pps3000 2006-11-10 10:22
卫星通信链路大气和降雨衰减计算方法
中华人民共和国通信行业标准
卫星通信链路大气和降雨衰减计算方法
Calculating methods of attanuations by atmospheric
gases and rain in the satellite communication link
YD/T 984－1998
前 言
随着卫星通信发展，频率和轨道位置已成为一个主要限制。为了开辟新频段，各国都在向更高的使用频段发展。例如Ku、Ka频段等。这些频段内降雨衰减成为不可忽略的因素。能比较准确地计算出当地的卫星通信路径的衰减，对卫星通信的系统设计就显得十分必要了。本标准主要是依据我国的通信技术政策并参考如下ITU－R相关建议制定的。
建议676 1－350GHz频率范围内大气引入的衰减
建议837 传播模型的降雨特性
建议838 预测方法中使用的特定降雨衰减模型
建议839 预测方法中降雨高度模型
建议PN－369－6 用于折射计算的标准大气
建议618 设计地球一空间通信系统需要的传播数据和预测方法
建议840 雨云和雾产生的衰减
建议841 年度统计与最坏月份统计的转换
建议679 广播系统设计需要的传播数据
建议836 地表水蒸气密度
建议581 最坏月份的概念
本标准由邮电部电信科学研究规划院提出并归口。
本标准由邮电部电信传输研究所起草。
本标准主要起草人：郭良
1 范围
本标准规定了卫星通信链路大气和降雨衰减以及与降雨衰减有关的传播损失计算方法。本标准适用于卫星固定业务（适用于各种调制方式），适用于卫星网络的规划、工程设计、维护等。
2 引用标准
GB/T 14617陆地移动业务和固定业务传播特性
ITU－R建议767－1附录1
ITU－R建议791附录1
3 使用单位
hPa：hectopascal百帕（斯卡），大气压强单位。它是100N的力均匀并垂直地作用在1m2面积上所产生的压力（压强）。
4 计算方法
4.1 大气吸收衰减
大气吸引起的衰减主要是大气中的氧和水蒸气造成的，它取决于波束主轴的仰角、工作频率、地球站的平均海拔高度以及当地的水蒸气密度等。
当工作频率低于350GHz（57～63GHz除外）、电波以倾斜路径（卫星至地球站或地球站至卫星）穿过大气层时，干燥空气和大气水蒸气密度为ρ时的中值气体吸收衰减Ag计算方法如下：
dB（θ>10°） （1）
dB（θ≤10°） （2）
（3）
（4）
式（3）中：h可以用h0或者hw中任何一个代入求得g（h0）或g（hw）；
Re：考虑到折射以后的有效地球半径，当hS≤1km时，Re＝8500km；
hS：球站终端位置的平均海拔高度（km），hS如果不知道可取0；
θ：地球站工作仰角。
公式（1）、（2）中的其它在数γ0，γw，hw，h0的计算方法如下：
① γ0——从海平面到海拔高度5km范围内，由于干燥空气产生的每公里的特定衰减。γ0可以用下式计算：
γ0＝ f £ 57GHz (5)
γ0＝
63GHz £ f £ 350GHz (6)
γ0＝(63)
57GHz < f < 63GHz (7)
式中：f为工作频率（GHz）；
γp＝p/1013，p是大气压强（hPa）；
γt＝288/273＋t，t是温度（℃）；
γ0(57)、γ0（63）分别为57GHz和63GHz时的γ0值。
②γw——从海平面到海拔高度5km范围内，由于大气中水蒸气产生的每公里的特定衰减。γw可以用下式计算：
γw＝f2γpγt×10－4
f £ 350GHz (8)
式中f、γp、γt同前，ρ是大气水蒸气密度（g/m3）。
