卫星频率和轨道资源管理的机遇和挑战
2023-07-18梁晓阳田磊赵斌
梁晓阳 田磊 赵斌
【摘要】为保障卫星应用产业健康发展,持续优化卫星频率和轨道资源管理,全球各国正在加快推进卫星频率和轨道资源管理的数字化转型。本文分析了全球卫星频率资源发展态势,卫星应用产业发展对卫星频率资源的需求,以及新形势下我国面临的机遇和挑战。
【关键词】卫星频率;轨道资源管理;机遇挑战
中图分类号:G212 文献标识码:A DOI:10.12246/j.issn.1673-0348.2023.12.066
随着“新基建”“数字经济”和“天地一体化信息网络”等国家战略的实施,我国卫星产业快速发展,在国民经济中发挥着越来越重要的作用。如何优化提升我国太空频谱资源利用效率,保障卫星应用产业持续健康发展,是需要认真研究解决的重大课题。
1. 全球卫星频率资源发展态势
频率轨道资源为太空中运行的各类空间基础设施所依赖。为适应未来空间应用发展的需要,各国不断加强卫星频率轨道资源管理,优化卫星频率轨道资源配置,提高卫星频率轨道资源利用效率。
一是采用数字化技术实现卫星和地面业务系统的频谱规划、使用、管理一体化,促进卫星和地面业务系统高效率、低成本运行。随着数字化转型进程的加快和应用领域的扩展,数据采集处理、决策支持等数字化需求日益强烈。目前,全球已有13家组织、15个国家和地区正在开展数字空间频谱管理工作,推动卫星和地面业务系统频谱规划、使用、管理一体化进程。
二是充分发挥卫星频率轨道资源的作用,为经济社会发展提供全方位服务。全球各国结合各自实际需求,不断完善和提升卫星频率轨道资源使用效率。美国充分发挥卫星频率轨道资源的作用,支撑其基础设施建设;英国重视太空经济发展,促进卫星频率和轨道资源在通信、导航等领域的应用;加拿大依托卫星频率轨道资源开展科学研究活动,为政府决策提供科技支撑。
2. 卫星应用产业发展对卫星频率资源的需求
近年来,卫星应用产业持续快速发展,在国民经济中发挥着越来越重要的作用。美国是全球卫星应用产业发达的国家,2018年其卫星应用产业产值占全球总量的比例高达30%。我国是世界上第一个将卫星应用上升到国家战略层面的国家,卫星应用产业在国民经济中的地位也随之大幅提升。与此同时,由于卫星应用产业链长、涉及面广,卫星频率资源短缺和资源利用效率低下等问题日益突出。2016年我国首次公布了“十三五”规划纲要,其中明确提出将5G作为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施之一。而空间通信网络是5G等各类新型通信网络的基础,是5G、物联网、工业互联网等新兴业务实现无缝覆盖的关键。为保障我国新兴业务和物联网等新基建应用持续健康发展,需要建立完善可靠的卫星频率资源管理机制,保障卫星应用产业健康可持续发展。
近年来,在新基建和“数字经济”等国家战略的推动下,我国卫星应用产业已具备了较强的发展基础和潜力。但从目前卫星应用产业发展现状来看,仍存在资源分布不均衡、不合理等问题。为此,应加强协调沟通、规范管理,统筹规划、优化分配我国有限的太空频段资源。同时积极研究开展全球卫星频率和轨道资源管理的数字化转型工作。
3. 面临的问题与挑战
第一,卫星频率划分过宽,重复频率冲突频繁。由于我国卫星频段较宽,而且随着发射频率和发射功率的增加,现有频率资源的限制也越来越明显。为了在不增加地面基站发射功率的前提下满足新系统的業务需求,必然要求在部分地面基站上使用部分频率资源,造成现有频率资源紧张,由此产生了“新老系统之间、地面基站和卫星之间、卫星和地面之间”等频率干扰问题。
第二,部分卫星发射单位对卫星频率资源的使用未进行申报。据统计,目前已申请并获得使用许可的卫星频道约300个,其中约100个(包括我国)是用在地面移动通信系统中。而这些卫星频道的使用主要集中在有限的地面移动通信系统和电视广播系统中。
