基于两种卫星模式的信号链路衰减与降雨量关系的初步分析

基于两种卫星模式的信号链路衰减与降雨量关系的初步分析

廖俊 吴小妹

广州气象卫星地面站，广东 广州 510640

摘要：本论文基于静止卫星和极轨卫星的两种模式，初步分析了卫星信号链路衰减与降雨量的关系。通过对位于卫星地面接收系统最前端的静止卫星地面天线和极轨卫星接收天线Uagc 的监测与分析，根据接收天线跟踪接收机的工作原理和对晴日里天线 Uagc 参考值进行合理选取，分析表明降雨会对气象卫星的X波段接收信号产生衰减，雨天卫星接收信号的衰减程度对降雨的多少有指示作用。探索了利用极轨气象卫星接收设备进行雨衰探测的可行性，为深入研究利用卫星通信进行降水探测提供一些参考。

关键词：静止卫星 极轨卫星 链路衰减 降雨

引言

卫星通信系统容易受环境的影响存在各种不可避免的干扰，其中，降雨衰减是需要重点考虑的因素。一般认为，在 10GHz 以上，雨衰将随频率的增加而很快增大，故对雨衰的研究主要集中 Ka、 Ku 频段，对于气象卫星用到的 L、 X 频段的雨衰研究较少[1-3]。朱杰等开展了雨衰对极轨气象卫星数传链路的影响研究，重点研究了喀什、佳木斯和北京地区在 20GHz 和 30GHz 频段的雨衰影响[4]。然而，文章没有分析 10GHz 以下极轨气象卫星信号工作频段的雨衰影响。在研究卫星通信雨衰问题的基础上，李黄进行了利用 Ku 波段卫星通信雨衰探测大气降水的初步研究，提出了一种从其他电磁波应用技术在大气中传播的干扰误差中提取大气海洋空间信息，发展对地遥感探测技术，广开地球空间信息获取资源的全新思路和重要途径。 而静止卫星相对于地球静止，可定点、连续地利用卫星信号链路衰减探测降雨。并且，利用已有的卫星接收设备进行雨衰探测，不需要另外增加设施和消耗，作为一种补充手段进行降雨的实时监测，充分发挥卫星系统设备效益。

本论文利用静止卫星和极轨卫星的信号链路衰减在一次降雨过程中的信号链路衰减与降雨量的关系进行了初步分析。2019年3月4日夜间至5日夜间，受高空槽和低空急流影响，粤北出现了暴雨局部大暴雨，珠江三角洲和阳江市出现了大雨局部暴雨。本次降雨过程对静止气象卫星和极轨气象卫星的X波段信号都产生了明显影响，而L波段信号的雨衰不明显。由于采用天线Uagc值与输入的卫星接收信号强度的变化量成线性关系，因此雨衰对卫星信号的影响可以体现在接收天线该频点下的Uagc值变化，下面就天线Uagc值的衰减情况进行卫星链路衰减与降雨量的分析。

1.静止卫星FY4A链路衰减与降雨量关系分析

信号频率：X频段

采点间隔：30min25s或30min26s，每天采集48个点。

1、无雨条件下天线Uagc参考曲线

由于天线性能有可能变化，无雨条件下天线参考Uagc值需要经常修正。这里选取近期2019年2月26日，27，28日的天线Uagc数据作粗略的参考。可以看出天线Uagc曲线变化趋势一致，且数值相差不大。由于业务功能设置，约上午8点以前的数据呈一条直线且数值较低，这段时间的曲线无法作参考，后期会对系统进行调整）。

(a)2月26日                                   （b）2月27日

(c)2月28日

图1 FY4A天线Uagc值 （注：蓝色曲线为天线X波段Uagc值，单位：V。）

将上述三条曲线求平均，得到无雨条件下的天线Uagc参考曲线如下所示：

图2 FY4A天线Uagc参考值

2、降雨条件下天线Uagc值

无雨条件下与降雨条件下天线Uagc参考曲线的差值由以下公式得出

△Uagc（△Uagc= Uagc无雨－ Uagc降雨）                                     （1）

可以反应信号雨衰量，△Uagc呈负值与静止天线固定位置接收FY4A卫星信号有关，使近期的Uagc参考曲线整体偏高或偏低。观察△Uagc、天线Uagc与观测站的24小时降雨量的变化趋势，发现降雨条件下的天线Uagc曲线不再平滑，△Uagc与观测站雨量曲线变化趋势相近，但观测站雨量曲线与△Uagc的数据峰值与△Uagc峰值、天线Uagc曲线的凹点吻合的不好。这是因为静止天线Uagc几乎是每半小时采一个点，而观测站的24小时雨量曲线是每小时降雨的累积量，且观测站与卫星地面站之间有一定距离（约8.3公里）。后期准备直接采集卫星接收信号电平值进行记录，并大量增加采样点，以增加数据直观性和可靠性；天线接收卫星信号模式也可由静止切换到运动跟踪状态，以找到最佳观测模式。

图3 降雨量与Uagc链路衰减关系

2.极轨卫星FY3D链路衰减与降雨量关系分析

信号频率：X频段

采点间隔：1s，每条轨道大约为12min。

1、无雨条件下天线Uagc参考曲线

选取近期无雨且高仰角轨道的天线Uagc值做粗略参考，分别为2018年2月16日6514轨，2月17日6521轨，2月27日6663轨。天线从3°仰角开始记录数据，最高仰角不大于90°，可以看出天线Uagc曲线变化趋势一致，且数值相近。当卫星运行到最大仰角时星地通信距离最短，卫星信号衰减最小，但Uagc曲线此时并没有明显增大，是因为卫星天线的辐射方向图被设计成一个马鞍形，这样当卫星运行经过地面站上方虽然星地通信距离最短，但其发射功率最小，可以避免卫星在最高仰角时的信号功率过大而损坏设备。

图4无雨条件下天线Uagc参考曲线

2、降雨条件下天线Uagc值

这次降雨过程中，北京时3月9日13:48:30-14:01:17的FY3D6805轨受降雨影响，雨衰明显，造成天线Uagc曲线抖动，峰值小于3.5v低于无雨条件的数值。

3月9日13:00~14:00的小时降雨量达到6.4mm，查看当日13:54的雷达组合反射率图发现有大范围降水，图中标记处为观测站点，距离卫星地面站约8.3公里。

结论

综上所述，降雨会对气象卫星的X波段接收信号产生衰减，雨天卫星接收信号的衰减程度对降雨的多少有指示作用。采集并记录卫星接收信号电平值更直观可靠。通过对比无雨和降雨条件下的信号电平差值即雨衰值，结合ITU-P给出的雨衰预测模型，即雨强R(mm/h)与雨衰呈幂次律关系，进而可反演出信号路径降雨强度。

参考文献

[1]郭烜. Ka 频段雨衰特性研究[D]. 西安电子科技大学. 2011.

[2]刘芸江，黄国策，甄蜀春，李曼. 雨衰条件下卫星信道容量的性能分析[J]. 空军工程大学学报（自然科学版）.2004, (5(4): 50-52, 59.

[3]范骏，徐概，黄麟舒. 下行链路雨衰对卫星地面接收系统噪声温度和噪声功率的影响[J]. 电子测量技术. 2007,30(3): 172-174.

[4]朱杰. 极轨气象卫星数传链路雨衰影响. 气象科技[J]， 2014,42（1）： 54-61.

作者简介：廖俊（1984.08）女，汉族，广西桂林人，硕士研究生学历，高级工程师，从事研究方向或职业：卫星数据接收及运行控制。