水利衛(wèi)星通信對星指向數(shù)據(jù)計(jì)算及應(yīng)用

張建剛，祝 明

（水利部水文局，北京 100053）

0 引言

經(jīng)過 10 多 a 的努力，2007 年水利衛(wèi)星通信網(wǎng)的建設(shè)基本完成，實(shí)現(xiàn)了語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)姆姥赐ㄐ?，可承?dān)水雨情數(shù)據(jù)報汛、防汛異地會商、應(yīng)急搶險機(jī)動通信、云圖和遙感數(shù)據(jù)廣播等重要防汛通信任務(wù)[1]。

針對水利通信網(wǎng)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、主站及相關(guān)設(shè)備大多面臨老化的問題，2009 年水利部進(jìn)行了更替改造工作，改造后的新一代水利衛(wèi)星通信平臺已于2012 年正式投入運(yùn)行[2]。

1 水利衛(wèi)星通信簡介

新一代水利衛(wèi)星通信平臺衛(wèi)星資源性能優(yōu)良，主站技術(shù)先進(jìn)，服務(wù)范圍和業(yè)務(wù)應(yīng)用更加全面，衛(wèi)星小站建設(shè)和運(yùn)維成本大幅降低，可靠性和功能更強(qiáng)大，更加適用應(yīng)急通信、“兩小”治理、水文測報、數(shù)據(jù)廣播、異地會商和視頻監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用。依托新一代水利衛(wèi)星通信平臺，已入網(wǎng)衛(wèi)星小站 487 個，其中固定站入網(wǎng) 467 個，移動站入網(wǎng) 20個，已經(jīng)發(fā)揮了良好的減災(zāi)效益（數(shù)據(jù)截止至 2013年 1 月 31 日）。

1.1 水利衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

衛(wèi)星通信是在地面微波通信和空間技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[3]。與電纜、微波中繼、光纖、移動通信等通信方式相比，水利衛(wèi)星通信具有下列特點(diǎn)[4]：

1）覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)。幾乎覆蓋全國（包括各個特區(qū)），建站不受地理位置和地面距離及地形地貌的限制。

2）具有多址聯(lián)接功能。水利衛(wèi)星通信常用的多址聯(lián)接方式有頻分、時分、碼分多和空分等多址聯(lián)接，另外頻率再用技術(shù)亦是一種多址方式。

3）靈活機(jī)動。水利衛(wèi)星通信靈活機(jī)動的特點(diǎn)，使其在應(yīng)急搶險中發(fā)揮了巨大作用，如在汶川地震、舟曲泥石泥、盧山地震時均發(fā)揮了巨大作用。

4）容量大，頻段寬。衛(wèi)星通信頻率是 1～10 GHz頻段，水利衛(wèi)星通信主要選擇 Ku 和 C 頻段資源。

5）質(zhì)量好，可靠性高。水利衛(wèi)星通信的電波主要在自由空間傳播，噪聲小，通信質(zhì)量好。就可靠性而言，衛(wèi)星通信的正常運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá) 99.8% 以上。

6）成本與距離無關(guān)。水利衛(wèi)星通信的地球站至衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之間靠微波進(jìn)行傳輸，運(yùn)行成本與距離無關(guān)，無需額外投資[4]。

由于水利衛(wèi)星通信中繼站建立在太空中，故存在以下一些不足之處：

1）傳輸線路有時延現(xiàn)象。由于地面站到衛(wèi)星中繼站的距離最大可達(dá) 4×104km，電磁波以光速（3×105km/s）傳輸，這樣，利用衛(wèi)星通信打電話，由于 2 個站的用戶都要經(jīng)過衛(wèi)星，打電話者要聽到對方的回答必須額外等待 0.54 s[5]。

2）線路有回聲干擾。地面站到衛(wèi)星中繼站再到接收地球站來回轉(zhuǎn)播需 0.54 s，產(chǎn)生“回聲效應(yīng)”。

3）存在日凌中斷、星蝕和雨衰現(xiàn)象。由于水利通信的特殊性，在雨大風(fēng)急時必須建立通信鏈路，所以對雨衰現(xiàn)象應(yīng)留有足夠發(fā)射功率余量。

1.2 水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由地球通信站、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)、空間分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等 4 大部分組成[6]?？臻g分系統(tǒng)指通信衛(wèi)星，主要由天線、通信（轉(zhuǎn)發(fā)器）、遙測與指令、控制和電源等分系統(tǒng)組成[7]，通信衛(wèi)星信號處理單元如圖 1 中虛線框部分所示。

