一種星地聯(lián)合Ka頻段上行雨衰補(bǔ)償方法

王 璞，張喜明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為了適應(yīng)現(xiàn)代軍事和民用通信的發(fā)展，擴(kuò)展通信容量、增強(qiáng)抗干擾性能、減小接收終端體積等要求，衛(wèi)星通信逐步向更高的頻段發(fā)展，例如Ka頻段和V頻段等。采用Ka和V頻段衛(wèi)星鏈路具有以下優(yōu)點(diǎn)：可提供足夠的帶寬，同樣大小的天線在高頻段的方向性更好，鄰近衛(wèi)星的干擾減小，這樣可以使衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)的更近[1-3]。

衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是傳播距離較長(zhǎng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮傳輸環(huán)境對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?。一般?lái)說(shuō)，對(duì)于X頻段以上的通信來(lái)說(shuō)，電離層的影響可以忽略，損耗主要來(lái)自對(duì)流層，其中雨衰是最關(guān)鍵的一個(gè)因素。雨衰是由雨滴對(duì)電磁波信號(hào)的散射和吸收造成的，雨衰的大小與電磁波信號(hào)的頻率、極化方式，雨滴的物理模型，接收地區(qū)的海拔高度等因素有關(guān)。并且，降雨具有較強(qiáng)的地域性，不同的地勢(shì)、不同的氣候均有較大差異，因此，研究不同地區(qū)降雨對(duì)電磁波傳播的衰減特性對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)具有重大的意義[4]。

建設(shè)地球站時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)鏈路的分析估算和可用度來(lái)確定設(shè)備的性能指標(biāo)，由于對(duì)上行站的要求更高，而且雨衰對(duì)上行鏈路的影響更大，在上行鏈路設(shè)計(jì)時(shí)要配備功率控制器，對(duì)衰減進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)上行鏈路發(fā)射功率進(jìn)行補(bǔ)償，使上行鏈路工作在較為理想的狀態(tài)。

1 降雨衰減模型

當(dāng)前，在降雨引發(fā)電磁波傳輸衰減對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)影響的研究中，ITU-R中的雨衰預(yù)測(cè)模型最為精確[5-7]。當(dāng)前，常用 R0.01來(lái)表征降雨特性的重要參數(shù)，該參數(shù)表示一年內(nèi)通信時(shí)間中斷概率不超過(guò) 0.01%的降雨率。降雨率與單位衰減間的關(guān)系為：

式中， γR代表單位衰減，R0.01表示一般年份超過(guò)0.01%時(shí)間所測(cè)得的降雨率；k，α為參數(shù)，跟電磁波頻率相關(guān)。ITU-R中給出了電磁波頻率在1～1 000 GHz范圍內(nèi)的計(jì)算公式為：

式中：k和α在垂直極化和水平極化時(shí)不同，分別為kH、kV、αH、αV；f為電磁波的頻率。計(jì)算不同極化方式的數(shù)值時(shí)，式（1）中的系數(shù)可根據(jù)式（2）（3）（4）（5）計(jì)算。

式中，θ代表地面站的接收仰角；τ代表線極化電場(chǎng)矢量與水平方向之間的極化傾角，當(dāng)計(jì)算圓極化時(shí)，τ= 45°，當(dāng)計(jì)算線極化時(shí)，τ= 0°（水平極化）或90°（垂直極化）。

ITU-R中給出了電磁波頻率低于55GHz時(shí)的降雨衰減預(yù)測(cè)模型的計(jì)算方法，計(jì)算雨高：

其中，h0代表 0℃等溫線距海平面高度，數(shù)據(jù)可從ITU-R第3研究組中獲得。

根據(jù)地面站仰角計(jì)算斜徑長(zhǎng)度，如θ≥5°，斜徑長(zhǎng)度Ls為：

其中，hS代表地面站的海拔高度，Re代表地球半徑。

計(jì)算電磁波在傾斜路徑傳輸時(shí)在水平方向上的投影距離LG為：

獲取當(dāng)?shù)亟涤旮怕食^(guò)0.01%的年均降雨量。此數(shù)值可以從 ITU-R P.837建議書(shū)中給定的數(shù)值中獲取，如果有當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)長(zhǎng)期的降雨統(tǒng)計(jì)，則以該地長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)結(jié)果為準(zhǔn)。

如R0.01為0，則雨衰值為0，以下步驟省略。

計(jì)算水平減少因子為：

計(jì)算預(yù)計(jì)降雨超過(guò)年均其它百分比（0.001%～5%）時(shí)間的雨衰值，由預(yù)計(jì)降雨超過(guò)年均0.01%時(shí)間的雨衰值來(lái)計(jì)算，若 p≥1%或|φ|≥36°，則β=0；若 p<1%且|φ|<36°且 θ≥25°，則 β=-0.005(|φ|-36)；否則，β=-0.005(|φ|-36)+1.8-4.25sinθ，可以得出：