第三,新发射卫星频率分配过快导致卫星轨道资源紧张。目前全球包括通信、遥感、导航、电视、科学试验和中继在内的在轨卫星数量已达3000颗左右。且随着“铱”星星座的投入使用,低轨卫星网络掀起了第二次浪潮,到2023年2月底,低轨星座巨头“星链”发射数量已突破4000颗大关。未来还会有更多低轨道卫星发射升空。由于规划与建设过程中未对新发射频率进行充分论证或规划不合理,导致未来低轨道和高轨道卫星空间频道可能出现严重的空间拥挤问题,将影响部分中低轨卫星在轨运行。
第四,未充分考虑地面设备的影响。对于地面设备的发射功率限制已有相应要求。而由于各种通信系统及终端所用传输介质不同,造成实际发射功率远小于其理论功率。尤其是移动通信系统所用传输介质多为水和空气,其实际发射功率往往较理论发射功率低出10~100倍。
3.1 中国资源管理面临的挑战
在新时代背景下,我国卫星频率资源管理面临着一系列的机遇和挑战,包括:
①卫星应用产业发展需求多样化,新技术、新体制不断涌现,对频谱资源的需求越来越大,频率资源供需矛盾日益突出;②国际国内标准发展变化快,新技术、新体制不断涌现,国际协调难度加大;③卫星频率资源申请主体和使用主体数量越来越多,管理任务十分繁重;④卫星频率和轨道资源使用方式多样化,在频率使用许可、台站协调等方面需创新工作方法;⑤卫星频率资源使用的国际规则和标准不断完善,针对我国卫星频率和轨道资源管理的国际协调需求日益突出。卫星频率和轨道资源管理是一项系统工程,既要坚持依法合规管理的基本原则,又要适应卫星应用产业发展的新形势新需求;既要运用经济、行政手段来加强资源管理工作,又要注重发挥市场机制作用来提高资源使用效率;既要与国家战略发展相衔接、服务大局相一致,又要顺应经济社会发展趋势;既要与国际规则接轨、扩大对外开放相一致,又要服务国内经济社会发展需求。因此,对卫星频率和轨道资源进行精细化管理的核心在于充分挖掘现有资源潜力。
3.2 全球卫星业务和频率资源需求持续增长,卫星业务类型不断拓展
从全球卫星移动通信系统发展态势来看,卫星产业增长势头明显。从卫星移动通信产业来看,根据IMT-2020(5G)推进组最新发布的《全球移动通信产业展望》预测,到2022年,全球移动通信市场规模将达到1.6万亿美元。其中,全球卫星移动通信系统市场规模预计将达到456亿美元。从卫星业务类型来看,固定和移动宽带、个人通信、卫星直播电视、网络接入服务等卫星业务需求呈现持续增长趋势,全球卫星宽带用户数将在2021年达到5.15亿。从用户的地域分布来看,北美和亚洲是全球固定宽带用户数最多的地区,欧洲地区是全球个人用户数最多的地区,其他国家和地区的用户数也均在1亿左右。
从业务增长态势来看,固定宽带市场将进一步放缓,卫星业务需求增长强劲。预计到2022年,全球固定宽带业务将保持高速增长,预计到2022年达到3.5万亿美元;个人通信业务和卫星电视业务增长也非常强劲;随着卫星直播电视、个人通信市场的发展,预计到2022年将分别达到1.1万亿美元和700亿美元。
3.3 卫星通信应用发展迅速,新业务、新技术、新体制层出不穷,给频谱管理带来更大挑战
由于卫星通信的频谱资源有限,且其使用涉及地面和空间两个维度,因此必须通过有效的管理措施来保障其安全可靠地运行。但当前世界各国对卫星通信技术和应用的认知程度还不高,新业务、新技术和新体制层出不穷,给卫星频谱管理带来了更大的挑战。当前,全球卫星通信应用领域主要包括:卫星固定业务(如宽带广播、移动通信和无线接入服务)、卫星移动业务(如移动网络、应急通信、定位与导航服务)、卫星固定終端业务(如车载、固定、便携终端等)、卫星电视(如地面电视广播)等。其中,后两种业务主要涉及地面无线广播电视频谱资源的使用。
3.3.1 卫星固定业务快速发展,要求充分利用地面无线频谱资源
