空间站频率轨道使用国际规则研究

2022-06-29毛林全李健十

载人航天 2022年3期

毛林全，李健十，刘晋

（1.中国载人航天工程办公室，北京 100720； 2.中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

随着航天技术的发展和成熟，尤其是近年来全球商业航天的蓬勃兴起，较大规模的低轨通信导航遥感融合卫星星座呈爆炸式发展，进一步加剧了近地轨道频率轨道资源的竞争态势，使得不同类型航天器潜在的相互干扰问题日趋凸显。因此，载人航天器特别是长期在轨运行空间站，其使用频率轨道的保护和协调问题显得愈加突出和重要。同时，国际有关低轨航天器频率使用的规则日益完善，使得航天器频率轨道的设计和使用更加有章可循，所以必须对相关国际规则有充分的了解和掌握，才能有效保护和充分利用日益稀缺的频率轨道资源。目前，国内对一般通用的空间频率轨道使用规则以及无人航天器频率轨道使用规则研究较多，但缺少对包括空间站在内的载人航天器频率使用规则的专门研究。

航天器频率轨道的申请、协调和维护作为一项技术性非常强的管理工作，需要对有关管理机构、管理规则和具体技术问题全面了解和掌握。本文简要介绍有关频率轨道管理的国际机构，分析解读相关规则，并在全面系统整理空间站及其频率使用国际规则的基础上，针对空间站的特性提出有关建议，以期对中国空间站建造和运营的频率使用提供有益参考。

2 管理协调部门相关职能

空间频率轨道资源作为一种特殊的国际性资源，是空间站建设实施必要的、不可或缺的前提条件，其重要性不言而喻。因此，得到了包括国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）、空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）、国际标准化组织（International Organization for Standardi⁃zation，ISO），以及空间频率协调组（Space Frequency Coordination Group，SFCG）等在内的政府间或非政府间国际组织的高度重视。各类国际组织均针对有关频率划分、使用、保护标准、共用条件和分析方法等设立专门的研究部门进行研究，以期实现统一管理，为空间站项目的顺利实施创造保障条件和奠定规则基础。

目前，国际间的频率轨道规划和使用协调主要在ITU 的规则框架内进行，各个国家的主管部门在此基础上结合本国国情制定相应的国家频率管理法规政策。同时，在ITU 与各国主管部门之间还有一些国际专门组织结合特定行业特点，根据应用需求在全球范围内参与频率轨道资源的管理及协调。例如由多国空间机构（Space Agency）共同组成的CCSDS 一直在推动空间数据系统的传输标准化，目的就是在空间任务中能以统一传输频率的标准化方式进行数据交换和处理；再如依照航天数据通信特点，为了保证空间开放系统互联，在轨系统通信体制结构设计就必须依从ISO 制定的开放系统互联标准格式。在频率分配方面，ISO 与CCSDS 这两个国际组织的有关标准也是契合的。

2.1 ITU 的有关职能

ITU 成立于1865 年，是联合国负责信息通信技术（Information Communication Technology，ICT）事务的专门机构，目前拥有193 个成员国和900 多个成员。 ITU 的无线电通信局（Radiocommunica⁃tion Bureau，RB）通过《无线电规则》（Radio Regula⁃tions，RR），实施无线电频谱和卫星轨道的管理，协调各成员国的行动，避免不同国家无线台站之间的有害干扰，从而实现ITU 成员国之间的广泛国际合作、有效和合理使用各种频率轨道资源。

ITU 中由各领域专家组成的不同研究组阶段性开展各有侧重的研究工作，共同制定工作框架和研究内容，形成技术标准或指导原则，确保现有和未来各类无线电业务能够兼容共用。具有浓厚的国际合作背景的空间站尤其受到各国的高度关注和重视，ITU 第7 研究组是解决空间站频率相关事务的研究组。

2.2 CCSDS 的有关职能

随着20 世纪60～70 年代航天技术的快速发展，特别是正在逐步进入大众视野的载人航天，针对其多样化的科学实验数据，如仍延用传统的时分复用技术、多载波或多副载波方式传输已无法满足需求，迫切需要研究寻找一种更简单、方便的传输方式。同时，科学家及工程技术人员也逐步认识到空间技术比其他技术和工程领域更具有鲜明的国际性，仅仅依靠一个国家的能力来独立开发远远不能适应时代的发展，迫切需要进行国与国之间的合作，通过共同投资、共同操作、共享研究成果，进而分享技术成果和分担经济成本。因此，各国空间机构迫切需要通过一个组织来提供数据处理服务，从而促进国际空间项目的共同开发。故而针对空间数据标准和兼容性接口提出了“交互支持（Cross Support）”概念。 1981 年3月，以NASA 和ESA 为主体组成的工作组（NASA⁃ESA Working Group，NEWG）首先提出以航天器遥测数据包（Packet Telemetry）和遥控数据包（Packet Telecommand）作为空间数据标准的切入点。 1982 年1 月，在美国举行的空间数据系统国际讲习班上，这一双边活动扩大到全世界空间机构，并开始讨论与空间信息和数据系统有关的共同问题。同时，确定了通过创建一个组织使国际空间数据标准化活动正式化。 1982 年10月，在法国召开了CCSDS 的首次会议。

