一種預(yù)測(cè)55 GHz以內(nèi)微波雨衰的實(shí)用方法

李　鵬,沈月偉,范國(guó)政,劉　民,劉姜玲,唐曉斌

(1.中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京　100041；2.中國(guó)軟件與技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京　102200)

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工程與應(yīng)用

一種預(yù)測(cè)55 GHz以內(nèi)微波雨衰的實(shí)用方法

李鵬1,沈月偉1,范國(guó)政2,劉民1,劉姜玲1,唐曉斌1

(1.中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京100041；2.中國(guó)軟件與技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京102200)

從四份ITU-R P.系列建議書(shū)中歸納出一種預(yù)測(cè)55 GHz以內(nèi)微波雨衰的實(shí)用方法。簡(jiǎn)化了雨衰A0.01的計(jì)算步驟；計(jì)算了10 GHz以內(nèi)的關(guān)于極化的系數(shù)；給出了部分重點(diǎn)地區(qū)的降雨率和0 ℃等溫線高度的典型值。依據(jù)雨衰A0.01，發(fā)生頻率可外推至99.999%～95%，微波頻率可外推至55 GHz。計(jì)算邏輯清晰完整，易于實(shí)用化編程。

雨衰預(yù)測(cè)；發(fā)生頻率外推；微波頻率外推

TN927.23

A

1673-5692(2016)02-173-05

0　引　言

隨著數(shù)字衛(wèi)星通信[1]和星載雷達(dá)[2,3]的廣泛應(yīng)用，電磁波工作頻率普遍升高，波長(zhǎng)隨之減小。當(dāng)波長(zhǎng)和雨滴線度接近時(shí)，雨滴會(huì)產(chǎn)生吸收和散射，雨衰效應(yīng)凸顯。雨滴半徑與波長(zhǎng)的比值對(duì)雨衰有著密切的關(guān)系，而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。吸收衰減是雨衰產(chǎn)生的主要影響，大部分表現(xiàn)為熱損耗[4]。

全球范圍和國(guó)內(nèi)各地的雨滴模型差異很大，故雨衰的預(yù)測(cè)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。目前，幾種計(jì)算方法[5]，如Lin、SAM、Crane、Bothias等，存在中間參量指代不明確和更新不及時(shí)等問(wèn)題，急需一種簡(jiǎn)便、明確且符合實(shí)際應(yīng)用需求的雨衰預(yù)測(cè)方法。

2013年9月頒布的ITU-R P.618建議書(shū)[6]給出了55 GHz以內(nèi)微波雨衰的預(yù)測(cè)方法，但其中某些重要參數(shù)的計(jì)算方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分散在其它三份建議書(shū)中，具體包括：ITU-R P.837建議書(shū)[7]的降雨率R0.01的全球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)；ITU-R P.838建議書(shū)[8]有關(guān)極化的系數(shù)k和α的計(jì)算方法和典型值；ITU-R P.839建議書(shū)[9]的降雨高度的計(jì)算方法以及該建議書(shū)附件給出的0 ℃等溫線高度的全球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù) (經(jīng)、緯度每1.5°間隔)，該參數(shù)直接決定了降雨高度的計(jì)算。因此，欲得到最終的雨衰預(yù)測(cè)結(jié)果，必須整合這四份建議書(shū)的相關(guān)內(nèi)容。本文歸納相關(guān)計(jì)算邏輯，簡(jiǎn)化計(jì)算步驟，整理或計(jì)算重要參數(shù)的典型值，形成一種邏輯清晰完整的雨衰預(yù)測(cè)實(shí)用方法，最終編程實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)功能。

1　雨衰預(yù)測(cè)計(jì)算方法

1.1傾斜路徑雨衰

傾斜路徑雨衰如圖1所示。

圖1　傾斜路徑雨衰的示意圖[6]

各參數(shù)如下：

hR為年平均降雨高度 (km)；hs為臺(tái)站海拔高度 (km)；Ls為斜路徑長(zhǎng)度 (km)；θ為發(fā)射仰角。

定義“平均每年0.01%的時(shí)間超出的雨衰年度值A(chǔ)0.01(dB)”：平均每年99.99%的時(shí)間，雨衰≤A0.01。

(1)

其中，降雨特定衰減率γR(dB/km) 由式(2)決定：

(2)

根據(jù)ITU-R P.838建議書(shū)[8]，與極化相關(guān)的系數(shù)：

τ為相對(duì)水平位置的極化斜角(對(duì)于圓極化，τ=45°)。

1 G～10 GHz的kH、αH、kV和αH典型值如表1。

表1　kH、αH、kV和αH的典型值(1 G～10 GHz)

定義“平均每年0.01%的時(shí)間超出的降雨率年度值R0.01(mm/h)”：平均每年99.99%的時(shí)間，降雨率≤R0.01。

根據(jù)ITU-R P.837建議書(shū)[7]，全球R0.01分布如圖2所示，部分地區(qū)的R0.01典型值如表2。

表2　部分地區(qū)的R0.01(mm/h)典型值

根據(jù)ITU-R P.839建議書(shū)[9]，全球年平均降雨高度hR(km) 由式(3)決定：

(3)

其中，h0為年平均0 ℃等溫線高度(km)。根據(jù)ITU-R P.839建議書(shū)附件，全球h0分布如圖3所示，部分地區(qū)的h0典型值可參考表3。

圖3　全球h0分布[9]

