X频段星地数据传输链路降雨及沙尘衰减特性研究.pdf

第5 5 卷第4期2023年7 月智能物联技术Technology of IoT&AlVol.55,No.4Jul.,2023物联网技术与应用X频段星地数据传输链路降雨及沙尘衰减特性研究王玉冉1,咸永强2,高晓宇,纪航3（1.新疆科技学院，新疆库尔勒8 41 0 0 0；2.中国人民解放军6 36 1 2 部队，甘肃敦煌7 36 2 0 0；3.中国人民解放军6 36 1 0 部队，新疆库尔勒8 41 0 0 0)摘要：降雨衰减（雨衰）和沙尘衰减是引起高频卫星通信链路损耗的重要因素。本文基于国际电信联盟ITU-R模型，利用MATLAB仿真对全国十个典型站点降雨衰减量进行了计算，对在9 9.9 9%可用度情况下的降雨衰减进行了分析，计算得到X频段星地数据传输链路降雨衰减特征；利用Goldhirsh模型计算了地面站不同仰角下衰减量和能见度的关系。本文研究可以为卫星地面站开展数据传输、测量控制等工作提供参考。关键词：X频段；降雨衰减；星地链路；沙尘;ITU-R;Goldirsh model【中图分类号】TN927【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 6-6 0 5 9(2 0 2 3)0 4-0 5 2-0 5Research on Rain and Sand Attenuation Characteristics of X-bandData Transmission LinkWANG Yuran,XIAN Yongqiang,GAO Xiaoyu,JI Hang(1.Xinjiang University of Science&Technology,Korla 841000,China;2.Unit 63612 of PLA,Dunhuang 736200,China;3.Unit 63610 of PLA,Korla 841000,China)Abstract:Rain attenuation and sand attenuation are the main factor affecting the link loss of high frequency satellitecommunication.The value of rain attenuation over ten typical satellite ground stations were calculated based on ITU-Rmodel with MATLAB in this paper.An analysis was conducted on the rainfall attenuation of typical stations under 99.99 re-liability and the rainfall attenuation characteristics of the X-band data transmission link were calculated.The relationshipbetween attenuation and visibility at different elevation angle was analyzed using the Goldhirsh model.This study can pro-vide reference for satellite data reception system of satellite ground stations to carry out data transmission measurement con-trol and other work.Key words:X band;rain attenuation;satellite-earth link;sand and dust;ITU-R;Goldirsh modelnational Telecommunication Union,ITU)频率划分规则，X频段是我国气象卫星以及其他遥感卫星的主0引言高频电波在自由空间传播过程中易受降雨和沙尘的散射和吸收作用影响,产生传输损耗-2。这种衰减严重时会导致卫星通信链路的中断。因此应对星地数据传输链路衰减进行合理估计，以便制定精准的应对措施3。根据国际电信联盟(Inter-要数据传输频段 4-5。由于降雨和沙尘作为一种自然现象，在发生时间、发生地域等方面具有很大的不确定性，因此很难精确地量化降雨衰减和沙尘介质的传播衰减。