卫星导航C频段上行信号频率雨衰性能分析

图 2 频率、降雨量与雨衰的关系（仰角固定 40°）
对于天线仰角较低的星地系统，雨衰的影响尤 为严重，天线仰角与雨衰的关系如图 3 所示。天线 会受到约 1.7dB～3dB 的 仰角在 25°～5°变化时， 衰减，仰角越小，雨衰越大。
3.6 3.4 3.2 3 2.8
5 结束语
对使用 C 频段上行信号的卫星导航系统而言， 准确、及时地掌握信号雨衰性能，可以为系统采取 消除雨衰影响措施（如：增加链路余量、调整上行 功率、优化编码方式以及建设地面备份站等）提供 重要依据，对保证卫星导航系统的稳定运行和提供 高可用度服务具有重要意义。 参考文献：
2 雨衰模型
根据降雨实际情况，雨衰模型如图 1 所示。
1 所示。
表 1 典型的 k H , H 和 kV , V 值 kH kV H V f (GHz)
1 2 4 6 7 8 10 图 1 雨衰模型 12 15 20 25 30 0.0000387 0.000154 0.000650 0.00175 0.00301 0.00454 0.0101 0.0188 0.0367 0.0751 0.124 0.187 0.0000352 0.000138 0.000591 0.00155 0.00265 0.00395 0.00887 0.0168 0.0335 0.0691 0.113 0.167 0.912 0.963 1.121 1.308 1.332 1.327 1.276 1.217 1.154 1.099 1.061 1.021 0.880 0.923 1.075 1.265 1.312 1.310 1.264 1.200 1.128 1.065 1.030 1.000
根据雨衰模型，降雨对卫星导航信号的实际作 用的长度取决于降雨云高度、地面站海拔高度以及 地面跟踪天线仰角。另一方面，单位长度内雨滴数 量越多，雨衰效果越明显。
实际应用中， k , 参数可根据表中数据进行
3 雨衰经验公式
3.1 雨衰公式 在卫星链路中，统计雨衰模型一般采用 ITU-R P.618 提供的 CCIR 模型，它来源于储存在 ITU-R 数据库里的长期测试的雨衰结果， 该模型对于 C 波 段的卫星导航信号同样有效。 雨衰模型公式为：
Key words: Satellite Navigation; C-Band; Rain Attenuation
根据国际无线电规则， 频率范围 6.0 GHz 至 6.5 GHz 的 C 频段是卫星导航可选的上行信号频率。 由 于 C 频段信号传输受对流层影响明显， 因此必须考 虑大气传输对信号传输的衰减影响。 对流层对电波传输的影响主要表现为降雨衰 减（雨衰）。雨衰由雨滴对电波的吸收和散射造成， 其大小与雨滴的物理模型、电波的极化方向、工作 频率、接收地点的位置及海拔高度等诸多因素有 关。 对于高可用度的卫星导航系统而言，雨衰是影 响系统上行信号链路质量和系统运行稳定性的重 要因素。因此，需要根据雨衰的产生机理和统计特 性，建立合适的雨衰预测模型，以确保能够及时预 测雨衰并采取相应的抗雨衰措施来保证系统的稳
选取的偏差，以上计算结果与实际情况基本相符。 因此，为保证卫星导航系统高可用度运行，需及时 掌握天气状况，并根据需要及时调整系统设备相应 状态，消除雨衰对上行信号的影响。
3.5 雨衰定量分析
以北京地区为例，对雨衰做定量分析。北京的 纬度为 40.2°，海拔高度约为 50 m。导航信号极化 方式为圆极化，取天线仰角为 40°时，不同的信号 频率和不同程度的降雨量对雨衰的影响如图 2 所 示。在大雨至暴雨情况下，C 波段卫星导航信号会 受到约 4dB～8dB 的衰减。
2012 年 6 月第 3 期
现代导航
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卫星导航 C 频段上行信号频率雨衰性能分析
严银江，张书雨
（北京 5136 信箱，北京 100094）
摘
要：雨衰是影响卫星导航 C 频段上行信号链路质量的重要因素，根据雨衰及时采取措施
可以保障系统运行的稳定性。本文对雨衰产生机理、雨衰模型、雨衰计算以及雨衰影响作了定性 和定量的分析，解决了在各种降雨程度下计算不同频点、不同形式的卫星导航信号雨衰的问题， 分析结果可用于卫星导航系统的设计和保持系统稳定运行。 关键词：卫星导航；C 频段；雨衰 中图分类号： TN927 文献标识码： A 文章编号： 1674-7976-(2012)03-157-03
Rain Attenuation Analysis of C-Band Satellite Navigation Signal
YAN Yinjiang，ZHANG Shuyu
Abstract: Rain attenuation is an important factor which influences the uplink quality of C-band satellite navigation. The
