科学类卫星业务频率使用浅析（2）

2019-10-14刘珊杉

数字通信世界 2019年9期

关键词：测控频段申报

潘冀，刘珊杉

（国家无线电监测中心，北京 100037）

（接上期）

4 科学类卫星业务频率使用态势分析

科学类卫星系统使用的频率资源可以按照以下维度进行划分：对目标信息进行探测的业务频率，对空间电台进行遥令遥测跟踪的测控频率，以及进行数据传输的数传频率。

4.1 业务频率

科学类卫星系统一般利用卫星/航天器在轨道上通过遥感器（也称传感器、探测器、遥感载荷）获取人们所需要的观测目标的各种信息。这些遥感器是科学类卫星系统的有效载荷，也是获取遥感数据的关键设备。由于设计和获取数据的特点不同，传感器种类繁多，使用无线电频率的传感器，主要包括有源微波与无源微波两种（光学遥感对应的光谱也可以以波长形式描述，但目前不属于无线电频率管理的范畴），对应的无线电业务类型为卫星地球探测/空间研究（有源）和卫星地球探测/空间研究（无源）。

微波遥感的频段通常取决于探测对象的物理属性，基本根据系统任务要求选择频率，扩展空间有限。有源微波遥感涉及无线电功率的发射，存在频率资源竞争和协调问题，而无源微波遥感基本是对遥感对象自然属性的反映，只存在无源频率保护问题（即如何免受其他系统或业务干扰，包括带内和带外），不存在资源竞争和协调问题。

4.1.1 频率划分

根据2016年版的《无线电规则》的规定，卫星地球探测（有源）业务和空间研究（有源）业务频率划分如表1所示：

表1 卫星地球探测/空间研究（有源）业务频率划分

卫星地球探测（无源）业务和空间研究（无源）业务频率划分如表2所示。需要注意的是，次要业务不能对指配为主要业务的频率产生有害干扰，也不能要求其保护，因此对无源业务而言，次要划分的频段几乎没有使用价值，对无源探测频率进行次要划分的原因需要进一步研究。

表2 卫星地球探测/空间研究（无源）业务频率划分

4.1.2 频率使用态势

4.1.2.1 卫星地球探测业务/空间研究（有源）

经统计，共有16个国家申报了49组包含卫星地球探测（有源）业务的网络资料，资源储备并不多，具体情况如图4所示（GSO指地球同步轨道卫星，NGSO 指非地球同步轨道卫星）。

图4 卫星地球探测（有源）业务网络组数统计

从图4可以看出，美国、中国和法国申报数量位居前列，相互之间差距很小。从网络资料频段占比情况来看，几乎所有申报频段均在36 GHz 以下。从实际应用来看，散射计、测高计及合成孔径雷达主要集中在18 GHz 频段以下，降水雷达主要使用13-36 GHz 频段，云廓线雷达主要使用70 GHz 以上频段。有源微波遥感的应用目前主要是星载雷达，未来的应用将与传统的光学遥感并驾齐驱，共同发挥各自的优势作用。

经统计，仅5个国家申报了6组包含空间研究（有源）业务的网络资料，多使用L 和S 频段。我国仅申报1组，使用C 频段，本文不再列图表示。

4.1.2.2 卫星地球探测业务/空间研究（无源）

经统计，共有8个国家申报了23组包含卫星地球探测（无源）业务的网络资料，均为NGSO，具体情况如图5所示。

图5 卫星地球探测（无源）业务网络组数统计

从图5可以看出，与有源遥感类似，美国、法国和中国申报数量位居前列，但全球申报的总量不多。从网络资料频段占比情况来看，频率范围跨度比较大，频段分布并没有特别明显的集中情况。我国申报的4组网络资料分别用于气象系列及海洋系列两大类卫星，使用了从6 GHz 到190 GHz 的多个频段。

