“北斗”卫星导航频率保护现状及对策

温日红,申杰敏,葛 侠,原 亮

(北京环球信息应用开发中心,北京100094)

1 引 言

卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息,是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。该系统在交通运输 、电力 、水利 、渔业 、农业 、电信 、测绘 、森林防火以及减灾救灾等国民经济众多领域的应用非常广泛,已形成庞大的卫星导航产业;在军事领域中,卫星导航系统是实现武器平台精确导航定位和制导武器远程精确打击的关键支撑,是现代高技术信息化战争的重要保障。

但是,目前卫星无线电导航业务(RNSS)频率都是与其他业务共用的。国际电联(ITU)的研究已经证明,卫星无线电导航业务与其他业务是可以共用的,因此无线电频率划分表并未给卫星无线电导航业务划分单独使用的频率,每个划分频段都是与其他业务共用;这就表明卫星导航系统在选择所使用频率时首先要与其他业务进行协调,避免不同业务之间可能存在的干扰;其次,全球卫星导航系统的迅速发展远远超过了国际电联发布无线电频率划分表时对卫星无线电导航业务频率使用需求的预料,当时仅有美国GPS与俄罗斯GLONASS两家卫星导航系统,而目前不仅有四大全球卫星导航系统的存在与不断发展,日本、印度等各国也都在积极地发展各自的区域系统,因此,卫星无线电导航频率在全球范围内日益稀缺[1]。

同时,由于卫星导航系统信号本身的特性,其到达地面的信号功率很微弱,到达地面的卫星导航系统信号功率一般在-160 dBW左右;而按辐射源功率0.1 W计算,使用1.5GHz频率发射则在1 km处的干扰信号功率为-106 dBW,比卫星导航系统到达地面的信号高40 dB(10000倍)以上。卫星导航系统信号微弱,容易受到干扰。其影响将表现为三个方面。

一是用户机受到干扰后,将直接影响到信号的捕获、跟踪、解调等,使用户机测距精度下降、误码率增高,严重时将使用户机无法进行测距、解调,直接影响着用户机的定位精度与使用。

二是卫星首先需接收地面上行注入信息以完成星地时间同步、导航电文生成等工作,当上行注入频段受到干扰后,会使卫星的测距精度下降、接收误码率增高。严重时,还会使卫星无法进行测距、信息解调,直接影响着星地时间同步精度、下行导航电文生成,进而影响该星在卫星导航系统中的可用性。

三是地面运控系统是整个卫星导航系统的核心,主要任务是通过监测接收机等设备采集的原始观测数据,进行卫星定轨、时间同步、差分与完好性处理,若监测接收机等设备受到干扰将影响原始数据采集的质量,使有效数据量减少,严重时将无法进行测距和信息接收,导致卫星定轨、时间同步和差分与完好性处理性能变差,从而影响整个卫星导航系统的服务性能。

上述卫星导航系统频率及信号自身的特性使得卫星导航系统更加易受干扰,更加需要保护。目前拥有卫星导航系统的国家采取的保护办法主要包括制定国家级无线电导航卫星系统频谱管理法规和无线电导航卫星系统干扰探测和减缓计划及程序。我国尚无卫星导航系统频谱保护相关政策立法,因此,研究制定“北斗”卫星导航系统频谱保护政策,对确保我国“北斗”卫星导航系统正常运行,提供连续、稳定、可靠的服务,具有非常重要的战略意义。

2 国际卫星导航频率保护的方法措施

有效的频谱管理是减少因卫星导航系统本身具有的易受干扰性和脆弱性而导致的GNSS运行中断可能性的有效手段,根据各国卫星导航系统运行经验表明,实行有效的频谱管理可以将非故意干扰的威胁消除殆尽。有效的频谱管理包括三方面的内容:制定管制频谱使用的法律法规;执行这些法律法规;密切评估新的无线电频率源,确保其不对全球卫星导航系统产生干扰。

2.1 国际卫星导航系统委员会(ICG)

ICG倡导各国采取卫星导航频率保护活动:制定国家级的卫星导航频率保护法律法规与建立卫星导航频率干扰探测与消除程序。ICG的4个工作组已有3个组将频谱保护的相关内容列入了议题。工作组A负责兼容性与互操作性问题,对保护频谱以及探测并消除干扰提出了建议;工作组B负责提高全球卫星导航系统服务性能问题,在工作计划中添加了在全球卫星导航系统各频段探测和消除无线电频率干扰的技术的新项目;工作组D负责参考基准、授时和应用问题,也将对频谱保护以及干扰探测和消除列入议题,计划与工作组A、工作组B联合进行。

