淺析衛(wèi)星地球站上行信號對微波站干擾的計(jì)算

引言

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)與微波接力系統(tǒng)共用頻段，會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。為了避免新建衛(wèi)星地球站建成后的上行頻率對地球站周圍微波接力系統(tǒng)造成有害干擾，依據(jù)中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部第21號令《建立衛(wèi)星通信網(wǎng)和設(shè)置使用地球站管理規(guī)定》【2002.6.21】和《建設(shè)衛(wèi)星通信網(wǎng)和設(shè)置使用地球站的暫行規(guī)定》【國無管（1995.1）4號】，要求建站單位在衛(wèi)星地球站確定站址之前，在申報(bào)有關(guān)技術(shù)資料的同時(shí)，提供數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確、論證要充分、分析要科學(xué)、結(jié)論要明確的衛(wèi)星地球站對微波接力站的干擾分析報(bào)告。無線電管理部門根據(jù)建站單位提供的擬建站址電磁環(huán)境測試報(bào)告和干擾分析報(bào)告，作為審批站址時(shí)的技術(shù)參考。本文主要介紹衛(wèi)星地球站周圍(以衛(wèi)星地球站天線為中心)半徑100 km以內(nèi)共用頻段的衛(wèi)星地球站對微波接力站的干擾計(jì)算步驟和具體方法，供大家參考。

1.相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB13616－92“微波接力站電磁環(huán)境保護(hù)要求”規(guī)定，衛(wèi)星地球站上行信號對微波接力通信系統(tǒng)的干擾允許值為——

(1) 對于模擬微波接力通信系統(tǒng)2500 km假設(shè)參考電路的任何話路的相對零電平點(diǎn)，干擾功率應(yīng)符合以下要求:

a.任何月份20％以上的時(shí)間內(nèi)，噪聲計(jì)加權(quán)1分鐘平均功率不超過1000 pW。

b.任何月份0.01％以上的時(shí)間內(nèi)，噪聲計(jì)加權(quán)1分鐘平均功率不超過50000 pW。

（2）對于數(shù)字微波接力通信系統(tǒng)2500 km假設(shè)參考數(shù)字通路道的64 kbit/s輸出端，干擾功率應(yīng)符合以下要求:

a.任何月份0.04％以上的時(shí)間內(nèi)，任意1分鐘射頻干擾功率引起的平均誤碼率應(yīng)不超過10-6。

b.任何月份0.0054％以上的時(shí)間內(nèi)，任意1秒鐘射頻干擾功率引起的平均誤碼率應(yīng)不超過10-3。

c.任何月份由于射頻干擾功率引起的誤碼秒累積時(shí)間應(yīng)不超過0.032％。

2.相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

在實(shí)際的干擾分析計(jì)算中，預(yù)選衛(wèi)星地球站站址的經(jīng)緯度和靜止衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)緯度及微波接力站（以下簡稱:微波站）站址的經(jīng)緯度是已知的，通過這些已知的參數(shù)可以計(jì)算出:衛(wèi)星地球站的通信方位角和仰角、衛(wèi)星地球站與微波站之間的距離、衛(wèi)星地球站與微波站的空間損耗、衛(wèi)星地球站鑒別角、微波站鑒別角、衛(wèi)星地球站天線增益、微波站天線增益、實(shí)際干擾信號電平值、干擾信號允許值（干擾容限值）。

2.1 地球站通信方位與仰角的計(jì)算

設(shè)衛(wèi)星地球站A的經(jīng)緯度分別為φ1和θ1，靜止衛(wèi)星W的星下點(diǎn)S的經(jīng)緯度為Ψ和0，φ0=Ψ-φ1為星下點(diǎn)S對衛(wèi)星地球站A的經(jīng)度差，微波站B點(diǎn)的經(jīng)緯度分別為φ2和θ2。

當(dāng)衛(wèi)星地球站A天線對準(zhǔn)衛(wèi)星W時(shí)，其仰角EL和方位角AZ分別為:

對于對地靜止衛(wèi)星而言，

式中，RE為地球半徑，6378公里;hE為衛(wèi)星距地面距離大約35786.6公里。

注意:方位角有正有負(fù)，此公式是以正南為基準(zhǔn)。我國基本上以正北為準(zhǔn)，因此:

2.2 衛(wèi)星地球站和微波站間的通信方位及路徑的計(jì)算

已知衛(wèi)星地球站和微波站兩點(diǎn)A、B的經(jīng)緯度，可進(jìn)行以下計(jì)算。

2.2.1 計(jì)算A點(diǎn)到B點(diǎn)的真北方位角

A點(diǎn)到B點(diǎn)的真北方位角AZ用下式計(jì)算:

