīng)大于模板值。

圖1

圖2

從預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與實(shí)際的測試結(jié)果的對照圖來看，使用該方向圖模板與早期使用的方向圖模板（第一旁瓣按-14dBc考慮）相比，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與實(shí)際的測試結(jié)果的擬合度更高。

（4）第四步：計(jì)算日凌干擾引起的Tsun的時間曲線（見圖3）

說明：當(dāng)太陽圓盤視直徑遠(yuǎn)大于天線主瓣寬度（2*Фm）、且日凌干擾指向偏角為0時，可用下式計(jì)算出的日凌干擾引起的地球站接收系統(tǒng)噪聲溫度增量最大值近似地作為：

式中：f為工作頻率（GHz），p為天線極化衰減因子（一般取0.5）。對于其它情況，應(yīng)使用“太陽圓盤積分法”，將太陽圓盤分成n環(huán)*m個小塊，分別計(jì)算接收天線對日凌干擾的指向偏角和指向增益，再對整個太陽圓盤進(jìn)行積分，計(jì)算出總的Tsun。此方法計(jì)算復(fù)雜，速度慢（筆者使用的雙核2.93GHz CPU，計(jì)算360個時點(diǎn)需要5s左右（n=200，m=36）。如果對計(jì)算速度有要求，在本文中使用C波段13米天線時可用近似算法減小分段數(shù)，計(jì)算結(jié)果差距不大（預(yù)報(bào)時間曲線差異小于0.3dB），但計(jì)算速度提升明顯（計(jì)算360個時點(diǎn)的時間小于0.5s）。

另外，由于方向圖模板在主瓣之外為上限模板，在太陽圓盤視直徑遠(yuǎn)大于主瓣寬度（如13米Ku波段天線）時，太陽圓盤積分計(jì)算出的結(jié)果有可能超過（ 明顯與實(shí)際不符），此時應(yīng)采用作為計(jì)算結(jié)果。

（5）第五步：計(jì)算日凌干擾引起的C/Nd下降量的時間曲線（見圖4）

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

說明：由于使用太陽圓盤積分法，對于C波段13米天線而言，太陽圓盤在天線方向圖下降段上對應(yīng)范圍相對較大，而主瓣內(nèi)天線方向圖按平方律下降，因此C/Nd下降曲線與天線方向圖下降曲線并不完全一致。

3　、實(shí)際測試結(jié)果與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)比較

（見圖5～圖7）

圖5～圖7為實(shí)際測試結(jié)果與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)比較圖。

說明1：每隔5s監(jiān)測一次頻譜，以相關(guān)頻段的接收噪底平均電平與無日凌干擾影響時間段內(nèi)的接收噪底平均電平的差值作為C/Nd下降實(shí)測值（測試前后1小時內(nèi)監(jiān)測到的接收噪底平均電平波動不超過±0.2dB）。

滄海桑田，萬古如斯。漢水，不僅是一條綠色生態(tài)之河、商旅黃金之河、文化大河、歷史大河和魅力大河，更是華夏文明的重要發(fā)源地和中華民族的母親河。

說明2：2016年3月3日、3月4日測試前，對測試用PC進(jìn)行過電話查詢校時（3月5日測試是在3月4日下午作的定時測試計(jì)劃，未進(jìn)行電話查詢校時）。

4　、誤差分析

（1）測試系統(tǒng)

a.記錄時間誤差：2016年3月3日、3月4日的測試，在測試前校正過時間，考慮頻譜儀掃描時間后，誤差不超過5s；2016年3月5日的記錄時間誤差不確定。

圖8

圖9

b.通道增益波動：在測試時間段內(nèi)非日凌影響區(qū)間，噪底波動小于±0.2dB（連續(xù)3天都在-113.0dBm/RBW=10kHz左右）。

（2）預(yù)報(bào)誤差

在天線指向準(zhǔn)確的情況下，日凌峰值時刻和Tsun峰值是比較準(zhǔn)確的（固定的天文現(xiàn)象），C/ Nd下降峰值的準(zhǔn)確度取決于地球站天線效率和系統(tǒng)噪聲溫度的準(zhǔn)確度，C/Nd下降時間曲線的準(zhǔn)確度與天線方向圖實(shí)際特性有關(guān)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)只是一個按理論天線方向圖模板計(jì)算的上限數(shù)據(jù)，對于滿足ITU天線方向圖模板的天線，主瓣之外的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)一般應(yīng)該比實(shí)際測試值高。

上文中的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)基于：天線效率：65%；地球站接收系統(tǒng)噪聲溫度：75K（仰角43度左右，Ta=22K，饋源到LNA間損耗0.2dB，LNA噪聲溫度40K）；地球站地理位置：準(zhǔn)確（GPS標(biāo)定）；天線指向誤差為0（精確指向）。

以2016年3月3日、3月4日為例，如果在預(yù)報(bào)時考慮實(shí)際方位方向?yàn)闇?zhǔn)確指向衛(wèi)星標(biāo)稱軌道位置的方向偏東0.1度，則實(shí)際測試結(jié)果與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)比較圖如下（見圖8～圖9）：

5　、日凌定量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的應(yīng)用

（1）一般情況下，用戶可根據(jù)日凌定量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，判斷對通信質(zhì)量的影響，作好相應(yīng)準(zhǔn)備工作。在日凌干擾影響期間，用戶不宜增加發(fā)射功率（可能影響轉(zhuǎn)發(fā)器功率的工作狀態(tài)）。

（2）特殊情況下，如點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)，且站點(diǎn)的地理分布比較分散，可利用日凌影響時間段的不同，在轉(zhuǎn)發(fā)器功率線性工作區(qū)內(nèi)，按日凌定量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)整發(fā)射功率。

（3）在天線調(diào)整較容易時，在日凌影響時間段內(nèi)可以通過適當(dāng)調(diào)整天線仰角，利用天線方向圖主瓣下降曲線為平方律下降的特點(diǎn)，通過對載波少量的指向增益下降，換取較大的Tsun下降。

這個方法主要適合于在非日凌峰值日（峰值時刻日凌影響偏角較大）的情況。

例如：對本文中測試使用的C波段13米天線，2016年3月3日，如在日凌開始前，將EL下偏0.11°（增益下降約1.0dB），則峰值時刻Tsun可從2204K下降到836K，峰值時刻C/Nd下降量從14.83dB下降到10.85dB（改善4dB），峰值時刻C/Nd下降量將改善3dB左右。

但這個方法在通常情況下實(shí)際意義不大，因?yàn)榇筇炀€時C/Nd對接收質(zhì)量影響小，C/Nd下降量的改善意義不大；而小天線時由于太陽圓盤相對于主瓣而言很小，C/Nd下降量的改善很小。

6　、結(jié)語

計(jì)算日凌干擾引起的接收系統(tǒng)噪聲溫度增量是一個很復(fù)雜的過程，與實(shí)際測試結(jié)果產(chǎn)生差異的原因也很多。由于測試條件所限，本文只是對一面具體的C波段13米天線進(jìn)行了預(yù)報(bào)和測試比對，所得出的一些分析結(jié)論僅供參考；文中的缺點(diǎn)和不足之處，敬請專家批評指正。