CCSDS 确定了开发各类空间数据系统的4个工作组：遥测、跟踪和遥控组，信息交换流程组，交互支持操作组以及无线电测量和轨道数据组。到20 世纪80 年代末，CCSDS 的遥测、跟踪和遥控组在遥测数据包和遥测通道编码（Telemetry Channel Coding）建议书基础上发展出先进轨道系统（Advanced Orbiting Systems，AOS）标准，该标准成为了国际空间站（International Space Station，ISS）的数据通信标准基线。

CCSDS 的宗旨定位在各国空间机构交互支持，开发超前的标准化解决方案来应对空间任务数据交换的挑战，旨在增强未来数据系统标准化的发展，促进空间数据互操作性处理技术的提高。CCSDS 建议书的解决方案和创立最终通过参与机构的集体审议，将用于指导内部各个成员制定标准。

2.3 ISO 的有关职能

ISO 成立于1947 年，致力于推广全球专有、工业和商业标准，是一个独立的非政府组织，通过提供国家间的通用标准来促进世界贸易。目前制定了涵盖从制成品和技术到食品安全、农业和医疗保健等所有方面的2 万多个标准。

CCSDS 在1991 年与ISO 达成合作协议，将CCSDS 部分建议书纳入ISO 第20 技术委员会（航空器和航天器）的第13 分委员会，发展成为正式的国际标准。

2.4 SFCG 的有关职能

1980 年1 月，ESA 总干事致信NASA 提议创建SFCG，目的是建立一个非正式平台和灵活的研究环境，通过多边讨论和预协调ITU《无线电规则》所定义的、共同关心的空间研究、空间操作、卫星地球探测、卫星气象、卫星间等业务，来有效解决各空间机构遇到的频率管理和使用中棘手的难题。

SFCG 工作成果以决议、建议书及报告形式展现。各空间机构可以使用这些协议来充分开发分配的业务频段，确定受影响领域和协调诉求，研究与之相关的潜在解决方案，规避相互产生潜在干扰的风险，促进空间机构间对当前和未来计划的及早了解。另外，通过相互谅解和预协调机制，及早采取有效技术措施，推进ITU 层面的实施和应用。

3 主要规则约束

空间站正常工作的可靠和安全的频率资源主要包括应急通信频率、数传频段和相关科学研究以及航天知识普及的专用载荷频段。空间站的频率使用规划以CCSDS 为主导研究和开发。

3.1 CCSDS 数据系统组成

CCSDS 通过20 多年磨合和运用实践，在2003 年对其流程进行精简、扩充和改进，重新调整了工作机制，将组织架构定位在空间链路业务（Space Link Services，SLS）、空间互联网业务（Space Internetworking Services，SIS）、航天器在轨接口业务（Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS）、交互支持业务（Cross Support Services，CSS）、任务操作及信息管理业务（Mission Operations and Information Management Services，MOIMS）以及系统工程（System Engineering Area，SEA）6 个学科的业务领域（area），如图1 所示。

图1 CCSDS 研究领域分类Fig.1 Classification of research areas in CCSDS

3.2 S 和X 频段频率使用规范

随着大量空间任务的地对空和空对地链路发展，使用S 和X 频段传输导航数据和测控指令需求不断增长，为了保证多国合作的空间任务中航天器上和地面设备的一致性，1987 年1 月，CCSDS 在《无线电频率和调制系统第1 部分－地球站和航天器建议标准》的第2.6.1 节首次明确提出设备从上行S／X 频段转换为下行S／X 频段的变频比标准（Transponder Turnaround Frequency Ratios，TTFRs），具体见表1。

表1 空间站S 频段和X 频段的TTFRs 要求Table 1 TTFRs requirements for the S and X bands of the space station

3.3 空间站应急通信频率

为了保障载人航天器与地球站控制中心之间的通信保持连续和可靠，需要为整个载人航天器飞行任务期间分配紧急通信频率资源。一旦载人航天器飞行过程中发生紧急情况，可以通过独立于测控链路之外的跨国国际合作系统快速建立紧急通信链路。紧急通信频率范围设定为：