當(dāng)tgAZ >0,θ1θ2，方位角為AZ;

若θ1>θ2，方位角為π+AZ;

當(dāng)tgAZ0,θ1>θ2，方位角為π-｜AZ｜;

若θ1θ，方位角為2π-｜AZ｜。

式中: φ1為A點(diǎn)經(jīng)度，弧度;φ2為B點(diǎn)經(jīng)度，弧度;

θ1為A點(diǎn)緯度，弧度;θ2為B點(diǎn)緯度，弧度。

2.2.2 計(jì)算A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離

① 大圓路徑計(jì)算方法

d=cos-1(cosαcosβ+sinαsinβcosC)*α （7）。

式中，C=ψ2-ψ1; θ1，θ2，ψ2和ψ1的定義同上。

② 平坦地面計(jì)算方法（ d10 km）

式中，R為地球半徑，為6378公里; θ1，θ2，ψ2和ψ1的定義同上。

2.3 衛(wèi)星地球站和微波站干擾鑒別角的計(jì)算

衛(wèi)星地球站通信方向AC與微波站被干擾方向AB之間夾角為ψ，即衛(wèi)星地球站通信方向?qū)ξ⒉ㄕ镜母蓴_鑒別角。φA為衛(wèi)星通信方向在其通信方位角上的投影與該衛(wèi)星地球站至微波站方向在水平面的夾角。CB垂直于AB,C點(diǎn)向地面投影交于O點(diǎn)（見圖1）。

由圖2可知:

φA′=｜AZ-AZ′｜ ( rad ) ，

φA =φA′ 0≤φA′≤π ,

或φA=2π－φA′ φA′＞π。

2.3.1 衛(wèi)星地球站通信方向?qū)ξ⒉ㄕ颈桓蓴_方向的干擾鑒別角的計(jì)算

由圖1可知: ψ= cos-1 (cosEL* cosφA) （9）。

（以上計(jì)算假設(shè)微波站工作仰角ε=0時(shí)）若ε≠0，則（9）式應(yīng)寫成如下式:

ψ=cos-1(cosε*cosEL*cosφA＋sinε*sinEL)（10）。

2.3.2 微波站通信方向?qū)Ρ恍l(wèi)星地球站 干擾方向的鑒別角的計(jì)算

由圖2可知:

φB′=|φD-AZ′+π| ( rad ) ，

φB =φB′ 0≤φB′≤π;

或φB= 2π－φB′ φB′＞π。

圖2中，BD為有用信號傳輸路徑，AB為干擾信號傳輸路徑, φD為微波站通信方向。

2.4 天線增益的確定

天線增益是通過實(shí)際天線方向圖來確定的，當(dāng)缺少天線方向圖資料時(shí)，可利用下述公式計(jì)算天線在某一方向的增益。

設(shè)D為天線直徑（m）;λ為波長（m）;當(dāng)D/λ>100時(shí)，

其中:Gmax—天線主瓣增益dB，Gmax=10lg[0.6(πD/λ)2]，0.6為天線效率;

G1—天線第一旁瓣增益dB，G1=2+15 lg (D/λ);

ψ—偏離主波束中心軸的張角，度;

ψ1—主瓣半功率角寬度的一半，可用下式表示:

2.5 傳輸損耗的計(jì)算

2.5.1 視距路徑傳輸損耗計(jì)算

視距路徑傳輸損耗主要包括自由空間傳輸損耗及氧氣和水汽的吸收損耗:

　　Lsd=Lo+(γ0+γw)d （13）。

　　Lo=92.5+20lgf+20lgd （14）。

式中:Ls—視距路徑傳輸損耗，dB;

Lo—自由空間傳輸損耗，dB;

f —頻率，GHz; d—路徑長度，km;

　 γ0—氧氣吸收衰減系數(shù)，dB/km;

　 γw—水汽吸收衰減系數(shù)，dB/km。

當(dāng)f＜15 GHz時(shí)，γW＝０，則

式中:ρ—水汽濃度，取決于無線電氣候區(qū)。

2.5.2 超視距路徑傳輸損耗計(jì)算

超視距傳播機(jī)制主要是繞射（包括障礙物繞射和光滑球面繞射）和對流層散射。對于距離稍超過視距的傳輸路徑，在大多數(shù)情況下繞射是主要傳播機(jī)制，散射可忽略不計(jì);對于遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過視距的路徑，散射是主要傳播機(jī)制，繞射可忽略不計(jì);對于介于兩者之間的中等長度的路徑，兩種傳播機(jī)制都需要考慮?？紤]參數(shù)有:HC—路徑余隙，m;HO—自由空間余隙，m。主要傳播損耗有四種:

