關(guān)于雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊懷芯?/h1>
2016-04-25 01:34:29鄭宇
中國科技博覽 2016年14期
鄭宇
[摘 要]衛(wèi)星通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的一項重要手段，是科技發(fā)展的結(jié)果。衛(wèi)星信號的傳播質(zhì)量受到大氣層的影響，尤其是雨雪天氣的發(fā)生。由于衛(wèi)星信號能夠廣泛的傳播，不受距離的限制。因此，我們認(rèn)為衛(wèi)星信號具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景，可以運用到生活的方方面面，具有開放性。但是，通信信號也容易受到外部因素的制約。本文將對雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸?shù)母蓴_做出幾點分析。
[關(guān)鍵詞]雨衰現(xiàn)象；衛(wèi)星信號；傳輸；干擾因素
中圖分類號：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0320-01
衛(wèi)星通信是利用微波波段的高頻電磁波來傳輸數(shù)據(jù)的，在這個過程中會穿過大氣層傳輸?shù)孛婧托l(wèi)星之間的訊息。衛(wèi)星信號的傳遞是一個復(fù)雜的過程，影響衛(wèi)星信號傳輸?shù)囊蛩赜泻芏?，例如衛(wèi)星蝕、日凌現(xiàn)象、雨衰現(xiàn)象等。本文將針對雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行深入淺出的探討，從而找出可以有效解決該問題的具體方案，有效的預(yù)防雨衰對衛(wèi)星信號的干擾，推動我國的衛(wèi)星事業(yè)向前發(fā)展。
一、雨衰產(chǎn)生的機(jī)理
雨衰是電磁波進(jìn)入雨層后對衛(wèi)星信號產(chǎn)生的干擾，主要是因為雨粒散射和吸收導(dǎo)致的衰減情況。在電磁波遇到雨粒的時候，會被反射而出現(xiàn)二次反射，最后導(dǎo)致了衰減。因此，雨粒吸收衰減是因為雨粒本身的特點，作為傳導(dǎo)的媒介導(dǎo)致衰減情況的出現(xiàn)。雨滴的直徑和波長之比對雨衰的強弱有著直接的影響，因此我們得出雨滴的直徑和降雨率的大小有關(guān)。在進(jìn)一步研究中，我們發(fā)現(xiàn)雨衰的大小和雨滴直徑與波長的比值有著可比性關(guān)系，而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。在對實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析時，我們得出如下數(shù)據(jù)：雨滴的半徑約在 0.024cm～0.3cm， C波段的電波波長在7.4cm 左右，由于雨滴的半徑相對較大，所以沒有受到降雨量太多的影響，一般小于2dB；在Ku波段內(nèi)，電波的波長在維持在2.5cm 左右，因此，受到降雨量的影響比較大，最大的時候可以超過20dB。除此之外，降雨還會引起更大的噪聲溫度，使接收天線的噪聲溫度升高，有時也會發(fā)生去極化，其中也會有雨粒吸收和散射引起的衰減，即出現(xiàn)了二次折射。
在降雨作用下引起的信號去極化，其主要原因是雨滴在下落的過程中，在空氣阻力的作用下，使雨滴的形狀為橢球形。這一情況的出現(xiàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)電磁波將能夠?qū)τ甑蔚拈L軸和短軸的位移進(jìn)行相應(yīng)的變化，這是一個適應(yīng)的過程。又由于這種對雨衰的轉(zhuǎn)移和分離，能夠進(jìn)一步對極化隔離度產(chǎn)生降低的作用，從而也會導(dǎo)致正交極化的信號互相干擾增大。
熱損耗是雨衰的主要表現(xiàn)。當(dāng)電磁波的長度和雨粒的大小接近時，會引發(fā)共振現(xiàn)象，這時將會出現(xiàn)最大的衰減現(xiàn)象。頻段上行頻率在左或右，波長也會跟隨它的變動而變動，且這個頻段的信號波長與雨滴的直徑比較接近，所以，在該頻段出現(xiàn)的降雨會對電磁波產(chǎn)生更大的英雄榜，加大了衰減的發(fā)生，嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個信號的中斷。