附图1和附图2中给出了海平面上1～350GHz范围内干燥空气和具有7.5g/m3密度的水蒸气的特定衰减。
ρ值是随季节变化的，每年的2月和8月份是典型ρ值分布月。ρ为月平均水蒸气密度（也就是绝对湿度）。在全世界范围内，ρ值可以从附图3，附图4中查获。全国范围内的ρ值可以从附图5、附图6中查获。
ρ值也可以用相对湿度H、温度T等已知参数按下式计算：
ρ＝(H×es×216.7)/(100×T) (9)
其中，T为绝对温度（K），H为相对湿度（％），es是温度t时的饱和蒸气压强（hPa）es，可按下式计算：
es＝αexp(b t/(t+c)) (10)
式中t为温度（℃），其他参数如表1。
表1 a、b、c参数值
水
冰
a
6.1121
6.1115
b
17.502
22.452
c
240.97
272.55
适用范围
－20℃～＋50℃
－50℃～0℃
上述干燥空气和水蒸气引入的衰减的近似计算法与用曲线拟合法去逐条谱线的计算法之间的绝对误差一般比0.1dB/km小。并且在60GHz时不超过0.7dB/km。当海拔高度超过5km时，应采用建议676附录1中的计算方法。
③h0——干燥空气的等效高度。h0可用下式进行计算：
h0＝6 km f < 57GHz (11)
h0=6＋{40/[(f－118.7)2＋1]} km 63GHz < f < 350GHz (12)
④hw——大气水蒸气的等效高度。hw可以用下式进行计算：
hw＝hw0 km
f < 350GHz (13)
其中hw0为在窗口区内的大气水蒸汽等效高度。干燥天气时，hw0＝1.6km；降雨在气时，hw0＝2.1km。
4.2 长时间降雨衰减的计算方法
工作频率低于30GHz，其位置处的地球站倾斜传输路径上降雨衰减的长时间统计值的计算方法如下。
4.2.1 参考路径模型
计算倾斜传输路径的参考路径模型如图1所示。
图1 降雨衰减预测中的地球－空间路径及参数
计算降雨衰减需要知道地球站的工作频率f（GHz）、地球站位置的纬度（度）、地球站的工作仰角θ（度）、地球站所在位置的平均海拔高度hs（km）等。
4.2.2 降雨衰减的计算步骤
1) 地球站所在地的实际降雨hR高度的计算公式如下：
hR (km)＝ (14)
式中为地球站的纬度（度）。
2) 电波传播的倾斜路径长度Ls——的计算公式如下：
Ls＝ km θ≥5° (15)
Ls＝ km θ< 5° (16)
式中：θ为地球站的工作仰角（度）；hR为降雨高度（km）；Re为有效地球半径（km），一般取8500km。
3) 倾斜路径的水平投影——LG的计算公式如下：
LG＝Lscos (km) (17)
4) 降雨强度R0.01——一年的0.01％时间超过的降雨强度为R0.01(mm/h)。在全世界范围内降雨强度划分的雨区等级见表2。
表2中A～Q的15种气候区为全世界的雨区划分等级。
世界各国的降雨强度地理区划图和中国的降雨强度地理区划图参见附图7、8、9。
如果当地有R0.01的降雨强度统计，那么应采用当地统计的准确值。中国的降雨强度R0.01地理分布图参见附图10（详见国标GB/T14617）。
5) R0.01≤100mm/h时，年时间的0.01％时的减少因子r0.01的计算如下：
r0.01＝1/(1＋LG/L0) (18)
其中L0＝35exp(－0.015R0.01)。
注：当R0.01 >100mm/h时，取R0.01＝100mm/h进行计算。
6) 利用频率相关系数k和α以及降雨强度R0.01，计算特定衰减γR（dB/km）
γR＝k(R0.01)α（dB/km） (19)
其中，