1）除2293 ～2297 MHz 频段外的2290 ～2300 MHz频段，该频段可直接或通过数据中继卫星间接与地球站快速建立通信联系；

2）反之，地球站对载人航天器的紧急情况处置指令可采用频率2025 ～2110 MHz 频段直接或通过数据中继卫星发送至载人航天器；

3）在上述2 个给定频段内开展特定应急通信服务时，需要各空间机构及早在SFCG 层面提出和协调。

同时，2.0 GHz 地球站的上行发射的旁瓣要求按照ITU⁃R SA. 509 号建议书设计。

3.4 空间站数传频率

为了规范23 GHz 频段前向数传链路的使用，2005 年10 月SFCG 通过了第14－1R2 号决议，一致要求所有空间机构所属主管部门要避免除中继星系统以外，使用22.55 ～23.55 GHz 频段用于卫星间链路。同时，就仍坚持一定使用此频段作为非中继星系统的卫星间链路的问题，各国达成了在确保非中继星系统和射电天文业务之间的兼容性前提下，只能使用22.55 ～22.81 GHz 频段的一致意见。

此外，就使用26 GHz 频段数传链路的情况，SFCG 也提出相应的要求，并在2002 年10 月做出最初决定，预留25.25 ～25.60 GHz 和27.225 ～27.5 GHz 频段作为保护带，允许 25.25 ～27.5 GHz频段用于近低轨通信。但随着研究进程的深化，2010 年7 月修订并再次通过第29－1号建议书。根据ITU 的共用标准和协调框架，认为ITU⁃R SA. 609 号建议书的26 GHz 频段保护标准远远不能有效地保证空间站航天员和空间站的安全，因此明确指出26 GHz 频段与地面固定移动业务和空间中继星的共用原则不能作为空间站涉及安全的保护标准。但如果航天器不涉及安全的有人或无人空间站信息数据的传输，则可以引入ITU⁃R SA. 609 号建议书保护标准进行协调，即：

1）所有干扰源信号不得超过集总电平，I／N超过－6 dB 的时间不超过0.1%；

2）到达地面的功率通量密度应该在－115 ～－105 dB（W／（m·MHz））范围内；

3）产生的功率通量密度在静止轨道中继卫星处不得超过－133 dB（W／（m·MHz））。

但对于涉及空间站航天员和空间站安全的用频问题，目前SFCG 仍在研究中。

4 国际规则发展概况

纵观世界载人航天的发展历史，空间站的建造和使用无疑是人类从对空间探索、研究和认识到开发、利用和改造的更高阶段的产物。空间站就其基本功能来讲就是为人们在空间轨道上提供一个适合人类生活、发挥人的主观能动性而进行高效工作的场所。

目前，空间站（Space Station）和空间实验室（Space Lab）的类别划分并不是十分清晰，笼统地讲，空间站就是长期运行的空间实验室，空间实验室就是短期运行的空间站。

4.1 国外空间站的发展和频率申报情况

从1971 年迄今，世界上已成功发射了12 个空间站。其中，苏联／俄罗斯一共独立建造和运营了8 个空间站，它们是1971 年至1982 年发射的礼炮1 号（SALUT－1）至礼炮7 号（SALUT－7），以及1986 年发射的和平号（Mir）空间站；美国独立建造和运营了1 个空间站，即1973 年发射的天空实验室（SKYLAB）；之后，美国和俄罗斯历经波折，排除困难，倡导并开创了国际合作的模式，吸纳日本、加拿大、巴西和ESA 包括的11 个成员国（法国、德国、意大利、英国、比利时、丹麦、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士）在内的16 个国家参加，共同建造和运营了人类最大规模的国际空间站（ISS）。 ISS 从1998 年开始在轨组装建造，到2010 年完成并逐步转入正式运营。

从ISS 的发展历程可以清晰地看出，国际合作的数据交互、联动测控势必带来各成员国设备的互联互通，因此为测控业务频率设计统一标准提出了要求，目的是减少交互带来的数据格式不一致，后期接收处理数据繁琐等问题，并满足各参加国空间探索活动和国际科研合作活动的多样化需求。 20 世纪90 年代初，ITU 建立了卫星网络登记和协调电子数据库源，根据最新公布的卫星网络数据库周报（截止2021 年4 月6 日，IFIC 2943期），对目前登记的所有1000 多份非同步卫星轨道（Non⁃Geostationary⁃Satellite Orbit，NGSO）网络资料分类梳理，从ISS 轨道倾角51.6°、参与国家和轨道高度在340～450 km 等多个维度分类统计申报卫星网络情况，梳理出基于ISS 申报的卫星网络名称及申请使用频段情况，如表2 所示。