2.2 美国卫星导航频率保护方法措施

在美国,GPS卫星导航系统已经成为关系美国国家安全与经济利益至关重要的关键基础设施之一,无线电频谱由国家电信与信息管理局(NITA)和联邦通信委员会FCC共同管理,并拥有比较完善的无线电频谱监测程序。

美国联邦政府和国会强力支持和维护GPS在全球范围内的应用和推广,并认为发展GPS对美国国家安全和经济利益至关重要,其他频段用户的频谱对GPS信号发射频带的集总噪声增大会对GPS信号形成相当大的威胁,甚至危及美国的国家安全和经济安全。1999年和2000年的国防部拨款法案要求国防部长向国会提交GPS频谱保护策略报告,并指示国防部启动频谱协调研究,提交GPS频谱协调报告,作为对GPS频谱保护资金拨款的依据。

2010年12月18日,美国总统签署了《国家和商用空间项目》立法,对空间立法进行汇编。其中第50112节“推广美国GPS标准”明确规定,为支持与维持GPS有效服务于美国国家安全、公共安全、科学与经济利益,国会支持总统向商务部副部长提供电信与信息的发展方向和充分资源,以便副部长能够对GPS频谱的取得和维持进行有效管理;保护GPS频谱不受毁坏和干扰。

为防止GPS服务中断给美国的国家安全和经济安全造成严重危害,2007年8月,美国国土安全部制定了具体的干扰探测与消除计划。该计划对所有干扰事件进行收集、分析、存储和发布,目的是增强美国国内对GPS及其增强系统干扰源的辨别、分析、定位、归因以及消除的协调能力。采取的主要行动为:在发生损坏或拒绝接入GPS信号事件时,增强确保GPS连续运行的能力、程序与技术;进行常规性民用意外事件应对演习。

随着GPS与美国国家、经济安全关系日益紧密,美国政府越来越重视对滥用频率的现象的遏制,以保护GPS的用频。2011年,美国联邦通信委员会(FCC)批准美国无线宽带运营商光平方公司(Lightsquared)建立结合卫星的4G-LTE地面通信网络。但因其使用的原有移动卫星业务频段与GPS频段邻近,其强大功率的信号对地面基站附近微弱的GPS接收机信号产生有害干扰,40000个地面基站大多设立在GPS多用户地区,将可能导致GPS无法正常使用,以致危及美国的经济及国家安全,因此遭到GPS产业协会及供应商与用户的抗议,美国国会要求FCC重视光平方公司对GPS干扰的问题。FCC要求光平方公司在圆满解决GPS担心的干扰问题之后,才能着手进行其地面通信网络的商业运营。

综上,在GPS发展之初,美国政府制定各种政策法规大力发展和推广GPS,在其形成一个庞大的产业,并且在国家关键领域中占据了重要的地位之后,美国政府意识到必须加强对无线电频率的管理,遏制滥用频率的现象,加强对卫星导航频率的保护。

3 我国卫星导航频率的保护现状

3.1 “北斗”实验系统运行中出现的被干扰情况

“北斗”实验系统在运行过程中多次出现被干扰情况,主要为出站S频段干扰、入站C频段干扰。

3.1.1 出站S频段干扰

2009年,内蒙古某地区出现“北斗”实验系统用户机工作异常情况,经测试发现存在下行S频段干扰,经排查确定干扰源为该地区广播电视局农村电视网络全向发射天线由于64 MHz带宽不足以传输8路信号,故意违反国家频率划分规定将使用频段下移进入“北斗”实验系统卫星下行S频段内,从而对“北斗”用户终端造成严重干扰。

3.1.2 上行L频段转发的C入站频段干扰

“北斗”实验系统运行过程中,曾发现过如图1所示类型的干扰,分析认为此类型干扰是L频段上行干扰信号,通过“北斗”卫星L/C转发器转发后对入站C频段形成干扰。

图1 上行L频段转发的C入站频段干扰频谱情况Fig.1 Interference spectrum in C band transmitted by L band

3.2 “北斗”卫星导航系统一期运行中出现的干扰情况

3.2.1 主控站受干扰情况

2010年,发现主控站L频段1.2 GHz两处频点出现干扰,一处经查找确定为某企业的无线视频传输系统所致;另一处已影响到系统设备(监测接收机)的正常工作,曾引起系统监测接收机无法正常锁定下行导航信号,但目前还未找到干扰源。确定干扰源的干扰频谱见图2。

图2 L频段1.2 GHz干扰频谱Fig.2 Interference spectrum in L band(1.2 GHz)