除此之外，雨衰的大小還受到多種因素的影響，例如：電磁波的極化方向，地球站所在的位置，以及海拔高度的不同。這也加大了科研人員對雨衰值得估算。估算的結(jié)果會決定，針對對不同頻段的衛(wèi)星進(jìn)行不同措施，來緩解雨衰對信號的干擾。且在站型設(shè)備配置、經(jīng)費預(yù)算、運行與調(diào)度方式上做出具體的估量，為方案的制定奠定真實有效的基礎(chǔ)。因此，在系統(tǒng)鏈路預(yù)算中做好雨衰測量的工作是非常困難，但又十分重要，這就要求科研人員加強預(yù)測分析的準(zhǔn)確度，尋找規(guī)律。
二、雨衰現(xiàn)象出現(xiàn)的原因和規(guī)律
降雨過程可以達(dá)到對電波的衰減，但這仍是一個復(fù)雜的過程。在降雨的時候由于降雨云層類型的不同，厚度、移向、水汽凝成物的幾何尺寸、水汽含量、形狀、水態(tài)水滴、冰晶或其混合體、電波的波長、電波穿越雨區(qū)的長度都對電波的衰減產(chǎn)生了不同程度的影響。云層中經(jīng)常會蘊藏著水汽凝成物，在水汽上下的過程中，因為運動而產(chǎn)生的碰撞，能夠形成新的水汽凝成物，這就是水滴或冰晶。隨著水滴或冰晶質(zhì)量的不斷增大，當(dāng)上升的氣流無法抵抗時，它們會落在地面，就是我們所看到的雨或者雪。
根據(jù)電波傳播的理論，我們可以提出新的論點，就是由于降雨引起的雨衰，導(dǎo)致了信號的功能頻率有所下降。在研究下，我們也找到了這一問題的原因。即雨滴能夠吸收電波的一部分能量，最終以熱能的形式進(jìn)行了消耗。與此同時，也會把另外一部分電波的能量均勻的散發(fā)到周圍，這就證明了雨滴是一種有二次的輻射源。二次發(fā)射的電波不受方向的影響和控制，具體來講是一種散射現(xiàn)象。在二次散射發(fā)生的時候，從原來方向射出來的電波就會被衰減。除此之外，雨滴也會和波長形式特殊的關(guān)系，即折射的產(chǎn)生。電波的吸收能力也會根據(jù)折射率的變化而變化。當(dāng)然，雨滴的密度，雨區(qū)的范圍和氣候條件對電波都會產(chǎn)生不同程度的影響。
三、解決雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸影響的方案
就目前的科研水平來講，專家在雨衰的問題上為了我們提供了一些解決的方案。第一，可以通過加大天線的尺寸或者信號的功率，減少雨衰的大小。但是這會導(dǎo)致衛(wèi)星成本的增加。第二，我們可以增加在地面的衛(wèi)星終端站，為衛(wèi)星信號的傳遞提供多個站點進(jìn)行接收，增加衛(wèi)星信號傳播的有效路徑。但是，這也會增加地面系統(tǒng)控制的成本。第三，可以通過對功率分配的控制，增加衛(wèi)星對降雨地區(qū)傳輸?shù)墓β?。想要做到這一點，需要我們具備更先進(jìn)的技術(shù)，提高對軟件的控制能力，但是會增加衛(wèi)星運行過程中的復(fù)雜性。第四，就是對信號畸變的校正技術(shù)。波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以在一定程度上環(huán)境雨衰問題帶來的不良影響。想要提高波段衛(wèi)星的使用效率和可靠性，必須在鏈路設(shè)計中有一定余量來避免暴雨造成的通信中斷。但是，余量如果沒有得到合理的利用，在正常的天氣下將會造成很大的浪費，最終也會造成整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本的增加。
在新技術(shù)的發(fā)展下，我們認(rèn)為衛(wèi)星傳輸?shù)穆窂綄τ晁サ木徑庥泻艽蟮挠绊?。具體分為三個部分。第一，就是對上行站的雨衰補償。這一環(huán)節(jié)的設(shè)置主要是為了通過線性增大上行站的EIRP，這有利于在降雨發(fā)生的時候，上行信號在飽和通量的密度上可以實現(xiàn)相對的穩(wěn)定。在特殊的天氣狀況下，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中的信號不易受降雨因素的制約。第二，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行補償。就國際研究表明，KU波段的直播衛(wèi)星可以對上行線路進(jìn)行補償，其中，一部分可以在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的作用下得到實現(xiàn)，另一部分則是在上行站的基礎(chǔ)上實施的。