基于iu-r模型的ka波段卫星通信系统降雨衰减等值线分布

基于iu-r模型的ka波段卫星通信系统降雨衰减等值线分布

1ka段卫星通信系统的展望卫星通信具有覆盖范围广、无地理限制、通信频率宽、传输能力强、适合各种业务传输等特点。在解决了许多其他通信模式无法替代的缺点，如偏远地区和分散岛屿的通信，卫星通信系统已经成为未来个人通信不可或缺的重要组成部分。卫星通信的发展将开启世界个人通信的新时代，大大加快信息社会的进程。近年来,随着宽带多媒体等业务需求的增长,C(6/4GHz)、Ku(14/12GHz)波段的卫星通信系统已不能满足宽带、高速、小口径终端等应用的需求,而Ka波段具有频带宽、干扰小、终端设备体积小等优点,可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)及个人移动通信等新业务提供一种崭新的手段,利用Ka波段(30/20GHz)或更高频段构成卫星通信系统是未来的发展趋势。因此,研究和开发Ka频段的卫星通信系统对我国未来卫星通信事业的发展有着及其重要的意义。对于Ka频段的卫星通信系统,由降雨引起的电波衰减是影响卫星通信线路传输质量的一个重要因素,准确的把握降雨衰减特性和补偿降雨衰减的方法研究,成为实现该系统的关键性问题之一。本文利用ITU-R降雨衰减预报模型,根据我国主要城市的降雨数据和地理位置参数,计算出轨道位置为92°E的通信卫星在线极化波情况下,Ka波段(30/20GHz)的降雨衰减等值线分布,并结合我国地形及气候分布状况,对Ka波段卫星通信系统的降雨衰减特性进行进一步的分析。2降雨衰减预测模型对于电波的降雨衰减的研究和分析,通常采用理论分析计算和实际测量等方法。由于降雨具有空间、时间的不均一性,而且随地域、季节的不同有很大的差异。因此,要准确地掌握设置地球站区域的降雨衰减特性,就必须经过长期的实际测量。而在要设置地球站的区域,大多不具备与其相应的降雨衰减数据,在这种情况下,目前多采用根据比较容易得到的气象数据(例如:降雨量、降雨率等)来预测降雨衰减值。文献中介绍了国际上几种较为成熟的计算方法,如ITU-R、Lin、SAM、Crane、Bothias等。其中,ITU-R降雨衰减预测模型,由于它具有使用简便、输入参数较少、计算精度较高、应用范围比较广泛等特点而被国际上广为应用。它的计算方法如下:1)计算超过年平均时间0.01%的降雨衰减值A0.01,由式(1)求出其中,γR为降雨衰减率。它与地面降雨率R0.01的对应关系,如式(2)所示其中,κ、α为与频率、极化方式、雨滴尺寸、雨水介电常数有关的系数,由式(3)、式(4)求出其中,κH、αH和κV、αV分别对应于电波的水平极化和垂直极化分量,其具体参数值见文献。θ为接收天线仰角,τ为接收点电波的极化角,以线极化波为例(τ=90°)。图1为地-空斜路径降雨衰减计算示意图,LS为穿过雨区电波传播的斜路径长度(km),hR为等效雨高,hS为地球站的平均海拔高度,r0.01为路径缩短因子,ϕ为地球站的纬度,它们分别由式(5)～(7)求出。其中,L0=35exp(-0.015R0.01)(km)、LG=Lscosθ(km)。2)由0.01%的降雨衰减值A0.01,计算在时间范围0.001%～1%内任意时间百分数p的衰减值:3线极化波降雨衰减特征我国幅员辽阔,按不同的降雨气候可分为北温带、中温带、南温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带及高原等气候区。不同的气候区,年平均降雨量和降雨率有着非常大的差异,导致降雨衰减值呈现出区域性分布。根据文献所提供的我国分钟降雨率数据R0.01(mm/h),如图2所示。选取全国省会城市和部分具有代表性的城市的降雨率数据,其地理位置的经度从82°E至126°E,纬度从19°N至50°N,地域范围广而且包含了各种典型的气候区。利用ITU-R的降雨衰减预测模型,计算出我国Ka波段,轨道位置为92°E的通信卫星在线极化波情况下/上下行链路(30GHz/20GHz)的0.01%时间降雨衰减(A0.01)等值线分布,结果分别如图3、图4所示。从降雨衰减值A0.01的计算结果可以看出:1)30GHz和20GHz的降雨衰减等值线分布呈现出基本相同的分布形态,由于频率相差10GHz,因此,降雨衰减值相差达到20～30dB。2)降雨衰减分布极不均匀,东西差异大。降雨衰减最大值分布在我国的海南省、广东省、台湾省等南部沿海一带,分别为68dB(30GHz)和38dB(20GHz),降雨率最大可达到R0.01=140mm/h。新疆、甘肃和西藏等地区,由于降雨较少,降雨率R0.01=5mm/h,降雨衰减为2～5dB,两者A0.01值相差30dB以上。3)降雨衰减呈带状分布。尽管中国Ka波段的降雨衰减极不均匀,但从降雨衰减的等值线图上我们可以看出,降雨衰减的分布是呈带状,规律比较明显。其趋势为从东南部向西北部逐渐递减,在福建阳江地区达到最大,在新疆的西北部达到最小。4)地面站天线仰角也是影响降雨衰减的一个重要的因素。不同的天线仰角值决定了电波通过雨区时斜路径长度的大小,仰角越大,通过雨区的斜路径长度就越短,降雨衰减就越小;反之,仰角越小则降雨衰减就越大。5)地面站天线高度也是影响降雨衰减的一个重要的因素。银川与贺兰的经纬度分别相差0.50°和0.22°,但其相对于各卫星的衰减值却相差9dB左右(最大为12.4dB,最小为6.9dB)。在相同地理位置及降雨条件下,由于海拔高度相差较大(银川为11115m,贺兰为28851m),等效降雨高度(银川为2702m,贺兰为912m)相差近1800m,进而导致其最终的降雨衰减相差9dB左右。4降雨衰减的主要影响因素根据ITU-R降雨衰减预测模型和我国主要城市的地理参数,可以得到我国Ka波段的降雨衰减A0.01值。计算结果表明,我国Ka波段降雨衰减最严重的地区为福建、广东、海南等沿海地区,其次为辽东半岛、胶东半岛及山东沿海等地区,华北和东北地区降雨衰减的影响为中等程度,西北地区