卫星链路中的雨衰如何计算？

[导读]雨衰是指因降雨造成的每千米的链路衰减（如图1）。使用此图表时，应从横坐标上的频率开始看。垂直移动至预期的降雨量线上，然后再向左移动到纵坐标上，即可得到每千米的雨衰。图1中所含的表给出了几种降雨量和雾密度的衰减图曲线，接着将每千米的衰减乘以链路穿过雨的距离。图1雨衰是频率和降雨量的...

雨衰是指因降雨造成的每千米的链路衰减（如图1）。使用此图表时，应从横坐标上的频率开始看。垂直移动至预期的降雨量线上，然后再向左移动到纵坐标上，即可得到每千米的雨衰。
图1中所含的表给出了几种降雨量和雾密度的衰减图曲线，接着将每千米的衰减乘以链路穿过雨的距离。
图1 雨衰是频率和降雨量的函数
对于空间链路，还有另一个复杂的问题。太空不存在降雨。因此雨衰仅适用于降雨开始的高度和地球站的高度之间。
图2给出了0°等温线的高度与纬度和概率的关系。雨从处于0摄氏度的大气（即0°等温线）的高度下降。在这个高度往上，雨水冻结成冰，而冰造成的衰减可以忽略不计。
图2 0°等温线落在给定高度以下的概率是纬度的函数
如图3所示，通过将0°等温线高度除以该角度的正弦值来计算穿过雨的路径长度。注意，如果链接是在卫星和飞机之间，则雨衰适用的距离是0°等温线以下的链路部分。图3
地球终端相对飞机的高度。由于雨衰是概率性的，而不是可时刻计算的，故图1中的图表（0°等温线高度相对于纬度的概率）十分有参考意义。例如，如果考虑链路性能水平的99%可靠性，应从地球站的纬度开始，然后上移到1%线，接着左移到纵坐标，即可找到0°等温线的预期高度。
举个例子：在北纬40°，1%线大约位于2 km的高度，卫星位于当地地平线上方30°，30°的正弦为0.5。因此，穿过雨的距离为2 km / 0.5 = 4 km。如果下大雨且链路为15 GHz，则雨衰（见图2）为0.73 dB/km乘以4 km，即2.9 dB。如果下小雨，每千米雨衰为0.033 dB/km，由此可得10 km以上的雨衰为0.3 dB。
图4说明了卫星在当地地平线上方的高度可根据定义的平面三角形确定。

图4 地球卫星的垂直高度可由卫星、地面站和地心形成的平面三角形计算得出。通过地面站位置、卫星和地心确定。
用卫星和地面站位置举例：
该卫星在位于1,000 km高的圆形轨道上运行。则图4中的a边为6,371 km，b边为7,371 km。卫星SVP为东经200°，北纬45°。地面站位于东经230°和北纬20°。
计算可知，SVP与地面站之间的地心角（图4中的角D）为35.1°。从卫星到地面站（图4中d边）的链路距离为4,254 km。
对平面三角形使用正弦定律：角B =arcsin [ ( bsinD ) d = [ ( 7371×.5750 ) / 4254 ] arcsin [ 0.9963 ] 85,1°或94.9°，因为角B大于90°，所以是94.9°。
图5 纬度20°处的1% 0°等温线高度为4.4 km。
地平线与图中的a边成90°角，因此卫星与地面站的地平线成4.9°角。由图1可得出，在纬度20°处的1% 0°等温线高度为4.4 km。所以链路穿过雨水的距离为：
4.4 km / sin4.9° = 4.4 km / .089854 = 49 km
参照图1，如果链路为15 GHz，且有大雨，则雨衰为0.73 dB/km。因此，雨衰为49 km×0.073 dB/km = 35.8 dB。
如果链路频率较低（选择5 GHz），每千米的衰减仅为0.043 dB/km，因此雨衰仅为2.1 dB。

本文参考2021年EW-105《Space Electronic Warfare》

雷达通信电子战

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