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般包括若干通信地球站，通過發(fā)射站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、接收站組成完整的衛(wèi)星通信線路，直接用于通信。

1.3 水利衛(wèi)星通信主站結(jié)構(gòu)

水利部新一代的寬帶衛(wèi)星通信主站平臺，采用美國 iDirect 公司的產(chǎn)品。iDirect 系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn) IP 協(xié)議平臺，實(shí)現(xiàn) IP 技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)的深層融合。與傳統(tǒng)的支持 IP 協(xié)議的衛(wèi)星系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)和帶寬資源的優(yōu)化配置，系統(tǒng)內(nèi)部提供 TCP/IP 協(xié)議加速，協(xié)議優(yōu)化，鏈路加密和 QoS；系統(tǒng)支持的上行速率可以從 64 kbps 擴(kuò)展到 8 Mbps，下行速率可以從 64 kbps 擴(kuò)展到 45 Mbps，支持多入向載波，也支持多個獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)共用主站基帶設(shè)備的應(yīng)用方式。

目前水利部具有 22.2 MHz 帶寬的 Ku 波段和 5 MHz 帶寬的 C 波段資源，新平臺采用 Ku＋C 波段組網(wǎng)，共同組建 DVB-S2 網(wǎng)絡(luò)，在雨衰較大地區(qū)采用 C 波段衛(wèi)星小站以減小雨衰影響。主站的出向基帶信號分別通過 Ku 和 C 波段射頻單元及衛(wèi)星天線同時上星。C 和 Ku 波段的小站分別通過各自的主站天線回傳信號，在主站基帶部分統(tǒng)一處理，水利衛(wèi)星主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。

圖2 水利衛(wèi)星主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 水利通信衛(wèi)星對星指向數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1 方位角、仰角和極化角的計(jì)算 [8]

為使用好水利空間衛(wèi)星資源，在衛(wèi)星通信地球站的設(shè)置、建立、開通和使用過程中，天線波束中心須對準(zhǔn)衛(wèi)星，為此必須知道天線波束中心和所要對準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角 φa和仰角 φe，示意圖如圖 3 所示。

圖3 方位角、仰角示意圖

同步通信衛(wèi)星與地面站的關(guān)系如圖 4 所示。其中，地球站的經(jīng)、緯度分別為 φ1和 θ1，同步通信衛(wèi)星 S 的星下點(diǎn) S' 的經(jīng)度為 φ2。

將同步通信衛(wèi)星與地球站關(guān)系圖中的幾何關(guān)系進(jìn)行分解，標(biāo)示在平面圖中，分解圖如圖 5 所示（其中 A 點(diǎn)為地球站所在地點(diǎn)、B 點(diǎn)為經(jīng)地球站 A點(diǎn)所在經(jīng)線與赤道的交叉點(diǎn)）。

圖4 同步通信衛(wèi)星與地球站的關(guān)系圖

圖5 同步通信衛(wèi)星與地球站的幾何關(guān)系分解圖

根據(jù)文獻(xiàn) 8 的介紹，地球站仰角計(jì)算公式為

地球站方位角計(jì)算公式為

注意，利用式（2）求出的是以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的方位角，按規(guī)定地球站天線的方位角都是按正北方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的。因此，位于北半球的地球站天線的實(shí)際方位角 φ 可按下述方法求得：

在衛(wèi)星通信中除了衛(wèi)星的方位角和仰角外，還有 1 項(xiàng)重要指標(biāo)，即極化角 φp，極化角是指由于接收者所在位置與衛(wèi)星所在地經(jīng)度差加大及地球曲率的影響，而使天線饋源波導(dǎo)口相對于地面所形成的傾角。小口徑天線的極化角調(diào)整尤其重要，甚至關(guān)系到能否對星成功。極化角示意圖如圖 6 所示。

圖6 極化角示意圖

地球站極化角計(jì)算公式為

調(diào)整極化角的目的在于使接收天線與衛(wèi)星極化良好匹配，高效率地接收微弱的衛(wèi)星信號。當(dāng)計(jì)算結(jié)果為負(fù)值時，表示接收的是南偏西的衛(wèi)星，此時饋源應(yīng)逆時針旋轉(zhuǎn)（人面對天線接收面調(diào)整）；極化角為正值時，表示接收的是南偏東的衛(wèi)星，饋源應(yīng)順時針旋轉(zhuǎn)。