海域陸地東海及臺(tái)灣島4.8東南沿海5南海及海南島5華中4.7黃海4.7東北3.2中南半島以西5西藏地區(qū)6波斯灣出海口3.8新疆地區(qū)4.5阿拉伯海4.8帕米爾以西5渤海3.5華北3.7

當(dāng)hR>hs時(shí)，斜路徑長(zhǎng)度Ls(km)：

(4)

其中，Re為地球有效半徑 (km)，其典型值可參考Re=8500 km。

對(duì)于微波頻率為f(GHz)的LR：

(5)

其中，

(6)

垂直調(diào)節(jié)因子v0.01：

(7)

其中，χ由臺(tái)站的地理緯度φ°決定 ，北緯φ°為正，南緯φ°為負(fù)：

(8)

1.2發(fā)生頻率外推：A0.001～A5

平均年份的A0.001～A5可由A0.01外推：(即平均每年99.999% ～ 95%的時(shí)間的雨衰上限)

(9)

其中，

(10)

1.3微波頻率外推：7G～55 GHz雨衰

若已得到微波頻率f1(GHz)的長(zhǎng)期測(cè)量統(tǒng)計(jì)雨衰A|f1，則相同路徑上微波頻率f2(GHz)的雨衰A|f2可按式(11)外推得到：

圖4　雨衰預(yù)測(cè)邏輯圖

(11)

其中，

(12)

2　編程邏輯

上述預(yù)測(cè)方法采用全解析計(jì)算，邏輯清晰完整，便于編程實(shí)現(xiàn)。其邏輯流程如圖4所示。

雨衰預(yù)測(cè)的程序?qū)崿F(xiàn)如圖5～圖8。設(shè)定臺(tái)站輻射功率80 dBm，微波頻率2 GHz。

圖5　選定附加雨衰預(yù)測(cè)功能

圖6　降雨率分布參考

圖7　雨衰預(yù)測(cè)

3　結(jié)　語(yǔ)

綜合四份ITU-R P. 系列建議書(shū)歸納出的雨衰預(yù)測(cè)方法邏輯清晰完整，中間參量指代明確，易于編程實(shí)現(xiàn)，是一種實(shí)用化的有效預(yù)測(cè)方法。

[1]John D. Kraus and Ronald J. Marhefka, Antennas: For All Applications, ThirdEdition, [M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. , 2002.

[2]Merrill I. Skolnik, Radar Handbook, Third Edition, [M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. , 2008.

[3]John C. Curlander and Robert N. Mcdonough, Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing, [M]. John Wiley & Sons, Inc., 1991.

[4](前蘇聯(lián)) 阿爾別爾特Ял著. 袁翊譯. 無(wú)線電波傳播和電離層(第二卷). [M]. 人民郵電出版社. 1981.

[5]G.Brussaard etc. Atmospheric Modelling &Millimeter Wave Propagation. [R]. Eindhoven University of Technology, Netherlands, 1991.

[6]Radiocommunication Sector of ITU, Recommendation ITU-R P.618-11: Propagation Data and Prediction Methods Required for the Design of Earth-Space Telecommunication Systems. [Electronic Publication]. Geneva, 2013, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

[7]國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信部門(mén), ITU-R P.837-6建議書(shū): 傳播建模的降水特性. [電子出版]. 日內(nèi)瓦, 2013, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

[8]國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信部門(mén), ITU-R P.838-3建議書(shū):預(yù)測(cè)方法中使用的雨天衰減的具體模型. [電子出版]. 日內(nèi)瓦, 2005, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en[9]國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信部門(mén), ITU-R P.839-4建議書(shū)：預(yù)測(cè)方法使用的降雨高度模型. [電子出版]. 日內(nèi)瓦, 2014, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

李鵬(1981—)，男，北京市人，工程師，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒荩?/p>

E-mail: zimao_lp@163.com

沈月偉(1983—)，男，山東省人，工程師，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)展示技術(shù)；

范國(guó)政(1986—)，男，山東省人，工程師，主要研究方向?yàn)檐浖O(shè)計(jì)；

劉民(1972—)，男，黑龍江省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境電磁效應(yīng)；

劉姜玲(1977—)，女，江西省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)；

唐曉斌(1961—)，女，重慶市人，研究員，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。

An Applied Method of Predicting Rain Attenuation of Microwave up to 55 GHz

LI Peng1, SHEN Yue-wei1, FAN Guo-zheng2, LIU Min1, LIU Jiang-ling1, TANG Xiao-bin3

(1. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China;2. China National Software & Service Co. Ltd., Beijing 102200, China)

An applied method of predicting rain attenuation of microwave up to 55GHz is extracted from four ITU-R P. Series Recommendations. Calculating steps for rain attenuationA0.01are simplified; coefficients depending on polarization are computed, up to 10GHz; typical values of rainfall rate and 0℃ isotherm height in some significant regions are shown. Derived fromA0.01, extrapolation of occurrence frequency between 99.999%～95% could be available, as well as microwave frequency up to 55GHz. Logic of calculation must be clear, complete, and easy for applied program.

Predicting Rain Attenuation; Extrapolation of Occurrence Frequency; Extrapolation of Microwave Frequency

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.010

2016-01-09

2016-03-01

裝備預(yù)研基金項(xiàng)目支持：基于××采樣的復(fù)雜電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)綜合展示技術(shù)研究(9140A04010115DZ×××××)