国际组织ITU-R及其前身CCIR(International Radio Consultative Committee,国际无收稿日期：2 0 2 3-0 5-30作者简介：王玉冉（1 9 8 8-），女，山东聊城人，硕士研究生，助教，主要研究方向：电磁波传输特性。52王玉冉，咸永强，高晓宇，等：X频段星地数据传输链路降雨及沙尘衰减特性研究线电咨询委员会）经过长期观测研究，总结出了针对不同的时间概率估算最大雨衰量统计值的方法。星地数据传输链路雨衰特征一度成为2 1 世纪初的热点研究领域，研究人员 6-7 也对多种预测评估模型进行了分析比较。结果表明,ITU倡导的模型考虑了低仰角、极化形式等因素,计算准确度较高。为了准确评估X频段星地链路信号的降雨衰减特征，本文选择ITU-R模型对不同的卫星通信地面站进行雨衰数值计算，采用Goldhirsh模型 1 3对1 0 GHz频段在沙尘媒介中的传输特性进行分析，为遥感系列卫星地球站在不同雨衰以及沙尘环境下的数据传输链路设计提供支撑。11传输衰减模型1.1ITU-R 模型本文主要根据经典模型ITU-RP.618-11（即ITU-R模型）对星地链路X频段降雨衰减进行预测分析。该模型是国际电信联盟无线电通信组讨论认定的模型，其特点是便于应用且精度较高。ITU-R模型计算雨衰的步骤如下：首先,计算降雨高度以及相关数据,如图1 所示为地空路径衰减参数以及计算过程示意图，降雨高度hR可由式(1)计算：3.0+0.028,036hR=(4.0-0.75(-36),36式中：中为地球站纬度。固态降雨区液态降雨区图1 等效雨高示意图Figure 1 Schematic diagram of equivalent rain height当5时,降雨高度以下的倾斜路径公式为：L,-hr-hs(2)sin 0式中：h为降雨高度，km;hs为地球站平均海拔高度,km。当 5 时,降雨高度倾斜路径由式(3)计算：2(hr-hs)L=-12sin?+2(hr-hs)+sin 0Re式中：R。为有效地球半径,km。确定倾斜路径的水平投影Lc：Lc=Lscos 0计算0.0 1%时间路径缩短因子ro01：1Tool=1+L/Lo式中：Lo=35exp(-0.015Ro.01),Ro.01为时间概率为0.0 1%的降雨率。每公里雨衰值，即衰减率可以由下式计算：y=k(Ro.01)a(6)式中参数k和用来估计雨衰的统计特性,其值由式(7)和式(8)计算：k=kn+ky+(ku-kv)cos?cos20/2=krar+kvay+(kran-kvav)cos?cos2/2k(8)其中，8 为相对水平的极化角，8=45 为圆极化波，8=9 0 为线极化波。k,和kv,v分别对应于电波的水平极化和垂直极化分量。为接收点电波的极化角。由于降雨主要对1 0 GHz以上电磁波产(1)生强烈散射和吸收作用，所以本文针对X频段10GHz和1 2 GHz两个频点进行计算，两个频点的降雨衰减参数如表1 所示8。表1 X频段降雨衰减参数值Table 1 Rainfall attenuation parameter values in X-band频率/CHzkhR10LG12海平面超过年平均0.0 1%时间的衰减值A0.01为：Ao.0i=L,ro.0由A0.01可以求出其他时间概率p的衰减值A,：(10)1.2（Goldhirsh 模型Goldhirsh模型建立了沙尘暴二维的衰减与后向散射模型，给出了电磁波在沙尘中衰减的表达53(3)(4)(5)(7)kvH0.01010.008870.01880.0168v1.2761.2641.2171.200(9)智能物联技术Table 2 Geographical Location and Rainfall Rate of式。地空路径上能见度V与高度的关系为：VY=VoLho式中：V和V分别是高度h和ho对应的能见度,km;b=0.28。文献 1 3给出了能见度与高度的变化关系：V=3.24Voho.28式中:h为高度,km。不同高度处沙尘的衰减率和相移系数为：F=2.38x10-3*Voh0287(e*+2)+(em)=5.2410-3*(s-10t2)()(14)FVoh0.28式中：F为电磁波频率，GHz;8和8 分别为沙尘粒子介电常数8 m的实部和虚部。地空路径上沙尘的总衰减A和总相移m表示为：hAm=dh0sin hdm=dh0sin 式中:hi为沙尘的高度,km;0为仰角,度。