2 開(kāi)環(huán)功率控制技術(shù)

自從衛(wèi)星通信頻段上升到Ka頻段后，對(duì)于降雨的自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)就被大家所研究使用。上行功率控制主要是在降雨期間對(duì)衛(wèi)星通信上行鏈路的雨衰值進(jìn)行估算，然后根據(jù)估算的雨衰值相應(yīng)的調(diào)整發(fā)射功率，使衛(wèi)星接收到地面發(fā)射的上行信號(hào)功率始終保持在規(guī)定的有效范圍之內(nèi)，從而減小降雨對(duì)衛(wèi)星通信上行鏈路的影響，保證上行通信信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。其中開(kāi)環(huán)功率控制技術(shù)是目前國(guó)際上比較廣泛使用的抗雨衰補(bǔ)償技術(shù)[8]。

開(kāi)環(huán)功率控制技術(shù)是在降雨期間通過(guò)監(jiān)測(cè)地面接收到的衛(wèi)星通信下行鏈路信號(hào)電平的變化，來(lái)估算衛(wèi)星通信上行鏈路的雨衰值，根據(jù)衰減量相應(yīng)調(diào)節(jié)地面站上行鏈路的發(fā)射功率來(lái)補(bǔ)償降雨引發(fā)的衰減，使衛(wèi)星收到地面站發(fā)射的上行信號(hào)與平時(shí)保持一致。至于由于溫度等其他因素引起的緩慢變化，都可以當(dāng)做雨衰來(lái)處理[9-10]。

上行鏈路開(kāi)環(huán)功率控制技術(shù)的關(guān)鍵是通過(guò)下行鏈路信號(hào)電平的衰減轉(zhuǎn)換成上行鏈路的衰減，上、下行鏈路降雨衰減的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)式（15）進(jìn)行估算:。

其中，Aup、Adown分別代表衛(wèi)星通信中上、下行鏈路的雨衰值，fup、fdown分別代表衛(wèi)星通信中上、下行鏈路的頻率值。

此方法較為簡(jiǎn)單，所用設(shè)備資源較少，但是下行鏈路其他故障都有可能引起信號(hào)電平變化，使得上行功率自動(dòng)控制發(fā)生作用，造成不必要的補(bǔ)償和上行信號(hào)增大，并且，通過(guò)頻率換算關(guān)系得到的上行衰減精度較實(shí)際值也存在誤差。

3 星地聯(lián)合閉環(huán)補(bǔ)償方法

針對(duì)上述開(kāi)環(huán)功率控制技術(shù)存在的一些弊端，本文提出一種星地聯(lián)合閉環(huán)補(bǔ)償方法。衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)地通信業(yè)務(wù)時(shí)會(huì)將星上的狀態(tài)信息通過(guò)遙測(cè)信號(hào)發(fā)送給地面，地面接收遙測(cè)信號(hào)后通過(guò)放大、變頻發(fā)送給綜合基帶，綜合基帶完成信號(hào)的解調(diào)、幀同步、譯碼等工作后將遙測(cè)信息送遙測(cè)參數(shù)解析設(shè)備，解析設(shè)備可根據(jù)約定的格式和接口將衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)還原展示出來(lái)，參數(shù)中通常含有衛(wèi)星接收地面上行信號(hào)的電平大?。ˋGC電平）和鎖定指示。

當(dāng)出現(xiàn)降雨衰減時(shí)，衛(wèi)星收到地面站發(fā)送的上行信號(hào)電平將會(huì)變小，地面站通過(guò)遙測(cè)參數(shù)解析設(shè)備實(shí)時(shí)觀察衛(wèi)星接收電平大小，根據(jù)電平變化的值實(shí)時(shí)調(diào)整上行鏈路的發(fā)射功率，使衛(wèi)星接收的信號(hào)電平處于相對(duì)理想的狀態(tài)，此方法可將補(bǔ)償精度控制在0.1 dB以?xún)?nèi)，大大提高了衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)閉環(huán)工作流程如圖 1所示。

圖1 星地聯(lián)合閉環(huán)補(bǔ)償方法流程圖Fig.1 flow chart of satellite-ground joint closed-loop compensation method

4 結(jié)論

隨著 Ka頻段在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大家對(duì)抗雨衰技術(shù)的研究也越來(lái)越深，如分集技術(shù)、自適應(yīng)編碼技術(shù)、上行功率自動(dòng)控制技術(shù)等。本文基于ITU-R雨衰預(yù)測(cè)模型，對(duì)Ka頻段的降雨衰減特性進(jìn)行了分析，在國(guó)內(nèi)通用的開(kāi)環(huán)功率控制技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種星地聯(lián)合Ka頻段上行雨衰補(bǔ)償方法，可使地面站對(duì)衛(wèi)星的上行通信鏈路始終保持在良好的工作狀態(tài)。