3.2.2 L频段电磁环境测试干扰信号情况

在各地对RNSS L频段频谱情况进行测试时,发现多地都存在不同形式的信号,图3～9为其中一部分信号频谱图。

图3 西北部1.5GHz电磁环境测试信号频谱Fig.3 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-West(1.5 GHz)

图4 西部1.2 GHz电磁环境测试信号频谱Fig.4 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the West(1.2 GHz)

图5 北部1.2 GHz电磁环境测试信号频谱Fig.5 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North(1.2 GHz)

图6 东北部1.5GHz电磁环境测试信号频谱Fig.6 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-East(1.5 GHz)

图7 西南部1.5 GHz电磁环境测试信号频谱Fig.7 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-West(1.5GHz)

图8 南部1.2GHz电磁环境测试信号频谱Fig.8 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South(1.2 GHz)

图9 东南部1.5 GHz电磁环境测试信号频谱Fig.9 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-East(1.5 GHz)

上述信号频谱图描述了RNSS L频段在不同地点、不同时间存在的不同程度的干扰,也说明了我国境内卫星导航频率电磁环境比较恶劣。

3.3 我国卫星导航频率保护面临的主要问题

目前国内制定了一系列的无线电管理规定,包括1999年制定的《无线电管理条例》、2010年最新实施的《中华人民共和国无线电频率划分规定》、《无线电频率使用的规定》,从一定程度上对无线电频谱进行了保护。但从我国卫星导航系统的实际运行情况来看,对卫星导航频率的保护并不尽如人意。自我国卫星导航系统建成并开通使用以来,已在不同地区多次发现各类干扰。通过对干扰情况的分析主要反映出两方面的问题:一是一些单位不遵守国家规定,用频的法规意识淡薄,随意用频;二是缺乏对用频的监管,不能对非法用频的情况做到及时发现、及时处理。若任凭上述现象发展下去,将严重影响我国卫星导航系统的正常运行,给国家造成损失。

4 卫星导航频率保护措施建议

4.1 建立专门的协调管理机构

目前的管理监测和对干扰的处理效率比较低,虽然目前对系统的影响还不明显,但与以后的系统发展不相匹配;对各种新问题的协调解决程序与协调机构也需要尽快有明确的规定。因此,建议逐步探索并建立专门的国内卫星导航频率协调管理机构,由该机构专门负责卫星导航频率使用干扰情况的处理,以及运行与应用过程中有关问题的协调解决。

4.2 制定卫星导航频率保护相关的法律法规

从国家一级的政策法规层面对下列与卫星导航频率保护相关的问题进行明确的规定。

(1)“北斗”卫星导航系统的重要地位

国家应制定相应的政策法规,明确“北斗”卫星导航系统在我国国家安全与经济安全中的重要地位,阐明“北斗”卫星导航系统是我国关键基础设施的一部分,是实现国家安全与经济安全的重要工具,其应用涉及到各个领域,也是关系我国国家安全和经济安全的关键技术,应确保“北斗”卫星导航系统不受任何人为干扰,并保持稳定正常运行。

(2)支持并鼓励“北斗”卫星导航频率的保护

国家应制定政策法规支持“北斗”卫星导航频率需求及保护研究活动,鼓励研发保护“北斗”卫星导航系统频率的各项技术措施,以及开发新的频段,以满足“北斗”卫星导航系统建设与发展的频率需求。

4.3 加强干扰保护标准的研究

确定如接收机灵敏度恶化、最低干扰门限、有害干扰的判定标准,信号、告饶保护比和最小可用场强以及相关的干扰计算方法等,明确系统或接收机正常工作、受到容许干扰、受到有害干扰,或丧失服务功能以及系统产生误导信息等的干扰保护标准,使得“北斗”卫星导航频率的保护具有可评估性和可操作性。

4.4 加强干扰的监测和排查

要定期对导航频段的电磁环境进行监测普查[2]和重点排查,建议配备专业车载干扰定向监测设备;建立并完善“北斗”卫星导航频率干扰探测与消除程序。

4.5 加大频率保护执法与宣传力度

加大频率保护执法的力度,严格执法震慑、预防和减少非法用频行为。增强设备制造商的频率保护意识,并让公众了解“北斗”卫星导航系统及其频率保护的意义。

[1]International Telecommunication Union.Radio Regulations[M].Geneva,Switzerland:ITU,2008.

[2]朱庆厚,刘家儒.频谱管理中无线电干扰的应用[J].电讯技术,2010,50(12):121-124.ZHU Qing-hou,LIU Jia-ru.Applications of RF Jamming in Frequency Management[J].Telecommunication Engineering,2010,50(12):121-124.(in Chinese)