雨衰计算步骤与计算工具.doc

雨衰计算步骤与计算工具降雨衰耗的估算方法有多种，但其思路多为按照不同的时间概率，估算最大雨衰量的统计值，差别只在雨区、降雨强度和降雨高度等的取值，以及部分推算步骤和方法。中国的通信行业标准、以及亚洲卫星公司向用户提供的链路计算软件SatMaster都采用ITU-R所建议的雨衰计算方法。下文拟简略介绍相应的雨衰计算步骤、以及直接利用SatMaster求得雨衰值等参数的方法。雨衰估算方法ITU-R建议P.618-5、以及中国通信行业标准YD/T1984-1998所建议使用的雨衰量估算步骤大致为：先由当地的降雨强度求得时间百分数为0.01%的雨衰率，由地球站所在纬度估算降雨高度，由天线仰角求出电波穿越雨区的斜距，并由电波穿越雨区的水平距离和降雨强度算出距离减小因子，再取雨衰率、斜距和减小因子的乘积为时间百分数为0.01%的降雨衰耗量，最后由时间百分数为0.01%的降雨衰耗量转换为时间百分数为p%的降雨衰耗量。降雨强度与雨衰率估算雨衰时应尽可能利用当地现有的降雨强度数据。在得不到相关数据时，可从ITU-R建议与中国行业标准所提供的雨区划分图中查出当地所属的雨区，再从降雨强度表中查出对应于该雨区的、时间百分数为0.01%的降雨强度R0.01。(见图一)图 1 雨区划分图p (%)ABDEGHJKMN1 36 (4)h R (km) = 5.0 0 j 23 5.0 - 0.075 ( j - 23) j 23 (5)式4为中国通信行业标准建议使用的公式，式5为ITU-R建议P.839-1建议使用的公式，式中的j为地球站纬度。天线仰角q5时，雨区中的电波穿越斜距LS可按下式计算L S = (h R - h S ) / sin q (km) (6)式中的hS为地球站的海拔高度。距离减小因子 先计算穿越斜距的水平投影距离L GL G = L S cos q (km) (7)距离减小因子rp的计算公式如下：r p = 1 / (1 + L G / L 0 ) (8)式中的 L 0 = 35 exp (-0.015 R p ) 。当降雨强度Rp大于100时，取其值为100，这时的L 0 = 35 e -1.5 。百分数为 0.01% 与 p% 的降雨衰耗平均年度中0.01%时间可能达到的雨衰量A0.01的计算公式为A0.01=gRLSr0.01(dB)(9)由0.01%时间的雨衰量A0.01换算为p%时间的雨衰量Ap的公式为：Ap=0.12p-(0.546+0.043logp)A0.01(dB)(10)式中,p为0.001%至1%范围内的任意时间百分数。由于估算和预测雨衰量时所用的统计数据和计算模型并不是放之四海而皆准的，估算结果难免会有偏差。ITU-R建议P.618-5指出，建议中所用方法的预测结果可被接受，但与测试结果相比，纬度高于30地区的标准偏差约为35%。一般而言，低纬度地区的预测偏差将更大。采用图上作业法估算降雨衰耗1980年代的CCIR报告721-2提供了一种雨衰率关系图，可用于直接估算任意时间百分数的雨衰值。（见图二）图 2 雨衰率关系图在雨衰率关系图中，左侧斜线为降雨强度，右侧两条曲线分别为垂直极化和水平极化的工作频率，中间的直线为雨衰率。图上作业方便直观，可以直接查出不同时间百分比的雨衰率。根据地球站所在地的雨区，可以从降雨强度表中查出p%时间的降雨强度Rp。在关系图上作直线连接相应的降雨强度和工作频率，该直线与雨衰率标尺的交点为所求的p%时间的雨衰率。穿越斜距和距离减小因子仍采用上述方法计算。平均年度中p%时间可能达到的雨衰量Ap的计算公式为Ap=gRLSrp(dB)(11)分别采用直接计算方法和图上作业方法所求得的结果并不相同，时间百分比远离0.01%时的差值则更大。考虑到直接计算方法的步骤多，用插入法求取工作频率未列于系数表中的k和a的难度高，标准偏差为35%或更差的准确度也很有限，如果只是需要在短时间内定性了解对应于不同可用度和工作频率的雨衰值，图上作业法仍是一种快速简便的选择。用SatMaster计算雨衰值雨区和降雨强度的计算工具运行RainZone.exe。根据提示，先后输入相关站点的纬度和经度，该执行程序将会输出当地的雨区、以及对应于不同时间百分数的降雨强度。降雨衰耗的计算工具一运行 SatMarster。选择菜单 Table / Rain Attenuation v Availability，并且根据提示，在弹出窗口中选择及输入相应的卫星轨位、地球站的经纬度、海拔高度和雨区、以及载波的频率和极化等参数，然后按下OK键。计算软件输出的数据表格中，包含对应于降雨可用度为99.5%到99.999%的降雨衰耗值、以及相应的天线极化隔离度。对比输出数据可以发现，降雨可用度越高，雨衰值越大，相应的天线极化隔离度也越差。降雨衰耗的计算工具二运行SatMarster。选择菜单File / New / New Rain Attenuation，根据提示，在弹出窗口中选择及输入相应的卫星轨位、地球站的经纬度、海拔高度和雨区、载波的频率和极化、降雨可用度、以及接收系统噪声温度等参数，然后按下OK键。计算软件输出的数据表格中，包含相应的降雨衰耗（Rain attenuation）、降雨时的接收系统噪声增量（Noise in crease due to precipitation）、下行降雨的总影响量（Down link degradation）、以及降雨时的天线极化隔离度（Cross polarization discrimination）等数据。在分析上行链路时，应该只用降雨衰耗值；而在分析下行链路时，则应采用降雨总影响量估算降雨衰耗对链路的影响。链路计算表中的雨衰值当运行SatMarster作Link Budjet分析时，也需要根据提示，选择并输入相应的卫星轨位、地球站的经纬度、海拔高度和雨区、以及上下行载波的频率极化和降雨可用度等参数。在输出表格的Uplink Calculation的Rain Up一列中，可以找到上行降雨衰耗（Rain attenuation）；在输出表格的Downlink Calculation的Rain Dn一列中，可以找到下行降雨衰耗（Rain attenuation）、降雨时的接收系统噪声增量（Noiseincreaseduetoprecipitation）、以及下行降雨的总影响量（Down linkdegradation）等数据。可以发现，下行降雨时的接收系统噪声增量接近于雨衰量，在同样的降雨可用度和极化条件下，下行降雨的总影响量可能比上行雨衰量高1dB甚至更多。