雨衰对卫星信号的影响
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【摘要】卫星通信是现代通信技术的一项重要手段，影响卫星通信系统传输质量及系统性能的因素很多，雨衰是其中之一。本文将探讨雨衰对卫星信号传输的影响，由此提出可以解决该问题的有效对策，预防雨衰对卫星信号的干扰，推动我国的卫星事业发展。
【关键词】雨衰;卫星信号;影响
卫星传输是无线信号传输的一种，其具备传播范围大、效果好、质量高以及建设快，很少受到地理环境限制、一次性投入后维护成本较低等优势，目前在我国发展非常快。但在卫星的输送传播和接收信息工作中，受到开放式的影响，很容易被各种外界自然因素影响，导致信号传输的效果与质量下降。为了保障传输应用效果，相关工作人员开展对多种影响卫星传输因素的研究，及时找到有效的解决措施，具有非常重要的意义。
本站卫星通信系统采用C波段转发器，通过组网与调试运行分析，对C波段信号特点进行研究，深化认识雨衰影响，今儿提出了一套有效的雨衰预防对策。
一、雨衰的产生
雨衰指的是电波穿过降雨区后受到雨滴的吸收与辐射，产生衰减的情况。雨粒具有介质损耗引起吸收衰减，电波被雨粒反射而再发射导致雨粒散射衰减。
雨衰大小与雨滴直径和电磁波波长有直接的关系，比如C波段的电波波长大约为7.5cm，而雨滴半径约在0.025cm-0.3cm，二者差较大，可见，降雨对C波段影响较小，一般小于2DB。
目前卫星业务最常用的频段是C（4-8GHz）频段、Ku（12-18GHz）频段和Ka（27-40GHz）频段。亚太地区的固定卫星业务多使用5850-6425/3625-4200MHz频段，带宽为575MHz，简称为6/4GHz频段。C频段使用比较早，频率低，增益也低，天线口径较大（通常1.8米以上）。虽然相对其它频段遭受地面微波等干扰的几率大些，但其雨衰远小于Ku频段和Ka频段，更适于对通信质量有严格要求的电视、广播等业务。
二、雨衰对卫星通信的影响
在降雨的时候，由于降雨云层类型的不同，厚度、移向、水汽凝成物的几何尺寸、水汽含量、形状、水态水滴、冰晶或其混合体、电波的波长、电波穿越雨区的长度都对电波的衰减产生了不同程度的影响。
（一）雨衰对卫星接收信号的影响
通常情况下，不超过16mm/h的雨量不会对C波段卫星信号产生较大的影响，在雨区位置不到10公里高度的情况下，以仰角40度地面站的C波段卫星信号产生的衰耗在0.3dB左右，而有100mm/h降雨量的暴雨出现时，如果雨区高低在2公里以内，且地面站仰角是40度，那么C波段卫星下信号衰耗也与上述相同。这表示可以忽略雨衰产生的影响，而在遭遇大暴雨且雨区高度在2公里以上的过程中，雨衰就会严重影响C波段卫星的信号，这时的衰耗通常会超过6dB。雨衰幅度与降雨强度的正比关系也得到理论研究证实，当穿越长度为10km时，无线信号穿越中雨以上的降雨区域时衰耗达2dB。而降雨区域为暴雨时，雨衰达10dB。
而雨衰对信号的损耗量，还取决于乌云的厚度、信号所穿越的障碍物以及雨量的大小。一般来说，接近东方或西方低接收仰角的卫星比南方的雨衰损耗量大得多，究其原因与接收仰角离近地面越近，信号通过云层需要的时间越长有直接的关系，并且这时雨水接触信号的角度达到最大值，比较容易被雨水阻挡而导致衰减的结果。
此外，电波频率与雨衰也有密切关系，在lGHz到15GHz的频带内，雨衰量增加，那么降雨量就增强，如果电波频率超过10GHz，那么这时的雨衰则会非常明显。对Ku波段的卫星接收影响最大。有研究资料显示，4GHz时因为降雨导致输入系统噪声温度增大，可达到100K，而当工作频率在10GHz时将会产生更大的噪声。
降雨除会对卫星信号产生衰减外，还会使得信号出现去极化现象，若无线信号为单极化传输系统，影响并不明显，但是对于采用正交极化复用的双极化传输系统，去极化现象会大大增强正交极化信号间的相互干擾。相关试验表明，Ku波段无线信号穿越暴雨区（雨区高度为2km）时所出现的微分衰减可达2dB，正交极化系统受其影响会出现极化隔离度降低等情况，进而使得信号间出现极化误差，干扰增加。