由公式（1）～（3）可知，對于 1 個已知的衛(wèi)星，只要知道地球站所處經(jīng)、緯度，就可以求出仰角、方位角及極化角值。

2.2 地球站對星指向表

為方便廣大水利系統(tǒng)技術(shù)人員使用衛(wèi)星，在全國范圍內(nèi)選取了部分省會城市或典型地點(diǎn)進(jìn)行衛(wèi)星指向計(jì)算，使用亞洲 Ⅴ 號通信衛(wèi)星[9]Ku 波段和亞太 VI號通信衛(wèi)星[10]C 波段的衛(wèi)星小站可分別參照表 1 相應(yīng)通信衛(wèi)星對星指向表進(jìn)行對星。

地球站天線的實(shí)際方位角 φ 值為正時，地球站對星為南偏西；實(shí)際方位角 φ 為負(fù)時，地球站對星為南偏東。

3 地球站對星工作注意事項(xiàng)

根據(jù)水利部衛(wèi)星應(yīng)用小站建設(shè)情況，在衛(wèi)星地球站建設(shè)及對星工作中需要考慮以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

1）衛(wèi)星天線的選址。要考慮以下基本環(huán)境條件和安全保障，a）衛(wèi)星天線指向應(yīng)開闊，無遮擋，一般要求以天線基點(diǎn)為參考，對障礙物最高點(diǎn)所成的夾角小于以上對星仰角角度；b）查看附近有無微波站、差轉(zhuǎn)臺、雷達(dá)站和高壓線等，應(yīng)盡量避開這些干擾源；c）對裝在高樓頂?shù)奶炀€基礎(chǔ)設(shè)施（處在風(fēng)口區(qū)）做好承重及防風(fēng)工作（滿足 8 級大風(fēng)能工作，12 級大風(fēng)不毀壞）。須根據(jù)建站地磁偏角進(jìn)行修正，在全國范圍內(nèi)選取的部分典型地點(diǎn)的磁偏角如表 2 所示。

表1 亞洲 V 號和亞太 VI 號通信衛(wèi)星對星指向表

4）防雷接地。在多雷雨地區(qū)，衛(wèi)星天線的架設(shè)位置應(yīng)避開雷擊多發(fā)地點(diǎn)，同時要采取多種避雷措施以防雷擊，如安裝避雷針，避雷針的接地應(yīng)良好，接地電阻應(yīng)小于 4 Ω[12]。如處理不好，衛(wèi)星系統(tǒng)就可能引雷入室，造成設(shè)備損害，如水利部原有衛(wèi)星平臺中的廣東省飛來峽水利樞紐工程中的衛(wèi)星小站就因?yàn)榉览捉拥叵到y(tǒng)遭到破壞而多次受到雷擊。

4 結(jié)語

2）天線的安裝注意事項(xiàng)。按廠家提供的結(jié)構(gòu)圖安裝，除調(diào)整機(jī)構(gòu)部分，其余緊固件鎖定牢固。完成天線安裝后，高頻頭、饋源、BUC（變頻器組件）等與電纜聯(lián)接處應(yīng)做好防水處理。

3）磁偏角修正[11]。磁偏角指地球表面任一點(diǎn)的磁子午圈同地理子午圈的夾角。本文在進(jìn)行對星方位角計(jì)算時并未考慮磁偏角影響，在實(shí)際對星中必

根據(jù)水利部擁有的亞洲 Ⅴ 號和亞太 VI 號 2 顆通信衛(wèi)星指向數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合十余年的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程建設(shè)需求，介紹的衛(wèi)星地球站對星工作中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)，可使水利技術(shù)人員有效利用新一代水利衛(wèi)星通信平臺，完成防汛通信任務(wù)，提高抗災(zāi)救災(zāi)能力和信息化水平，確保重要信息的傳遞。

目前衛(wèi)星通信在水利系統(tǒng)得到較多的應(yīng)用支持，發(fā)揮了良好的作用，但在衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)中，建站環(huán)境、天線基礎(chǔ)、對星指向、極化調(diào)整、防雷接地等均是重要的基礎(chǔ)工作，一旦建站完成，施工人員撤除后，這些設(shè)施再行調(diào)整的難度很大，所以在建站時一定要考慮周全，將工作做到位，以免留下后患。

表2 各地的磁偏角表

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[10] 亞太衛(wèi)星公司. 亞太 6 號衛(wèi)星[EB/OL]. [2013-03-20].http://www.apstar.com/chinese/apt_company/index.asp.

[11] 地磁偏角[EB/OL].[2013-03-20].http://baike.baidu.com/view/358662.htm.

[12] 國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部. GB50174—93 電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范. 北京：中華人民共和國建設(shè)部，1993: 11-14.