非线性拟合得到。本文采取拉格郎日插值和三次样 条插值相结合的方法来获取不同频率、极化方式下 的 k , 参数。
3.3 等效路径长度 L 的获取
根据图 1 的雨衰模型可得：
L
hR hd sin
(4)
A k R L
(1)
其中： 为地面站天线仰角；hR 为雨区的高度；hd 为地面站海拔高度。 国际通用的雨区高度计算方法为：
23北半球 5 0.075( 23)； 21 23南北半球 5； hR 1 21 ）； 71 21南半球 5 0.（ 0； 71南半球
Hale Waihona Puke 式中，A 为雨衰值（dB） ；R 为降雨量（mm/h） ；L 为雨层对电磁波作用的等效路径长度（km） ；k, 为电磁参数，是依赖于电磁波频率、极化方式的常 数。各参数具体由如下算法获取。 3.2 电磁参数 k, 的获取 设 k H , H 和 kv , v 分别为水平和垂直极化 时常数，那么：
收稿日期：2012-03-31。
定运行。
1 雨衰机理
雨滴对电磁波的影响主要为吸收和散射。水分 子处于快速变化的电磁场中时，其热振动的强度会 变大，宏观表现为雨滴温度增加，穿过雨层的电磁 波的衰减增加。当电磁波的波长远大于雨滴的直径 时，衰减主要由雨滴吸收引起，当电磁波的波长变 小或雨滴的直径增大时，散射衰减的作用增大。电 磁波通过雨滴发生散射会降低原传播方向上的电 磁波强度，雨滴尺寸和电磁波波长相差越小，散射 作用就越明显，电磁波衰减值就越大。据统计，普 通降雨中雨滴的尺寸一般为 0.05 cm～0.6 cm， 相比 C 波段导航信号的波长最短为 4.78 cm， 因此雨衰效
4 降雨对卫星导航信号的其他影响
4.1 去极化效应
雨滴在降落的过程中，由于受到地球引力和空 气阻力的作用，不会保持标准球形。而且雨滴对水 平和垂直方向衰减系数也不一致，k H , H , kv , v 值 的不一致则定量说明了这一点。 由此可见，圆极化卫星导航信号受到雨滴的影
15
响，会降低自身极化鉴别度，增加卫星导航系统的 误码率。
降雨雨dB
2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 0 5 10 15 20 25 30
天天天天
图 3 天线仰角与雨衰的关系（频率 6GHz，降雨量 60mm/h）
考虑到测量误差和纬度、海拔、降雨量等参数
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现代导航
2012 年
应非常显著。而且降雨量越大或传输路径越长，电 磁波与雨滴的这两种相互作用发生次数越多，雨衰 效果就越明显。

k H H kV V k H H kV V cos2 cos2 (3) 2k
其中，圆极化时 =45°； 为天线仰角；根据 ITU 提供的 CCIR 数据， 典型的 k H , H 和 kV , V 见表
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其中：Φ 为当地纬度。
3.4 降雨率 R 的获取
k
k H kV k H kV cos2 cos2 2
(2)
根据气象标准，不同程度的降雨对应的降雨率
R 可按表 2 划分。
第3期
严银江等：卫星导航 C 频段上行信号频率雨衰性能分析
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表 2 降雨量划分标准
小雨 降雨量 (mm/h) 0～20 中雨 20～50 大雨 50～100 暴雨 100 以上
降雨雨dB
10
4.2 增加系统噪声温度
降雨在产生衰减的同时也会增加系统的噪声 温度。
5
0 150 100
降降降 mm/h
50 0 2 3
4
信信信信 GHz
5
6
7
T TR (1 1 / AR )
(5)
其中： TR 为雨滴温度，单位为 K； AR 为雨衰值。 由此可见，降雨严重时，卫星导航系统噪声温 度会大幅增加，对于系统运行造成一定影响。
stability of system operation could be protected by taking actions timely according to rainfall attenuation. The mechanism of generation, the model, the account and the influence of rain attenuation are analyzed in this paper, and the problems of calculating in different frequency and different form are resolved. The result could be used for the design of satellite navigation system and maintenance.