经统计，仅俄罗斯申报了一组包含空间研究（无源）业务的网络资料，使用L 频段，本文不再列图表示。

4.2 测控频率

卫星测控分系统在其他系统配合下实现对卫星遥测、遥控、轨道跟踪与测量的功能，是卫星/航天器在轨安全、有效工作的基本保障。

测控功能对应的无线电业务类型为空间操作业务。根据《无线电规则》的定义，空间操作业务既可以使用为空间操作划分的频率，也可以使用卫星系统的业务频率。目前国内通信卫星的测控多使用C 频段，科学类卫星的测控多使用S 和X 频段、少部分使用VHF/UHF 频段。

4.2.1 频率划分

空间操作业务频率划分如表3所示。本文将重点研究包含表3中频率的网络资料，不考虑使用卫星系统业务频率开展卫星测控的网络资料。

表3 空间操作业务频率划分

4.2.2 频率使用态势

经统计，在VHF/UHF 频段共有29个国家申报了118组包含空间操作业务的网络资料。其中401-402 MHz 是主要申报频段，频段占比约82%。其余频段或因次要划分，或因与卫星气象业务、卫星移动业务共享频段，有一定的协调难度，导致申报较少或未申报。具体申报情况如图7所示。

测控系统是卫星/航天器在轨工作的必要辅助系统，如果空间操作频率与业务频率采用一体化设计，便能减小星上代价。S频段最初也是由于同时划分给卫星地球探测和空间研究业务用于数据传输，为测控和业务一体化设计带来天然的便利，久而久之形成了当前科学类卫星大都选用S 频段进行测控的局面。经统计，S频段共有53个国家申报了1002组包含空间操作业务的网络资料，其中美国、法国和我国位居前列，具体申报情况如图8所示。相较于S 频段，L 频段进行空间操作业务的网络资料几乎全部集中在1750-1850 MHz，且几乎全部为美国申报。

图7 VHF/UHF频段空间操作业务网络组数统计

图8 S频段空间操作业务网络组数统计

以7190-7250 MHz 作为遥感卫星测控频率是2015年世界无线电通信大会（WRC-15）提出的新划分，目前的频率资源储备与使用正在逐步发展中。经统计，X 频段共有7个国家申报了41组包含空间操作业务的网络资料，均为NGSO。我国申报量为32组，以商业航天和探月工程应用为主，数量明显高于其他国家，如图9所示。我国快速发展该频段测控应用的一个重要原因就是S 频段测控频率的日趋饱和。

图9 X频段空间操作业务网络组数统计

4.3 数传频率

数据传输系统是遥感卫星有效载荷的重要组成部分，其本质是卫星到地面的数据通信，从卫星上形成数据开始，经过编码、压缩、调制、信道传输、解调和译码等过程，最终在地面将原始数据流恢复。

近年来，随着技术的进步，遥感卫星无论在理论、技术还是应用方面都得到了飞速发展，特别是随着新型传感器不断涌现，应用型遥感卫星正向多分辨率、多遥感平台并存的方向发展，分辨率也在不断提高。这些进步和革新对数据传输需求的影响主要表现在遥感数据所包含的信息量变大，数据获取的时效性变高。需求的变化决定着数传技术要使用更高的传输频段和更新的传输体制。

4.3.1 频率划分

科学类卫星可使用卫星地球探测业务和空间研究业务进行数据传输。同时，卫星气象业务的数据传输既可以使用卫星气象业务频段，也可以使用地球探测业务频段。卫星地球探测业务、卫星气象业务、空间研究业务频率划分如表4所示。

表4 卫星地球探测/卫星气象/空间研究业务频率划分

4.3.2 频率使用态势

数传频率是科学类卫星系统用频矛盾最突出的部分。可用的数传频率并不多，大部分好用频段已被众多系统使用，并且S 频段在我国主要用于空间操作而非卫星地球探测业务。

4.3.2.1 卫星地球探测业务

经统计，全球包含卫星地球探测业务的网络资料共458组，频段占比靠前的有：X 频段约59%，S 频段约44%，401-403 MHz 频段约19%，Ka 频段约15%。