因此，如果雨衰能夠超過上行站本身的補償能力，那么，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器就會發(fā)生積極的效用，對輸出的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)大，從而實現(xiàn)對雨衰的補償效應(yīng)。除此以外，使用這種補償方式，有利于上行鏈路對雨衰補償范圍的確定，進(jìn)而可以提高Ka波段衛(wèi)星的使用度。美國作為衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展較早的國家，在Ku波段的衛(wèi)星上已經(jīng)使用了該技術(shù)，并且取得了比較滿意的效果。在滿足上行站隊雨衰補償?shù)那疤嵯缕鸬搅私档偷淖饔?，同時還節(jié)約了成本。
結(jié)束語
在我國的南方地區(qū)，受到自然現(xiàn)象的影響比較大，雨雪的災(zāi)害也會進(jìn)一步的對衛(wèi)星數(shù)字接收系統(tǒng)造成暫時的影響。因此，雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸，間接的對我們的生活產(chǎn)生了不同方面的影響。所以，我們絕對不能忽略雨衰對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊?。對于Ku波段上的衛(wèi)星我們必須采用科學(xué)的手段和技術(shù)進(jìn)行控制，減少雨衰的干擾。同時，還有考慮多雨衰受到多種因素的限制，要多角度的尋找解決方案，從而有效的減少因為自然氣候條件對衛(wèi)星傳輸帶來的負(fù)作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 李長文.雨雪衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊慬J].西部廣播電視，2013（4）.
[2] 王美鳳.外界因素對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊慬J].實用影音技術(shù)，2013（7）.
[3] 劉濤.Ka波段衛(wèi)星通信雨衰與抗雨衰問題的研究[D].東北大學(xué)，2012（5）.
[4] 余英，張瑞芝.太陽活動及雨衰對衛(wèi)星通信的影響和改善措施[J].全國廣播電影電視系統(tǒng)首屆中青年優(yōu)秀科技論文集，2011（11）.
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[關(guān)鍵詞]雨衰現(xiàn)象；衛(wèi)星信號；傳輸；干擾因素
中圖分類號：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0320-01
衛(wèi)星通信是利用微波波段的高頻電磁波來傳輸數(shù)據(jù)的，在這個過程中會穿過大氣層傳輸?shù)孛婧托l(wèi)星之間的訊息。衛(wèi)星信號的傳遞是一個復(fù)雜的過程，影響衛(wèi)星信號傳輸?shù)囊蛩赜泻芏?，例如衛(wèi)星蝕、日凌現(xiàn)象、雨衰現(xiàn)象等。本文將針對雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行深入淺出的探討，從而找出可以有效解決該問題的具體方案，有效的預(yù)防雨衰對衛(wèi)星信號的干擾，推動我國的衛(wèi)星事業(yè)向前發(fā)展。
一、雨衰產(chǎn)生的機(jī)理
雨衰是電磁波進(jìn)入雨層后對衛(wèi)星信號產(chǎn)生的干擾，主要是因為雨粒散射和吸收導(dǎo)致的衰減情況。在電磁波遇到雨粒的時候，會被反射而出現(xiàn)二次反射，最后導(dǎo)致了衰減。因此，雨粒吸收衰減是因為雨粒本身的特點，作為傳導(dǎo)的媒介導(dǎo)致衰減情況的出現(xiàn)。雨滴的直徑和波長之比對雨衰的強弱有著直接的影響，因此我們得出雨滴的直徑和降雨率的大小有關(guān)。在進(jìn)一步研究中，我們發(fā)現(xiàn)雨衰的大小和雨滴直徑與波長的比值有著可比性關(guān)系，而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。