计算得到地空路径上沙尘的总衰减和总相移分别为1 1 3Am=3.31x10 3*h.a/2*Vsin9(0+2)2+(c)2Vsin 0式中:F为频率,CHz;V。为能见度,km;hi为沙尘高度,km;0为仰角,度;=1.0 7。2衰减特性分析2.1隆降雨衰减特性分析星地链路降雨衰减数值依赖地区降雨率的累积分布数值。本文选取酒泉、青岛、兰州、乌鲁木齐、海口、哈尔滨等典型的1 0 个站点。站点位置的经度从8 2 E至1 2 1 E，纬度从2 0 N至45 N，地域跨度大而且包含我国各种典型的气候区，如表2 所示。表2 采用文献 1 1 的方法计算各地区的降雨率。X频段是遥感系列卫星通信系统的数据传输频段，通常要求高概率可靠度（通常为9 9.9 9%），因此降雨衰减引起数据链路传输系统的中断概率不超过0.0 1%。1 0 个站点0.0 1%时间的降雨率Rool-11见54表2 全国1 0 个典型站点的地理位置和降雨率bh(ea+2)2+(b)2(+2)2+(8b)2(11)(12)(13)(15)(16)(17)(18)10 Typical Stations in China站名纬度（）经度/(）海拔/m降雨率/(mm/h)酒泉39.77哈密42.82乌鲁木齐43.57库车41.72大连38.9兰州36.05厦门24.45哈尔滨45.68海口20.03青岛36.15表2。基于ITU-R模型，利用降雨数据对我国1 0 个典型站点分别对静止卫星轨道位置在1 0 5 E和1 30 E、频率1 0 GHz和1 2 GHz的降雨衰减数值进行计算，极化方式采用圆极化,其计算结果见表3。根据ITU-R计算模型，倾斜路径越长降雨引起的衰减量越大。而对于同一颗卫星不同的地球站,天线仰角值决定了电波通过雨区时的斜路径长度。同一降雨强度下，地球站的海拔高度、经纬度、星位决定了降雨衰减量的大小。我国降雨分布不均的情况决定了各地球站建站时可以根据估算的雨衰数值保留合理裕量。计算结果显示，静止卫星轨道位置在1 0 5 E，9 9.9 9%可用度情况下,X频段1 0 GHz频率，降雨衰减率最小的是乌鲁木齐，衰减仅0.3dB，衰减最大的是海口,为13dB。图2 所示为卫星位置为1 30 E时，酒泉、兰州和乌鲁木齐地区(旱区)在1 2 GHz频率,不同时间概率下(0.0 0 1%到1%)的雨衰数值比较。从图中可看出，同一时间概率下，兰州地区的降雨衰减值比酒泉和乌鲁木齐地区的降雨衰减值大，在时间概率为0.001%时相差4dB以上。ITU-R计算模型中,时间概率对应不同程度的降雨率，雨衰随着降雨率的增大而增大。就同一个地面站而言，降雨衰减值随着工作频率的增大而增大 2。西北地区干旱少雨的特征决定了该地区X频段建站成本相对较低，如兰州地区98.5293.5287.182.95121.63103.88118.07126.62110.35120.421477.2737.9653.51099.093.51517.263.2171.714.116.8108577524984912483王玉冉，咸永强，高晓宇，等：X频段星地数据传输链路降雨及沙尘衰减特性研究表399.99%可用度时X频段降雨衰减计算值Table 3 Calculated values of X-band rainfall attenuation105E站点10GHz时的天线仰角/(）衰减值/dB酒泉43.5043哈密39.2410乌鲁木齐36.6271库车36.8319大连41.7502兰州48.1533厦门57.8587哈尔滨33.2502海口65.7390青岛44.984010100130E12GHz时的10GHz时的天线仰角/(）衰减值/dB0.53340.86910.52230.86260.30610.52040.41940.69859.286913.36921.63992.531910.706715.16205.87558.682213.024318.179310.478114.990410-0酒泉-X频段-1 2 GHz-兰州-X频段-1 2 GHz4-乌鲁木齐-X频段-1 2 GHz12GHz时的衰减值/dB衰减值/dB33.74410.641528.51650.659524.13570.418122.55250.609244.12749.075139.89391.852958.421010.692737.32645.481957.584012.871846.841710.3378海口-1 0 5 E-X频段-1 2 GHz-海口-1 30 E-X频段-1 2 GHz哈尔滨-1 0 5 E-X频段-1 2 CHz1001.04511.08930.71091.0144.13.06422.860615.14208.100617.966414.7896-哈尔滨-1 30 E-X频段-1 2 GHz10-10-1010-210-3L0图2 旱区卫星位置为1 30 E时的雨衰曲线Figure 2 Rain attenuation curve at 130 E satelliteposition in arid areas建设X频段地面站时预留6 dB的余量一般就能够满足数据传输要求。