（二）雨衰对微波链路信号的影响
通常情况下，工作人员会在高山等较为偏僻的地理位置选择模拟微波电路路由，同时因受到如经济条件的限制，又会有一些超站距离的站点，这将导致更突出的雨衰问题。
三、雨衰对卫星信号传输影响的应对对策
目前，解决雨衰对卫星信号传输影响问题的方法有：第一，加大天线的尺寸或者信号的功率，减少雨衰。第二，增加在地面的卫星终端站，为卫星信号的传递提供多个站点，增加卫星信号传播的有效路径。第三，控制功率分配，增加卫星对降雨地区传输的功率。第四，信号畸变的校正技术。
通过理论计算和反复测试，本站总结出了一些解决雨衰现象的措施，主要有以下几方面：
（一）增大卫星天线尺寸，使其采集信号的面积加大，留有余量来弥补雨衰的影响，以保证信号接收的最低门限
目前，C波段卫星数字通信系统应用的天线波束对应的半功率角度比较窄，这就对跟踪的精度以及天线的精度有了更高的要求，而本站天线应用9米卡塞格伦天线对应的发射功率55dB，接收49.8dB，比25米天线提高了1.8dB。在C波段接收设计中，降雨余量和门限储备之和取值6dB，这与当地气候有关有关，相关因素包括雨季的长短情况和雨量的大小等等，此外还根据接收系统的具体要求来决定。
（二）加大卫星发射功率，加大平均信号场强
将天线的仰角与方位角、LNB的极化角都应精调到最佳位置，可用寻星仪、场强仪等器材来显示天线的调试精度。本站通信设备采用美国CPI公司在主站采用3000W高功放，能够将降雨储备的余量大幅度提高，另外还能减少C波段馈线的损耗量，同时缩短上行天线间波导馈线与高功放设备之间的距离，很好地将其控制为1m内，还要把上变频器高功放与天线的放置靠紧，达到更多节省高功放输出功率的目的。 （三）采用性能高可靠的衛星转发器
在机房中，其播出信号源通常为C波段信号。本站卫星通信系统采用中星6A卫星6A转发器C波段，主要特点是覆盖功率高。针对C波段网络，高下行功率有助于提高雨衰储备。而数字载波在相同空间段宽带中则能提高传输数码率，确保地球站天线的口径更小。
（四）增加上行功率控制，有效控制增益调节
目前，人们通过上行天线对卫星信标强度变化进行接收，从而更好地控制上行功率器中频单元增益或衰减量，达到改变中频输入电平、改变高功率输出功效的调节，这是非常重要的手段。通常情况下工作人员会选择增加上行功率的控制，提高调整接收机与功率控制器斜率的准确型，也就是做好精确测量与准确调整接收机斜率数值和功率控制器单元设定斜率数值的一致性，才能确保上行功率控制的正确性。
在新技术条件下，缓解雨衰主要依赖于卫星传输路径。首先，上行站的雨衰补偿。通过线性增大上行站的EIRP，在降雨发生的时候，上行信号在饱和通量的密度上可以实现相对的稳定。在特殊的天气状况下，使得卫星转发器中的信号不易受降雨因素的制约。其次，补偿卫星转发器。研究表明，一部分可以在卫星转发器的作用下得到实现，另一部分则是在上行站的基础上实施的。因此，如果雨衰能够超过上行站本身的补偿能力，那么，卫星转发器就会发生积极的效用，对输出的内容进行扩大，从而实现对雨衰的补偿效应。此外，这种补偿方式有利于上行链路确定雨衰补偿范围，进而提高卫星的使用度。
四、总结
本文介绍了雨衰的产生，由于雨衰对卫星信号传输的影响，间接影响我们的生活。所以，绝不能忽略雨衰对卫星信号传输的影响。通过本站卫星通信系统多年的运行，诸多研究证实了上述的措施有助于消除雨衰因素给卫星信号带来的影响，将雨衰增益进行调节，控制为20dB左右，就能有效提高卫星系统的稳定和可靠。但与此同时还要考虑到卫星系统本身的相关因素，以及可能出现大暴雨的情况，信号极有可能不能穿透障碍物导致中断，此类的情况与问题还有待进一步研究总结。
参考文献：
[1]王雪梅.雨衰对卫星节目传输的影响[J].通讯世界：下半月，2015（5）
[2]刘静敏.试析雨衰对卫星节目传输的影响[J].科学技术创新，2016（17）
[3]杨韩，万立亭.浅谈降雨对电影卫星传输的影响[J].现代电影技术，2015（8）
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