在對實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析時，我們得出如下數(shù)據(jù)：雨滴的半徑約在 0.024cm～0.3cm， C波段的電波波長在7.4cm 左右，由于雨滴的半徑相對較大，所以沒有受到降雨量太多的影響，一般小于2dB；在Ku波段內(nèi)，電波的波長在維持在2.5cm 左右，因此，受到降雨量的影響比較大，最大的時候可以超過20dB。除此之外，降雨還會引起更大的噪聲溫度，使接收天線的噪聲溫度升高，有時也會發(fā)生去極化，其中也會有雨粒吸收和散射引起的衰減，即出現(xiàn)了二次折射。
在降雨作用下引起的信號去極化，其主要原因是雨滴在下落的過程中，在空氣阻力的作用下，使雨滴的形狀為橢球形。這一情況的出現(xiàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)電磁波將能夠?qū)τ甑蔚拈L軸和短軸的位移進(jìn)行相應(yīng)的變化，這是一個適應(yīng)的過程。又由于這種對雨衰的轉(zhuǎn)移和分離，能夠進(jìn)一步對極化隔離度產(chǎn)生降低的作用，從而也會導(dǎo)致正交極化的信號互相干擾增大。
熱損耗是雨衰的主要表現(xiàn)。當(dāng)電磁波的長度和雨粒的大小接近時，會引發(fā)共振現(xiàn)象，這時將會出現(xiàn)最大的衰減現(xiàn)象。頻段上行頻率在左或右，波長也會跟隨它的變動而變動，且這個頻段的信號波長與雨滴的直徑比較接近，所以，在該頻段出現(xiàn)的降雨會對電磁波產(chǎn)生更大的英雄榜，加大了衰減的發(fā)生，嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個信號的中斷。
除此之外，雨衰的大小還受到多種因素的影響，例如：電磁波的極化方向，地球站所在的位置，以及海拔高度的不同。這也加大了科研人員對雨衰值得估算。估算的結(jié)果會決定，針對對不同頻段的衛(wèi)星進(jìn)行不同措施，來緩解雨衰對信號的干擾。且在站型設(shè)備配置、經(jīng)費預(yù)算、運行與調(diào)度方式上做出具體的估量，為方案的制定奠定真實有效的基礎(chǔ)。因此，在系統(tǒng)鏈路預(yù)算中做好雨衰測量的工作是非常困難，但又十分重要，這就要求科研人員加強預(yù)測分析的準(zhǔn)確度，尋找規(guī)律。
二、雨衰現(xiàn)象出現(xiàn)的原因和規(guī)律
降雨過程可以達(dá)到對電波的衰減，但這仍是一個復(fù)雜的過程。在降雨的時候由于降雨云層類型的不同，厚度、移向、水汽凝成物的幾何尺寸、水汽含量、形狀、水態(tài)水滴、冰晶或其混合體、電波的波長、電波穿越雨區(qū)的長度都對電波的衰減產(chǎn)生了不同程度的影響。云層中經(jīng)常會蘊藏著水汽凝成物，在水汽上下的過程中，因為運動而產(chǎn)生的碰撞，能夠形成新的水汽凝成物，這就是水滴或冰晶。隨著水滴或冰晶質(zhì)量的不斷增大，當(dāng)上升的氣流無法抵抗時，它們會落在地面，就是我們所看到的雨或者雪。
根據(jù)電波傳播的理論，我們可以提出新的論點，就是由于降雨引起的雨衰，導(dǎo)致了信號的功能頻率有所下降。在研究下，我們也找到了這一問題的原因。即雨滴能夠吸收電波的一部分能量，最終以熱能的形式進(jìn)行了消耗。與此同時，也會把另外一部分電波的能量均勻的散發(fā)到周圍，這就證明了雨滴是一種有二次的輻射源。二次發(fā)射的電波不受方向的影響和控制，具體來講是一種散射現(xiàn)象。在二次散射發(fā)生的時候，從原來方向射出來的電波就會被衰減。除此之外，雨滴也會和波長形式特殊的關(guān)系，即折射的產(chǎn)生。電波的吸收能力也會根據(jù)折射率的變化而變化。當(dāng)然，雨滴的密度，雨區(qū)的范圍和氣候條件對電波都會產(chǎn)生不同程度的影響。
三、解決雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸影響的方案