综合表2 和ISS 的相关情况，可以看出ISS 有两大部分组成，一部分是俄罗斯负责运营的俄罗斯轨道段（Russia Operational Segment，ROS），另一部分是多个国家共享的美国轨道段（United States Operational Segment，USOS）。而从ISS 频率使用来看，一部分是俄罗斯和美国为主的，维系空间站正常运行的星地测控、数据回传使用的S 频段和通过数据中继卫星的测控及实时数据信息交换的高低速率使用的S、Ku 和Ka 等频段；另一部分是其他空间机构围绕着各自多学科基础和应用科学研究的空间实验领域，以及科普教育使用的X 数传和UHF 业余无线电等频段。

表2 国际空间站申报卫星网络情况统计表［14］Table 2 Statistics on the declaration of satellite networks by ISS［14］

4.2 中国空间站的发展和频率申报情况

中国在总结和借鉴俄罗斯载人航天循序渐进和美国争先跳跃发展方式的基础上，形成了具有中国特色的“三步走”载人航天发展战略：第一步，以飞船为起步，发射无人和载人飞船，将航天员安全送入太空，进行适量的对地观测和科学实验；第二步，在第一艘载人飞船发射成功后，突破航天员出舱、航天器交会对接的关键技术，研制空间实验室，实现航天员中期驻留，开展一定规模空间应用；第三步，独立研制空间站，开展较大规模和全方位的空间应用。

中国在2010 年9 月正式批准实施空间站工程，到目前为止已独立建造和运营了2 个实验性质的空间站（亦称空间实验室），它们分别是2011 年发射的天宫一号和2016 年发射的天宫二号。此外，以2021 年4 月29 日发射的天和核心舱为标志，中国已正式步入建造自己真正的空间站时代，计划2022 年完成。

中国空间站的频率申请工作是伴随着工程研制进度同步展开的。 2008 年6 月优先启动并完成设计成熟的神舟载人飞船（SHENZHOU）频率申报工作，此份网络资料的频率设计立足保证载人飞船在轨安全和在轨少量实验数据直接对地或通过中国数据中继卫星系统（CTDRS）实时回传。2010 年，在国家批准空间站工程立项后，为规模更大的空间实验室或空间站运送货物和在轨推进剂补加的货运飞船，对用频提出了新的要求。由此，2014 年 11 月启动了天舟货运飞船（TIANZHOU）频率资源的申报工作，考虑到货运飞船与空间实验室或空间站在交会对接前后的状态，频率设计时还适当兼容空间实验室和空间站实际用频情况。此后，为配合中国空间站核心舱的建设，在确定空间站核心舱工作轨道后，于2019 年1 月启动了空间站核心舱的申报工作；在全面梳理前期已申报频率轨道资源的基础上，按照中国空间站的设计特点，在完成天宫核心舱（TIANGONG）内实验设备的电磁兼容评估基础上，为核心舱重新申报了一份网络资料。中国空间站申报卫星网络情况如表3 所示。

表3 中国空间站申报卫星网络情况统计表Table 3 Statistics on the declaration of satellite networks by China Space Station

5 讨论和建议

中国空间站即将完成在轨建造，在考虑国际合作的同时，需要探索一条具有中国特色的测控通信体制道路，即不仅要保证与现有传输体制兼容，又要有利于中国载人航天工程的未来发展。综合对国际发展态势和频率轨道协调规则的研究，从资源申报、频轨协调、国际合作等方面对中国空间站未来运营期间频率申报提出以下发展建议，以供参考。

1）在频轨资源申报方面，可考虑参考美国、俄罗斯等ISS 参与国的做法，多管齐下、小步快跑进行频率轨道资源申报：①在空间站中计划有用频需求的研究项目，应同下行落地的不同国家／地区同时申报网络资料，以避免在申报流程及各国管理政策上的壁垒和差异；②在空间站未来有关实验系统设计方面，应成熟一部分就立即直接启动该部分资源申报协调工作，进而发挥及时联动调整和频轨资源满足需求的优势。

2）在频轨协调方面，为满足中国空间站发展的频率需求，支撑空间站的稳定安全运行，建议进一步加强空间站与其他空间系统和地面系统的同频和邻频兼容性研究，增强开发兼容分析和频率复用技术基础研究的力度，提前谋划，逐步形成一套完备的干扰规避解决方案，确保空间站的用频安全。

3）随着越来越多的国家和企业谋求通信导航等功能的全球、全时覆盖，低成本卫星发射技术逐渐成型而带来的轨道资源大规模消耗问题的出现，给空间站开发和发展带来了前所未有的挑战，积极鼓励参与空间站工程的用户根据科学实验设备具体用频情况，及早谋划向ITU 申请频率轨道资源，对开展科学研究、构建太空命运共同体有促进作用。

4）空间站开展的航天医学、空间生命科学、流体物理与燃烧科学等领域的前沿研究，急需包括频率在内的配套应用资源。做好频率资源的超前谋划和开展研究，有助于开展国际合作。积极参与相关国际组织的活动，与国际相关组织通力合作，才能稳步有效推进实验工作的开展。