（1）光滑球面繞射損耗。

（2）不規(guī)則地形障礙物上的繞射損耗。

在傳播路徑上往往會(huì)遇到一個(gè)或多個(gè)障礙物，為了估算這些障礙物的附加繞射損耗，通常是將障礙物的形狀理想化。當(dāng)障礙物的厚度相對較窄時(shí)，可視為刃形障礙;當(dāng)障礙物的厚度相對較寬、頂部比較平緩時(shí)，可視為圓形障礙。因此又可細(xì)分為①刃形繞射損耗的計(jì)算;②單圓形障礙物繞射損耗的計(jì)算。

（3）多重障礙物繞射計(jì)算。

（4）對流層散射傳播。

以上四種傳播損耗具體計(jì)算比較復(fù)雜，由于受篇幅的限制在這里就不詳細(xì)贅述，具體方法見《微波接力通信系統(tǒng)干擾計(jì)算方法》（國標(biāo)GB/T 13619-92）。

2.5.3 不同類型路徑傳輸損耗Lsd的計(jì)算

（1）當(dāng)路徑余隙HC＞HO，并且路徑距離不超過100 km時(shí)，Lsd按自由空間傳輸損耗計(jì)算:

Lsd=Lo=92.5+20lgf+20lgd （17）。

（2）當(dāng)路徑余隙HC≤HO，并且路徑距離不超過100 km時(shí)，Lsd按自由空間傳輸損耗計(jì)算并附加繞射傳輸損耗:

Lsd=Lo+Ld （18）。

3.微波接收機(jī)輸入端實(shí)際干擾信號電平值和干擾信號允許值（干擾容限）的計(jì)算

3.1 實(shí)際干擾信號電平值的計(jì)算

實(shí)際干擾信號電平值計(jì)算公式為:

I=PI-LI+GI+GR-LR-Lsd-XPD+K （19）。

式中，I—微波收信機(jī)輸入端干擾信號功率，dBm;

PI—干擾發(fā)信機(jī)輸出端信號功率，dBm;

GI—衛(wèi)星地球站天線在干擾站方向的天線增益，dBi;

GR—微波天線在被干擾源方向的天線增益，dBi;

LR—接收端饋線系統(tǒng)損耗，dB;

LI—干擾站發(fā)射端饋線系統(tǒng)損耗，dB;

Lsd—路徑傳輸損耗，dB;

XPD—交叉極化去耦，dB;（由于影響不大可以省略）

信號帶寬
K—帶寬修正因子，K=10lg———— 。
干擾帶寬

3.2 干擾信號允許值（干擾容限值）的計(jì)算

3.2.1 模擬微波站干擾信號允許值(干擾容限值)的計(jì)算

模擬TV/FM系統(tǒng)和FDM/FM系統(tǒng)干擾信號允許值的計(jì)算比較復(fù)雜,需要計(jì)算有用信號和干擾信號分別為低、中、高調(diào)制指數(shù)時(shí)的載噪比。本文介紹兩種比較簡單的工程上常用的計(jì)算方法。

A. 采用FM制式的微波接力系統(tǒng)的微波接收機(jī)輸入端對來自同一頻段，采用FDM/FM/FDMA制式的衛(wèi)星地球站干擾電平允許值采用下述公式估算（用于選址）。

1.任何月份20％以上時(shí)間，干擾信號電平允許值為:

I0=10lgTR-176.6 (任一4 kHz帶寬) （20）。

2.任何月份0.01％以上時(shí)間，干擾信號電平允許值為:

I0=10lgTR-159.6 (任一4 kHz帶寬) （21）。

式中:I0—微波接收機(jī)輸入端干擾信號允許值，dBW;

TR—微波接收機(jī)的噪聲溫度，K。

對于噪聲溫度TR，可用下式求出:

TR=(F－1)×290 （22）。

式中:F—微波接收機(jī)的噪聲系數(shù)。

B.通過門限惡化量來估算干擾信號允許值（干擾容限值）。門限電平是指恰好滿足中斷概率指標(biāo)的接收信號電平。描述門限惡化的一種方法就是給出最大干擾信號允許值。式（23）可用來估算TV/FM系統(tǒng)和FDM/FM系統(tǒng)的最大干擾信號允許值。（23）式表示如下:

I0=Rth-10+Se （23）。

式中:I0—最大干擾信號允許值dBm;

Rth—被干擾的微波接收機(jī)門限電平值，dBm;

