全空域太空目标电磁环境探测与监视的需求分析

黄宇民，李 帅，李 明，吴晓丹

（1.钱学森空间技术实验室，北京100094；2.中国空间技术研究院通导部，北京100094；3.中央财经大学，北京100081）

0 引言

随着社会信息化的不断发展，无线电通信在政治、经济、军事、社会发展中发挥着越来越重要的作用，人类社会对电磁频谱的需求和应用急剧增加。作为无线电通信的基础，电磁频谱及其管理是电子系统发挥最大效能的关键和信息畅通的重要保证。自无线电通信投入使用，相关的国际组织和各国普遍予以高度重视，都把电磁频谱管理作为信息化建设的重头戏，通过积极建立相应的法规标准机制，严格管控电磁频谱资源。

无线电频率资源作为太空业务领域发展的重要战略性自然资源，与石油、矿产等资源一样，属于极度稀缺且不可再生的自然资源。同时，频率与其他自然资源相比还有其自身特有的属性，主要包括国际性、共享性、稀缺性、超前性。

随着人类开始进入太空时代，太空目标的电磁信号是目前最重要、甚至是唯一可有效使用的信息传递载体和媒介。随着空间技术的发展，越来越多的卫星投入在轨应用，太空成为社会信息化发展的新领域。同时，随着商业航天的迅猛发展，越来越多的航天器进入太空，太空正变得越来越拥挤，空间电磁频谱这一具有关键战略价值的“有限自然资源”的供需矛盾日益凸显，而各国在太空领域的竞争日趋激烈，以电磁频谱为代表的空间自然资源的争夺也更加激烈。因此，太空电磁频谱管理成为日趋突出又十分重要而紧迫的问题，而全空域太空目标电磁特性探测与监视是实现太空电磁频谱管理的前提和依据。

1 概念探讨

1.1 全空域

空域是指按照一定规章划设的有明确范围的空间。空域有2种情况：一种是从指定的地面（水面）范围向上垂直延伸的空间；另一种是空中有一定范围的空间[1]。

“全空域”的广义概念是指从地球表面（包括地面、水面）直接向上延伸直到宇宙深空的所有空间。而本文所描述的“全空域”是狭义上的概念，是指从地球表面（包括地面、水面）直接向上延伸直到36 000 km高度的空间。

1.2 太空目标

太空目标（space target）亦称空间目标，在《军语》中是指监测、打击和反卫的飞行中的空间飞行器。而在《国防科技名词大典》（航天卷）中是指太空中对己方具有军事威胁或潜在军事威胁的空间物体[2]。本文是指在太空中正常运行的空间飞行器。

1.3 电磁环境

电磁环境是指在一定的空间内所有的电磁辐射形成的环境，分为人为电磁环境和自然电磁环境。在本文中是指人为电磁环境。

1.4 电磁环境探测与监视

电磁环境探测与监视是指对各类目标辐射无线电信号的空域集，即“全空域”进行电磁信号的接收、频谱测量、重点频段信号活动监视、通联规律长期跟踪等行为。

1.5 全空域太空目标电磁环境探测与监视

全空域太空目标电磁环境探测与监视是指对与空间飞行器相互联系的电磁信号（包括测控信号、通信中继信号、导航信号、数传信号、星间链路信号以及恶意的干扰信号等各类辐射信号等）所形成的复杂人为空间电磁环境的探测与监视。

2 目前太空频谱管理的平台与规制

2.1 国际电信联盟是分派卫星频率的协调平台

由于卫星频率资源是国际性资源，所以，卫星业务也就是一种国际性业务，使用卫星频率资源必须遵守《无线电规则》的频率划分规定而规范使用。目前，全球卫星频率资源的管理由国际电信联盟（ITU）承担。国际电信联盟是卫星频率的分配和协调平台[3]。随着电信技术发展，各国对国际频谱的需求日益增加，因此需密切关注国际电信联盟有关空间频率轨道资源分派的规则和工作。