k＝[kH＋kV＋(kH－kV)cos2cos2τ]/2
α＝[kHαH＋kVαV＋(kHαH－kVαV)cos2cos2τ]/2k (20)
kH、、kV和αH、αV分别表示线极化（水平极化（H）、垂直极化（V））以及水平路径的k和α值。
kH、、kV和αH、αV值可以在表3中查获。
表3 频率相关系数kH、、kV和αH、αV的值
若使用频率相关值在表3中不能直接查到，可以按下述原则获取。
kH、、kV值，可按频率是对数刻度，kH、、kV值也是对数刻度，用插入法求得。
可αH、αV可按频率是对数刻度，αH、αV值是线性刻度，用插入法求得。
上式中的为地球仰角；τ为线性极化电场矢量与水平方向之间的极化倾角。τ值的计算方法参看ITU－R建议791附录1。当使用圆极化时，τ＝45度。
7) 平均年的0.01%时间超过的降雨衰减A0.01的计算如下：
A0.01＝γRLsr0.01 dB (21)
8) 对于平均年的0.001％至1％时间之间超过的降雨衰减Ap的计算如下：
Ap/A0.01＝0.12p－(0.546＋0.041logp) (22)
计算参考值见表4。
注：p为1时的表示时间概率为1%。
4.3 长时间降雨衰减的频率换算
如果在某一频率上可以获得可靠的衰减测量数据的话，那么在7～50GHz工作频率范围内，利用下述经验公式可以实现不同频率但在同一路径上的降雨衰减的换算：
A2＝A1(1/2 (23)
(f)＝f 2/(1＋10－4f 2 ) (24)
H(1，2，A1)＝1.12×10－3(1/2)0.5(1，A1)0.55 (25)
f：GHz；A1、A2分别为f1和f2频率处的等概率的降雨衰减值（dB）；1为（f）用f1代入时可求得；2为（f）用f2代入时可求得。
4.4 降雨引起交叉极化长时间统计计算
4.4.1 计算方法
从雨衰统计中计算交叉极化的长时间统计值，应预先知道以下参数：要求的时间百分数P超过的降雨衰减Ap（dB）、线极化电场矢量与水平方向之间的倾角τ（圆极化τ＝45°）、工作频率f（GHz）、地球站工作仰角。
工作频率在8GHz≤f≤35GHz和仰角≤60°时利用降雨衰减统计值计算同一路径上的交叉极化鉴别度（XPD）统计值的方法如下：
1) 计算频率相关项Cf
Cf＝30logf 8GHz≤f≤35GHz (26)
2) 计算降雨衰减相关项CA
CA＝Vlog(Ap) (27)
式中：Ap为降雨衰减（dB）；8GHz≤f≤35GHz，V＝20；15GHz≤f≤35GHz，V＝23。
3) 计算频率相关项Cτ
Cτ＝－10log[1－0.484(1＋cos(4τ))] (28)
4) 计算仰角相关项Cθ
Cθ＝－40log(cos) ≤60 (29)
5) 计算雨滴倾角相关项Cσ
Cσ＝0.0052σ2 (30)
σ是雨滴倾角分布的有效标准偏差（度），σ取值见表5。
表5 雨滴倾角有效标准偏差（度）
对应于其它p值的σ值按线性刻度计算。
6) 计算对应于p％时间不超过的降雨交叉极化鉴别度
XPDrain＝Cf－CA＋Cτ＋Cθ＋Cσ (31)
7) 计算冰晶交叉极化鉴别度Cice
Cice＝XPDrain×(0.3＋0.1logp)/2 (32)
8) 计算包括冰晶影响的时间p％内不超过的XPDp
XPDp＝XPDrain－Cice dB (33)
4.4.2 降雨引起的长时间交叉极化统计的极化换算
利用下述经验公式，可以把在一个频率和极化倾角上的长时间交叉极化统计值换算到其它频率和极化倾角上的长时间交叉极化统计值。
XPD2＝XPD1－20log (4GHz≤f1，f2≤30GHz) (34)