结合实际卫星应用情况，同时考虑我国S 频段的特殊性，本文重点研究X 频段、401-403 MHz 频段、Ka 频段的网络资料。

经统计，在X 频段共有41个国家申报了266组包含卫星地球探测业务的网络资料，其中我国最多，达到了66组，如图10所示。

经统计，在401-403 MHz 频段共有22个国家申报了87组包含卫星地球探测业务的网络资料，其中美国最多，我国排名第三，如图11所示。该频段是地对空方向，是数据采集平台的主要应用频段，多用于气象卫星从遥控数据采集终端收集气象和其他环境数据，也用于其他遥感卫星收集地球环境数据。随着商业遥感的不断发展，陆续有遥感卫星使用该频段开展卫星测控，上述网络资料中约三分之一同时申报了空间操作业务。测控业务的开展对数据采集信号的接收造成了一定的干扰，在即将召开的WRC-19大会上，将研究该频段卫星测控信号的发射参数限值问题。

图11 401-403 MHz卫星地球探测业务网络组数统计

经统计，在Ka 频段共有15个国家申报了70组包含卫星地球探测业务的网络资料，其中英国最多，我国紧随其后，如图12所示。我国的资料绝大多数用于气象卫星系统，正在逐步规划使用中。从国际国内来看，在带宽更大的Ka 频段，系统使用有待普及，频率储备仍需开展。

图12 Ka频段卫星地球探测业务网络组数统计

4.3.2.2 卫星气象业务

经统计，全球共15个国家申报了109组包含卫星气象业务的网络资料，频段占比靠前的有：包含400.15-403 MHz 频段的约76%，包含L 频段的约72%，包含X 频段的约34%，包含S 频段的约22%。

整体来看，卫星气象业务目前主要使用X 频段及以下的频率，与卫星地球探测业务类似。目前美国申报量最大，我国紧随其后，如图13所示。

图13 卫星气象业务网络组数统计

4.3.2.3 空间研究业务

经统计，全球共31个国家申报了374组包含空间研究业务的网络资料，频段占比靠前的有：包含S 频段的约63%，包含X 频段的约39%。S 频段几乎全部集中在2025-2110和2200-2290 MHz，X 频段绝大部分集中在7190-7235 和8450-8500 MHz。申报情况如图14所示。

图14 空间研究业务网络组数统计

可以看出，美国仍是申报量最大的国家，几乎占据了全部资料组数的50%。我国仅申报24组，多用于中继数据传输系统和探月工程。另外，我国很大一部分探测与地球特性相关的宇宙空间信息的科学卫星使用了8025-8400 MHz 而非空间研究业务的频段来传输数据。

5 科学类卫星业务频率使用存在的重点问题

相较于通信、导航等频率资源冲突异常激烈的情况，目前大多数科学类卫星网络资料的申报都遵循“提前公布+通知”的流程，用什么报什么、用多少报多少。如果项目进度正常，基本都能如期投入使用。同时，单纯通过在相应频段占有卫星网络资料优先地位并不能有效达到占有资源、获得频率使用权益的目的，只有卫星系统真正在轨使用，结合必要的规则地位，才能使自身的用频权益得到保护。

随着航天事业的蓬勃发展，科学类卫星系统日渐增多，尤其是商业航天的加入，使得频率资源也逐渐紧张起来。因此，对于科学类卫星未来的频率使用，有如下问题需重点关注：

（1）科学类NGSO 星座系统的频率兼容性问题。NGSO 卫星的轨道特性决定了其数据的收集、回传不是实时的。对于传统对地观测卫星和空间研究卫星，观测、研究对象往往为植被、大气、海洋、空间射线等自然现象大尺度空间的长期变化，非实时数据用于变化情况对比是可以满足要求的。但近年来随着观测目标的丰富，对观测实时性的要求越来越高，例如森林火灾监控、短时天气预报、自然灾害减灾等，遥感星座的迅速发展已成为空间科学业务领域的显著特征。

由于NGSO 系统的时变特性，单颗或少量科学卫星的数传接收站数量有限，通常可以通过空分、时分等方式规避系统间的干扰，因此目前大多数情况下尚未出现频率发生干扰的问题。随着星座系统的日渐增多，其设计目标又往往是尽可能解决全时空的覆盖率，即任何时间、目标业务区内的任何位置上都能同时可见至少一颗卫星，这种应用模式下多个系统间要实现频率兼容工作，比之前的难度会大大增加。