《无线电规则》依据各区域的业务发展和经济情况，将世界分为美洲、欧洲、亚洲三个区域，分别称为第一区、第二区和第三区。三个区域内的频率划分略有区别，但大体上是一致的。各个国家的频率划分，除个别被国际无线电频率划分表脚注条款认可以及国内地面业务自主产业应用外，一般与国际划分也是一致的。根据《无线电规则》的频率划分，太空业务中的频率划分最低可达到2 501 kHz的太空研究业务，最高可达到3 000 GHz的卫星地球探测业务和空间研究业务，在这个范围内，划分的空间业务涉及卫星移动业务、卫星固定业务、卫星广播业务、空间研究业务、空间操作业务、卫星气象业务、卫星地球探测业务及卫星无线电导航业务等[4]。

2.2 国际电信联盟的发展历程和主要职能

国际电信联盟是负责通讯信息技术事务的联合国专门机构，是联合国专门机构中历史最长的国际组织。1865年，20个国家在巴黎签订了《国际电报公约》，并在巴黎成立了国际电报联盟。1906年，27个国家在柏林签订了《国际无线电报公约》。1932年，70多个国家的代表在马德里开会，决定把上述2个公约合并为《国际电信公约》，并将国际电报联盟改名为国际电信联盟。1947年，国际电信联盟成为联合国专门机构，总部设在日内瓦，有193个成员国和700多个部门成员及准部门成员。1920年，中国加入国际电报联盟。1972年，国际电信联盟理事会承认中华人民共和国的合法席位。

国际电信联盟的最高权力机构是全权代表大会，每4年开会一次。原有的四个常设机构是秘书处、国际电报电话咨询委员会、国际无线电咨询委员会和国际频率登记委员会。1992年国际电信联盟全权代表大会决定对后三个机构进行改组，分为无线电通信部门、电信标准部门和电信发展部门。

2.3 国际电信联盟有关法律文件

关于频率轨道资源分配的规则主要有：

1）《国际电信联盟组织法》第11条和第12条规定，无线电频率的频段划分、无线电频率的分配和指配登记，地球轨道和其它轨道中卫星登记，以避免不同国家之间无线电台之间的有害干扰，同时协调以消除不同国家无线电台之间的有害干扰，改进无线电通信业务中无线电频谱的利用，改进对地球轨道和其它轨道的利用。

2）《国际电信联盟公约》第172条规定，无线电通信部门负责按照《无线电规则》，纪录和登记频率指配和轨道特性，更新国际频率登记总表，在有关主管部门同意下，修改或删除不能反映实际频率适用情况的登记条目。

3）世界无线电通信大会制定和修改的《无线电规则》，确立了国际信息通信交往的国际法规则。详细规定了空间频率轨道资源分配的规则和协调程序。1988年和2012年2个版本已经不能满足互联网时代国际信息通信发展的需求，2014年国际电信联盟全权代表大会通过决议，决定审议修订《无线电规则》，并成了专家工作组。

4）世界无线电通信大会通过的决议和建议，虽不具有法律约束力，但经由各国代表讨论和投票表决，有一定的影响力，也是对上述文件的解释。

2.4 太空频率的分配与协调制度

国际电信联盟对频段的划分、频率的分配和指配规定了不同的含义。频段的划分对象是具体业务的频率，频道的分配对象是某一国家或地区所能使用的频率。射频或无线电频道的指配是将无线电频率或频道批准给某个通话在特定条件下使用的过程。

空间频率轨道资源分派方式有2种。第一种是后验，主要用于Ka频段和卫星广播业务方面频率轨道资源的分配。后验是指根据国际电信联盟频率协调程序进行的卫星网络或卫星资料的提前公布、协调、频率指派的通知和登记的程序进行分派，实际上是一种先到先得的分配方式。只要按照《无线电规则》规定的协调程序进行了协调，并最终在频率登记总表进行了频率指配的登记，该频率的使用权就得到了国际认可。第二种是先验，有计划地将频率轨道位置分配给若干国家，不论是否有实际需求或能力利用这些轨道。这是根据20世纪80年代2次空间世界无线电通信行政大会确定的原则，每个成员国获得名义上的地球静止轨道位置以及与每个国家地理边界大致对应的服务区域。先验分配的形式意义大于实质意义，如果需要利用这些频率轨道位置，仍旧需要走协调程序。换言之，后验的分配方式实践价值更显著，这是由于卫星常用的C频段和Ku频段都必须根据先验程序协调分配，其次大国强国认为先到先得的先验方式更为合理，能提升频率轨道资源的利用率。这2种模式平衡了发达国家和发展中国家的需求，是在公平地获得以及合理、有效和经济地利用之间做的妥协。