XPD1和XPD2是频率f1和f2，极化倾角τ1和τ2（度）在同一时间百分数上不超过XPD值。
4.5 由于云和雾产生的衰减
4.5.1 水滴直径小于0.01cm组成的云雾的单位路径上的衰减，可以利用云、雾中每单位体积总体积总水蒸气的含量计算。具体的计算如下：
γc＝KLM dB/km (35)
式中：γc为在云层范围内单位路径的衰减（dB/km）；M为云和雾的水蒸气密度（g/m3）；KL为特定衰减系数（dB/km）/（g/m3）。
4.5.2 特定衰减系数KL的计算
KL可按下式计算（f≤1000GHz）：
KL＝ 0.819f/ε″(1＋η2) dB/km/g/m3 (f：GHz) (36)
η＝(2＋ε′)/ε″ (37)
水的复合介质介电系数ε′，ε″：
ε′(f)＝ (38)
ε″(f)＝ (39)
ε0=77.6＋103.3(300/T－1) (T：温度，K)
ε1＝5.48
ε2＝3.51
一次（基本）和二次弛张频率fp、fs：
fp＝20.09－142(300/T－1)＋294(300/T－1)2 GHz (40)
fs＝590－1500(300/T－1) GHz (41)
KL也可以用查曲线求得。工作频率在5～200GHz范围内，温度在－8℃～20℃之间的的KL值参看图2。其中对云层的衰减使用0度的曲线。
4.5.3 水蒸气密度M
雾的液体水的含量对于中等雾大约为0.05g/m3（能见度为300m）。大雾约为0.5g/m3（能见度为50m）。M值在我国尚没有统计数据。
4.5.4 云的衰减
要计算给定概率值时由于云产生的衰减，必须首先知道液体水总柱体的Wt（kg/m2），KL以及地球站的仰角，并按下式计算：
A＝(WtKt)/sin dB (42)
A＝(M×Δh×Kt)/sin (43)
式中Δh为云层厚度（km）。当不知层厚度时，Δh取1km。我国尚没有云层统计数据。
4.6 平均年度统计与最坏月份统计的转换
4.6.1 超过平均年度最坏月份时间百分数Pw的计算
利用转换因子Q可以根据超过平均年度时间百分数P计算超过平均年最坏月份时间百分数Pw。
Pw＝QP (44)
图2 水的微滴在不同频率和强度下的衰减
式中：1<Q<12，Pw和P参考相同门限电平。
4.6.2 Q值的计算Q是Q1、B关于P（％）的函数，Q值可按下式计算：
Q(p)＝
注：Q1＝2.85，β＝0.13时
Q＝
相应p值的Q值还可按在图3中查得。
4.6.3 平均年度P的换算
利用转换因子Q也可以根据超过平均年度最坏月份时间百分数Pw计算相应的超过平均年度时间百分数p，
P＝Pw/Q (53)
其中
Q＝
12P0 < Pw（％）< Q× 而P0＝(Q1/12 (54)
注：当Q1=2.85，β＝0.13时
图3 当Q1＝2.85，β＝0.13时P和Q的相关性
P（％）＝0.30Pw（％）1.11 1.9×10 －4 < Pw（％）< 7.8 (55)
4.6.4 Q1和β值的选取
在我国没有确定自己的Q1和β值之前选用全球通用值Q1＝2.85，β＝0.13。
不同气候区和各种传播条件下的Q1和β值参看附表1。
4.6.5 平均年度最坏月份的定义
在一年的最坏月份内，超过预选门限的时间百分数叫做超过年度最坏月份时间百分数。
平均年度最坏月份，也就是通常所说的任何月份时间百分数，它是超过年度最坏月份时间百分数的长时间平均值。
4.7 站址分集
随着工作频率的提高（例如Ku和Ka频段），为提高通信系统的可靠性，卫星通信广泛采用站址分集技术。分集改善因子和分集增益是分集改善的两个主要质量参数。
4.7.1 分集改善因子
在同一衰减电平上，单站工作的时间百分比P1和站址分集后工作的时间百分比P2之间的比值叫做站址分集改善因子。用I表示。I可用下式计算：