Se—被干擾的微波接收機(jī)有效選擇性，dB。

3.2.2 數(shù)字微波站干擾信號允許值(干擾容限值)的計(jì)算

A.由干擾允許值的誤碼率計(jì)算公式可知:

①M(fèi)PSK調(diào)制系統(tǒng)

Pe≈0.5exp(Eb/N0)=0.5expC/N (DBPSK);

當(dāng)M=2時(shí) Pe≈0.5erfc(X) (BPSK);

當(dāng)M＞2時(shí) Pe≈erfc[XSin(t)] (MPSK)。

式中，erfc(Y)—補(bǔ)余誤差函數(shù)，可用下式表示:

(C/N)0—平均載波功率與平均噪聲功率之比，即對應(yīng)于某一誤碼率的信噪比理論值;

PL—MQAM 調(diào)制系統(tǒng)兩個(gè)正交分量之一的基帶信號誤碼率;

M—調(diào)制電平數(shù);

L＝√M。

B.實(shí)際門限信噪比的計(jì)算

根據(jù)3.2.2 A中公式可算出信噪比的理論值(C/N)0，另外還有設(shè)備不完善引起的惡化，系統(tǒng)內(nèi)部干擾引起的惡化和系統(tǒng)外部干擾引起的惡化；因此，實(shí)際的門限信噪比可表達(dá)如下:

(C/N)th =（C/N）0 +δ1 +δ2 +δ3 （24）。

式中:(C/N)th—對應(yīng)于某一誤碼率（如10-3或10-6）的門限信噪比值，dB;

（C/N）0 —對應(yīng)于某一誤碼率（如10-3或10-6）的信噪比理論值，dB;

δ1—設(shè)備惡化量（設(shè)備廠家給出），dB;

δ2—系統(tǒng)內(nèi)部干擾的惡化量，dB;

δ3—系統(tǒng)外部干擾的惡化量，dB。

C.信號干擾比允許值計(jì)算

信號干擾比允許值可按下式近似估算:

(C/I) 0=(C/N)th+Δ (dB) （25）。

式中:Δ—由于系統(tǒng)外部干擾所要求的信號干擾比增量，dB。

Δ與δ3有如下關(guān)系:

Δ=-10lg(100.1δ3-1)，

通常取δ3=0.04～0.4 dB，則Δ=10～20 dB。

D.干擾信號允許值（干擾容限值）的計(jì)算

I0=C－(C/I)0 （26）。

式中: I0—干擾信號允許值;

C—門限接收電平;

(C/I)0—對應(yīng)于某一誤碼率（如10-3或10-6）的信噪比理論值，dB。

４.微波接收機(jī)輸入端實(shí)際干擾信號電平和干擾信號允許值（干擾容限）的比較

經(jīng)計(jì)算可以得出微波接收機(jī)輸入端實(shí)際干擾信號功率I的數(shù)值（dBm）和干擾信號允許值I0（dBm）（干擾容限值）。

當(dāng)衛(wèi)星地球站周邊只要有一個(gè)微波站的I≥I0 時(shí)，不可以在擬選的站址上架設(shè)衛(wèi)星地球站，衛(wèi)星地球站會(huì)對工作在同頻段100 km以內(nèi)的微波接力站產(chǎn)生干擾。

當(dāng)I＜I0 時(shí)可以在擬選的站址上架設(shè)衛(wèi)星地球站，衛(wèi)星地球站不會(huì)對工作在同頻段100 km以內(nèi)的微波接力站產(chǎn)生干擾。

５.結(jié)束語

衛(wèi)星地球站的電磁環(huán)境測試和干擾分析是衛(wèi)星地球站建設(shè)前的一項(xiàng)非常重要的工作。認(rèn)真做好這項(xiàng)工作，可提高無線電頻譜資源的利用率，有效地避免衛(wèi)星地球站建成后上行信號可能對周邊同頻段內(nèi)微波站造成的干擾，降低建設(shè)衛(wèi)星地球站的成本。本文按照“暫行規(guī)定”要求，只給出衛(wèi)星地球站周圍(以衛(wèi)星地球站天線為中心)半徑100 km以內(nèi)的計(jì)算方法。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行發(fā)射衛(wèi)星地球站協(xié)調(diào)區(qū)計(jì)算，畫協(xié)調(diào)區(qū)圖，協(xié)調(diào)區(qū)內(nèi)所有同頻段的微波站都要進(jìn)行干擾計(jì)算，最后確定協(xié)調(diào)區(qū)內(nèi)哪幾個(gè)微波站和衛(wèi)星地球站間存在有害干擾，盡量避免新建的衛(wèi)星地球站可能對周邊同頻段內(nèi)微波站造成的干擾。