3 目前太空频率资源的争夺日趋激烈

3.1 地球静止轨道（GEO）轨位、频率资源基本饱和

地球静止轨道是倾角为0的圆形地球同步轨道，被称为黄金轨道，它是一条特殊的地球同步轨道，在地球静止轨道上的卫星运行方向与地球自转方向一致，绕地球运行一周的时间和地球自转周期相同，在这种轨道上运行的卫星其星下点轨迹是赤道上的一点，在地面上的人看来是静止不动的，所以称为地球静止卫星，高度为35 786（一般称36 000）km。

公开资料显示，截至2018年12月，全球共有公开记录的地球静止轨道上运行的卫星565颗，其中在轨卫星371颗；计划发射卫星35颗；已退役卫星67颗。并且每年各国向国际新申报的卫星网络资料数量已达到每年数千份，并呈现持续增长态势。而在亚太地区上空，在东经110°轨道位置上甚至有6颗卫星共轨运行，静止卫星轨道位置已几乎被全部占满。申报Ka频段的GEO卫星基本遍布全球，轨道最为拥挤，以东经10°到东经20°弧段为例，目前已申报有多达138份卫星网络资料；随着卫星业务需求的增长，常规C和Ku频段资源已几乎瓜分殆尽，Ku频段的轨道分布也呈现出较为饱和的状态，东经30°到东经40°弧段已申报有119份卫星网络[5]。据预测，按照目前的增加速度，30年后可用轨位将耗尽，GEO轨道将无新的轨位资源可用。

3.2 非地球静止轨道（NGEO）卫星轨道、频率资源正被掠夺式抢占

截至2020年1月，国际电联处共申报有225份NGEO宽带星座卫星网络资料，所涉及的卫星总数多达215 531颗。

从所申报的频段来看，更高频段的宽带卫星星座已逐渐成为发展趋势，Ka频段是各国主管部门最为青睐的主用业务频段，卫星网络申报数量位居第一，V频段的申报数量紧随其后[6]。NGEO宽带通信卫星网络申报情况如图1所示。

图1 NGEO宽带通信卫星网络申报情况统计

4 全空域太空目标电磁环境探测与监视的需求

4.1 发展的意义

太空目标的电磁特性是其正常开展工作必不可少的外部特性之一，也是其外部特性的重要描述，可以通过其电磁特性的探测与监视实现对太空目标的实时监测。因此，发展全空域太空目标电磁环境探测与监视能力具有如下意义：

1）可以实时掌握全空域电磁环境的频谱态势，为实现太空电磁频谱的管理、太空交通治理法规制定提供频谱大数据支撑；

2）通过连续探测与监视太空重要目标电磁信号，可以掌握其信号特征、活动规律，为国家安全、军事斗争准备和非军事斗争行动提供太空情报保障；

3）通过严密监视陆、海、空、天战场电磁频谱动态，为战场实时态势感知提供大范围、全天时的情报保障；

4）可以实现对太空目标高精度连续跟踪监视，为快速发现和应对敌电磁静默状态提供预警情报保障，为其他武器平台精确打击提供电磁特征、目标指示等情报。

4.2 全空域太空目标电磁环境特性

以美国的主要装备为例，对全空域太空目标电磁环境所涉及的主要目标的频谱特性作梳理和归类。

依据空间飞行器的运行轨道高度，可以把其分为低轨道（LEO）、中高轨道（MEO）、GEO等。低轨道的轨道高度一般小于1 600 km。中高轨道高度一般在5 000 km以上，25 000 km以下。低轨道和中高轨道空间飞行器的主要模式类同，将其归于一类。GEO轨道空间飞行器为另外一类。

4.2.1 低轨道和中高轨道太空目标电磁特性

低轨道和中高轨道太空目标电磁特性按照电磁信号类型划分，包括测控链路、数传链路、星间链路、上下行通信链路、广播链路、主动探测信号链路等[7]，如图2所示。

图2 中低轨太空目标电磁信号类型示意图

中低轨太空目标的星地链路由于受大气层衰减影响，只能选择利用一些特定的频率窗口，主要分布在UHF、L、S、C和X等频段。星间链路为提高通信容量，传输链路逐渐向高频方向发展，目前频率分布已覆盖Ku和Ka频段。