就目前的科研水平來講，專家在雨衰的問題上為了我們提供了一些解決的方案。第一，可以通過加大天線的尺寸或者信號的功率，減少雨衰的大小。但是這會導(dǎo)致衛(wèi)星成本的增加。第二，我們可以增加在地面的衛(wèi)星終端站，為衛(wèi)星信號的傳遞提供多個站點進(jìn)行接收，增加衛(wèi)星信號傳播的有效路徑。但是，這也會增加地面系統(tǒng)控制的成本。第三，可以通過對功率分配的控制，增加衛(wèi)星對降雨地區(qū)傳輸?shù)墓β?。想要做到這一點，需要我們具備更先進(jìn)的技術(shù)，提高對軟件的控制能力，但是會增加衛(wèi)星運行過程中的復(fù)雜性。第四，就是對信號畸變的校正技術(shù)。波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以在一定程度上環(huán)境雨衰問題帶來的不良影響。想要提高波段衛(wèi)星的使用效率和可靠性，必須在鏈路設(shè)計中有一定余量來避免暴雨造成的通信中斷。但是，余量如果沒有得到合理的利用，在正常的天氣下將會造成很大的浪費，最終也會造成整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本的增加。
在新技術(shù)的發(fā)展下，我們認(rèn)為衛(wèi)星傳輸?shù)穆窂綄τ晁サ木徑庥泻艽蟮挠绊?。具體分為三個部分。第一，就是對上行站的雨衰補償。這一環(huán)節(jié)的設(shè)置主要是為了通過線性增大上行站的EIRP，這有利于在降雨發(fā)生的時候，上行信號在飽和通量的密度上可以實現(xiàn)相對的穩(wěn)定。在特殊的天氣狀況下，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中的信號不易受降雨因素的制約。第二，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行補償。就國際研究表明，KU波段的直播衛(wèi)星可以對上行線路進(jìn)行補償，其中，一部分可以在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的作用下得到實現(xiàn)，另一部分則是在上行站的基礎(chǔ)上實施的。因此，如果雨衰能夠超過上行站本身的補償能力，那么，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器就會發(fā)生積極的效用，對輸出的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)大，從而實現(xiàn)對雨衰的補償效應(yīng)。除此以外，使用這種補償方式，有利于上行鏈路對雨衰補償范圍的確定，進(jìn)而可以提高Ka波段衛(wèi)星的使用度。美國作為衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展較早的國家，在Ku波段的衛(wèi)星上已經(jīng)使用了該技術(shù)，并且取得了比較滿意的效果。在滿足上行站隊雨衰補償?shù)那疤嵯缕鸬搅私档偷淖饔?，同時還節(jié)約了成本。
結(jié)束語
在我國的南方地區(qū)，受到自然現(xiàn)象的影響比較大，雨雪的災(zāi)害也會進(jìn)一步的對衛(wèi)星數(shù)字接收系統(tǒng)造成暫時的影響。因此，雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸，間接的對我們的生活產(chǎn)生了不同方面的影響。所以，我們絕對不能忽略雨衰對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊?。對于Ku波段上的衛(wèi)星我們必須采用科學(xué)的手段和技術(shù)進(jìn)行控制，減少雨衰的干擾。同時，還有考慮多雨衰受到多種因素的限制，要多角度的尋找解決方案，從而有效的減少因為自然氣候條件對衛(wèi)星傳輸帶來的負(fù)作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 李長文.雨雪衰現(xiàn)象對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊慬J].西部廣播電視，2013（4）.
[2] 王美鳳.外界因素對衛(wèi)星信號傳輸?shù)挠绊慬J].實用影音技術(shù)，2013（7）.
[3] 劉濤.Ka波段衛(wèi)星通信雨衰與抗雨衰問題的研究[D].東北大學(xué)，2012（5）.
[4] 余英，張瑞芝.太陽活動及雨衰對衛(wèi)星通信的影響和改善措施[J].全國廣播電影電視系統(tǒng)首屆中青年優(yōu)秀科技論文集，2011（11）.
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