这种情况下，原来统一使用的、冲突不太明显的科学类卫星数传、测控等用频系统在频率兼容性方面将面临与以往完全不同的频率共用环境，同时星座系统间频率共用的干扰评估方法、干扰保护标准，以及我们惯用的遥感卫星数传、测控频段干扰仿真方法是否适用等，都需要深入研究才能明确。

（2）科学类GSO 卫星频率和轨道资源的储备与协调问题。传统科学卫星根据探测、研究对象和任务要求采用不同的运行轨道，但大都为非地球同步轨道，在一定程度上从空间分布规避了频率共用干扰的问题。但仍有部分需要使用地球同步轨道的遥感卫星，例如传统的气象卫星（例如我国的FY-2/4系列，欧洲的METEOSAT 系列）等系统。随着各种空间业务领域应用的发展，目前GSO 科学卫星的任务也逐步增加，例如2016年6月发射的我国首颗地球同步轨道高分辨率（50米）对地观测卫星高分四号；十三五及国家空间基础设施规划的高轨20米分辨率SAR 卫星等。

GSO 科学类卫星的频率轨道资源使用方面，需要受到比NGSO 卫星系统多得多的约束条件。主要包括：在轨道位置方面，需要与同类其他卫星系统间的频率兼容，同时还要兼顾与轨道位置邻近的有频率重叠的其他非同类（例如通信卫星、导航卫星、中继卫星等）的频率兼容；在频率方面，需要与同类有频率重叠的NGSO 卫星兼容，这通常是比较困难的，例如有源遥感SAR卫星高轨系统和低轨系统间干扰评估和干扰规避就是十分复杂的问题，目前并无成熟的ITU 标准。此外，根据《无线电规则》第9.6款的要求，GSO 卫星网络资料的申报需要遵循“协调+通知”的流程，相对其他NGSO 科学类卫星网络资料而言，协调程序的规则要求更复杂。

因此，应高度重视科学业务中使用地球同步轨道的卫星系统的频率论证、申报、协调和维护问题。特别是针对一些涉及国家重要基础实施、规划的卫星项目，应从资源的规划、管理、维护等方面提前布局。

（3）科学类NGSO 星座系统星间链路频率和轨道资源的储备与协调问题。随着遥感数据获取时效性、更新频度要求的不断提高，无法简单通过重访时间、扫描幅宽等单项指标的提升满足要求时，就必须有足够多的卫星提供足够实时的数据，即星座系统的需求越来越凸显。但是，星座的覆盖能力尽管是全球的，能够建设接收数据站的条件并不容易具备。为此，采用星间链路，通过中继卫星将尽可能多的数据传回来已成为越来越多的NGSO遥感卫星的采用方式。

根据《无线电规则》中对星间业务的频率划分，可选用的频率资源十分有限，主要集中在S 频段和Ka 频段。

S 频段的情况如前节所述，在我国已主要用于空间操作业务。虽然用于卫星间的数据传输在规则上没有问题，在技术上也具备一定的可行性，但完成国内协调的可行性并不高。

Ka 频段用于卫星间业务的频率为22.55-23.55 GHz、24.45-24.75 GHz、25.25-27.5 GHz 和32.3-33 GHz 频段，我国目前除中继卫星和导航卫星在该频段有网络资料申报和实际使用外，其他科学类卫星在相应频段都是近年才开始进行申报，应该说这种情况对未来的星座组网而言，从频率轨道资源的准备上明显不足。相关单位应高度重视这个问题，在不对已有中继卫星和导航卫星造成有害干扰的情况下充分考虑这种用频方式可能带来的巨大发展空间。

（4）科学类卫星境外台站频率管理问题。此处提出的“境外台站”包括中国卫星操作者在海外建站，也包括国外科学类卫星在中国落地，以及国际合作卫星项目等的频率及台站管理。

科学类卫星的运行特点决定了在其卫星覆盖区域内都可以实现卫星的测控、数传功能，因此客观上不需要限制在国内建站进行测控和数传。同时，随着遥感星座的不断发展，海外测控和建站也逐渐成为满足系统功能与性能指标的重要解决方案。正是由于这种发展趋势，对境外台站管理的重要性日益凸显。