4.2.2 GEO轨道太空目标电磁特性

GEO轨道太空目标电磁特性也可以按照图2划分为测控链路、数传链路、星间链路、上下行通信链路、广播链路、主动信号链路（目前没有，未来发展）等。其中，广播链路为广播卫星，星间链路为通信卫星。卫星信号频段从UHF频段一直到EHF频段，甚至星间链路V频段（60 GHz）、激光等[8]。

4.2.3 陆海空目标电磁特性

1）陆地目标中，高、低轨卫星地面关口站、终端站工作频段主要集中在UHF/L/S/C/X/Ku/Ka/EHF频段；低轨卫星关口站主要工作在Ka频段。

2）海洋目标中，主要作战舰船中搭载的卫星通信终端工作频段在UHF/L/X/C/Ku/Ka/EHF。涉及与WGS、AEHF、UFO、Intelsat、铱星等卫星的通信。

3）空中目标中，有人机搭载的通信终端主要工作在UHF频段；无人机搭载的通信终端主要工作在UHF/L/S/X/C/Ku/Ka频段[9]。涉及与UFO、Intelsat，PANAMSAT、INMARSAT、WGS等 卫 星 的通信。

4.3 主要任务需求

太空目标的电磁环境探测与监视是发现太空目标的重要途径之一，是获取目标属性的重要手段，是综合目标判证的重要组成，是情报侦察的重要保证。

对太空目标进行电磁信号侦察监视的任务体现在三方面：

1）工作状态判定：在先验信息（地基监视系统、天基光学侦察载荷）的引导下，对指定空域的目标进行信号监测，实现目标信号的发现及目标工作状态的判定；

2）电磁频谱分析：对已检测发现的信号进行参数测量，得到载荷的工作频段、调制方式等信息，获取目标的电磁频谱特性，与光学载荷一起对目标任务属性进行初判；

3）情报信息侦察：对已捕获目标信号进行采样、存储，转发地面实现信号解调，获得目标测控信号、下行通信信号的情报信息，特别是与任务密切相关下行数传信息，与光学载荷一起准确判别目标的任务属性，获取情报。

4.4 主要能力需求

针对上述全空域太空目标电磁环境探测与监视的任务，梳理提出了全空域太空目标电磁环境探测与监视的能力需求，主要包括：

1）全空域实时电磁频谱感知

通过低轨星座/高轨星座，实现全空域的时、空、频域的持续覆盖，构建电磁空间知识图谱，将全空域电磁态势实时数据与历史数据结合进行处理，实现频谱管理、干扰检测，掌握电磁空间安全、实现频谱资源高效利用。

2）全空域新增目标测控信号跟踪

接收空间卫星电磁信号，以获得新入轨卫星位置、动向等重要信息，可以检测远离国境的卫星，实现全球卫星安全监控、可疑卫星识别等应用。

3）全球发射行动跟踪

接收火箭测控信号，获取运载火箭位置、高度、航速、航向等信息，实现对精确的航天交通实时管控。

4）基于多手段、多源、多重信息的融合处理

对多源信息进行分析、关联和组合，得到精确状态预测和及时完整的态势、威胁感知，从而实现对空间中所有物体位置及其运行轨迹的高精度监测与跟踪，实现溯源类信息和综合认知类信息挖掘。

5）全空域频谱监测与智能调度

基于用频规律和卫星平台电磁监测系统资源调度规则，实现轨道空间环境电磁环境频谱普查、信号普查、干扰源定位、重点信号定位等处理，在海量的航天器和有限的测控资源场景下，基于人工智能技术，采用合理的规则和智能优化方法对各种类型的航天器的大量用频任务进行合理的资源分配，规避已有的及预测中的频谱干扰，使全局任务的频谱利用收益最大化。

5 结束语

随着全球太空资源开发热潮的进一步高涨和低轨巨型星座的突飞猛进式的发展，对轨道空间的频谱资源的利用与掠夺的竞争已进入白热化状态，使各空间轨道电磁频谱使用显得异常拥挤，甚至会造成相互之间的电磁干扰，严重影响卫星的正常工作。因此，亟需开展对全空域太空目标电磁环境探测与监视系统的研究，为太空的可持续发展提供有价值的电磁环境管理支撑。