图3所示为我国相对多雨地区的降雨衰减曲线。与图2 计算结果相比,9 9.9 9%可用度下，旱区降雨衰减量不超过7 dB，而湿润多雨的海口地区的降雨衰减量高达数十分贝。图3也表明，在X频段下，相近的两颗卫星在地面站仰角不同时其雨衰数值差距较小,均在1 dB以内。影响降雨衰减的关键因素是降雨率，海口地区的降雨衰减值高达38 dB，比哈尔滨地区高出一倍,因此应对多雨地区的地面站制10-312降雨衰减/dB345670图3相对多雨地区的雨衰曲线Figure 3 Rainfall decline curve in rainy areas定合理策略对抗高雨衰现象，以满足星地数据传输要求。2.2沙尘衰减特性分析电磁波传输过程中，电磁波衰减率随能见度的增大而减小，原因是电磁波传输空间单位体积中的沙尘粒子减少，环境中的粒子对电磁波的散射吸收效应减弱，路径传输损耗降低。电磁波衰减和频率的关系是频率越高衰减越大，原因是电磁波工作频率越高，对应的波长就越短，越容易受沙尘粒子的影响 1 3-1 5。对特定地区的卫星地面站来说,使用的频率55510152025303540降雨衰减/dB智能物联技术一般较为固定。沙尘地区主要分布在我国北方，地减与能见度的关系,结果表明仰角越小，能见度越面站在使用同步卫星时，星地链路传输路径主要依低，电磁波在传输过程中的总衰减越大。赖仰角的大小。本节主要计算不同仰角时衰减量和能见度的关系，图4所示为频率为1 0 GHz时不同地面站仰角下微波总衰减与能见度的关系，沙尘高度1 km，仰角分别为1 5 30 和45。可以看出，仰角越小，电磁波在传输过程中的总衰减越大。这是因为在相同沙尘高度时，仰角越小,电磁波的传播路径越长,增大了总衰减量。因此，沙尘天气中进行星地数据传输时应优先分配高仰角的卫星，以减少电磁波在沙尘中传播的衰减量。0.0140.0120.010.0060.0040.002000.20.40.60.811.21.41.61.82能见度/km图4频率为1 0 GHz时不同地面站仰角下微波总衰减与能见度的关系Figure 4Relationship between total microwaveattenuation and visibility under different elevationangles with frequency of 10CHz3结语本文根据ITU-R模型计算了我国十个典型站点在9 9.9 9%可用度下X频段星地数据传输链路的降雨衰减，对各个地区在两个同步卫星轨道位置（1 0 5 E 和1 30 E)的雨衰值进行了系统分析。结果表明，影响降雨衰减最大的因素是0.0 1%时间的降雨率；卫星地面站天线的仰角大小对降雨衰减也有一定影响。对于降雨衰减较大的地区，应制定合理的抗衰减策略以满足星地数据传输要求。依据Goldhirsh模型分析了卫星地面站不同仰角下总衰参考文献：1庞宗山，路平.Ku波段卫星通信雨衰分析及对抗措施J.科学技术与工程,2 0 0 7,7(9):2 0 7 8-2 0 8 1.2DONG X Y,CHEN H Y.Microwave and MillimeterWave Attenuation in Sand and Dust StormsJJ.IEEE An-tennas and Wireless Propagation Letters,2011(10):469-471.3张春海，李洪涛，赵文军，等.卫星导航系统链路预算方法研究.全球定位系统,2 0 1 3,38(6):6 2-6 7.4聂晶，张媛媛，郭强，陈丽.风云三号气象卫星星地数据传输X频段链路干扰协调门限研究 J气象科技，2022,50(3):355-360.5 裘奕，张宝,陈素晶，等.静止气象卫星Ka数传链路特性-+0-1500-30-V0-450及分集策略研究无线电工程，2 0 2 2,5 2(8)：1 49 6-1 5 0 3.6Bryant G 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