I＝P1/P2＝1/(1＋B2)[1＋100B2/P1] (56)
式中：P1为单站的时间百分数；P2为分集后的时间百分数；B为取决于链路特性的参数。
当B2≤1时，I≈1＋100B2/P1 (57)
则 P2＝/（1＋100B2） (58)
式中B2＝10－4d1.33，d为两分集站之间的距离，单位km。
图4给出了P1和P2之间的关系。
4.7.2 分集增益
对于同一时间百分数，单站衰减和分集衰减之差（dB）叫做分集增益。分集增益G（dB）可从下述的经验公式计算得到。计算之前必须已知：两个分集站间的距离d（km）、单站的路径降雨衰减A（dB）、工作频率f（GHz）、地球站的工作仰度（度）以及地球传播路径的方位与两站基线之间的夹角Ψ（度）（Ψ≤90）。
图4 对应于相同的地球站卫星路径衰减，有和没有分集和时间百分数关系曲线
4.7.2.1 距离相关增益
Gd＝a（1－e－bd） (59)
式中：a＝0.78A－1.94（1－e－0.11A），b＝0.59（1－e－0.1A）。
4.7.2.2 频率相关增益Gf
Gf＝e－0.025f (60)
4.7.2.3 工作仰角相关增益
G＝1＋0.006 (61)
4.7.2.4 基线相关增益Gψ
Gψ＝1＋0.002 (62)
4.7.2.5 总分集增益
G＝Gd·Gf·G· Gψ dB (63)
上述分集改善因子和分集增益的计算方式适用于10～30GHz工作频率、时间百分数小于0.1％的情况下。
4.8 降雨噪声温度
随着路径衰减的增加，传播路径内的噪声发射也增加。对于具有低噪声前端放大的地球站，这种由于路径中降雨附加衰减引入的天线噪声比衰减本身增加对信噪比的影响还要大。在地球站中由于大气对天线噪声的贡献可用下式计算：
Ts＝Tm（1－10－A/10） (64)
其中，Ts为从天线看出去的宇宙噪声温度（K）；A为路径中的降雨衰减（dB）；Tm为有效介质温度（K）。
当频率低于60GHz时，
Tm＝280K（对于云层）
Tm＝260K（对于降雨）
附图和附表
附图1 由于大气产生的吸收衰减
附图2 指定高度上，在50～70GHz频率范围内的特定衰减
附图3 二月份水蒸气密度（g/m3）
附图4 八月份水蒸气密度（g/m3）
附图5 二月份水蒸气密度（g/m3）
附图6 八月份水蒸气密度（g/m3）
附图7 雨区划分
附图8 雨区划分
附图9 雨区划分
附图10 中国雨气候区
附表1 各种传播影响和地区的β和Q1值
降雨影响陆地
降雨影响
倾斜路径
多径
跨越水平陆地
跨越水平海洋
全球 0.13；2.85
0.13；2.85
0.13；2.85
0.13；2.85
0.13；2.85
加拿大
大草地和北部
0.08；4.3
加拿大
中间和山地
0.10；2.7
加拿大
中心和山地
0.13；3.0
美国
佛吉尼亚州
0.15；2.7
日本
东京
0.20；3.0
日本
Yamaguchi
0.15；4.0
日本
Kashima
0.15；2.7
刚果 0.25；1.5
欧洲
东北部
0.13；3.0
0.16；3.0
0.13；4.0
0.18；3.0
0.11；5.0
欧洲
地中海
0.14；2.6
0.16；3.1
欧洲
北欧
0.15；3.0
0.16；3.8
0.12；5.0
欧洲
阿尔卑斯山
0.15；3.0
0.16；3.8
欧洲
波兰
0.18；2.6
欧洲
俄罗斯
0.14；3.6
印度尼西亚 0.22；1.7
johnnyyoung 2007-5-17 03:34
那些表在哪里哦,我想要....怎么找不到的?