卫星固定业务包括卫星宽带广播、移动通信、无线接入服务等业务,其中宽带广播业务又分为Ku波段和VHF/UHF波段两种。随着移动通信网络的发展,在移动通信网络覆盖不到的区域,卫星固定业务和移动业务都得到了较好的应用。
其中,卫星宽带广播业务属于地面宽带广播技术的一种,使用固定的地面无线频率资源,提供基于固定宽带的广播服务。这种业务自20世纪60年代出现以来,以每年两倍以上的速度增长。但由于其业务特点等原因,这种服务目前在世界上许多国家和地区并不被广泛认可和使用。因此,必须充分利用地面无线频谱资源,特别是现有地面广播电视频率资源来发展卫星固定业务。
3.3.2 卫星移动业务、卫星固定终端业务及卫星电视业务的发展,给频谱管理带来了新挑战
卫星移动业务是指支持手机、手持移动终端等的卫星移动通信业务,其主要特点是对地面频段没有任何要求,并且可以不受地面频段资源限制进行大范围、大容量的卫星移动通信。卫星电视业务则是指通过卫星向用户提供电视节目或视频流服务,其主要特点是对地面频段资源具有严格限制。这些业务对频谱资源有特定的需求,一般需要按照先申请先得的原则使用频谱。由于这些业务对频谱资源具有特定需求,因此对于上述卫星固定终端和卫星电视等业务,就需要考虑如何进行频谱分配。
3.3.3 技术快速发展带来挑战,频谱管理技术手段面临挑战
近年来,随着卫星移动通信系统的广泛应用,相关产业得到了长足发展,同时也出现了一些新的干扰情况,例如系统间干扰、地面接收设备干扰、地面/卫星干扰等。这些干扰不一定是由卫星发射设备本身产生的,也可能是由其他系统产生的。面对这一新的情况,无论是ITU还是ITU下属机构都缺乏有效应对措施。此外,随着技术快速发展和卫星系统应用的不断扩大,目前频谱管理技术手段也存在挑战。根据ITU的相关规定,当卫星发射设备之间或卫星与地面接收站之间存在干扰时,干扰信号必须能够被识别,如果不能被识别,则无法进行干扰抑制和消除。因此,目前ITU对卫星发射设备和卫星与地面接收站之间的干扰采取了如下应对措施:传统的干扰信号分析技术,如频谱感知、无线电定位等;非接触式、可穿戴式设备技术;在确保无线电系统正常工作的基础上,进行干扰抑制的措施和手段,目前,技术还仅停留在研究阶段,且缺乏成熟的解决方案;通过协调机制、系统间干扰协调解决机制或通过协调机制建立一种新的电磁环境监管策略来实现卫星与地面移动基站之间的干扰抑制和消除;通过监测和分析卫星信号对地面移动基站或终端信号的影响,基于此对卫星通信系统进行电磁干扰保护或抗干扰的方法。
目前,ITU通过建立相关流程和规范来确保上述应对措施能够得到有效实施。首先,ITU设立了一个常设工作组,以确保相关部门之间能够相互支持和配合。其次,ITU会根据频谱管理的现状制定相应的频率使用准则、法规、指南等。例如规定了卫星系统在频率分配使用上可采用的方法和手段等。第三,ITU还会根据具体情况制定相应的规划和策略来实现上述应对措施。例如卫星移动通信系统在不同频段之间、不同业务之间如何进行信号检测或干扰抑制等方面目前都缺乏相关技术指南和政策指导。
4. 结束语
当前,全球卫星频率轨道资源使用、卫星网络服务和卫星应用产业的发展仍处于重要的战略机遇期,发展形势复杂严峻,但也存在新技术应用、新产业形态快速发展带来的诸多新问题和新挑战。我国卫星频轨资源管理工作是在改革开放以来特别是近十年来不断发展完善的基础上,经过多年努力才取得了长足进步。加强我国卫星频轨资源管理,保障我国太空频轨资源的高效利用和服务卫星应用产业发展,是我们面临的一项重要课题。
参考文献:
[1]刘珺,王先峰.新时期我国卫星产业面临的机遇与挑战[J].信息通信技术与政策,2021(10):44-48.
[2]兰峰,彭召琦.卫星频率轨位资源全球竞争态势与对策思考[J].天地一体化信息网络,2021,2(02):75-81.
[3]杨宽,侯佳美.卫星频率和轨位资源分配机制的新发展及其完善[J].中国航天,2021(11):38-42.
[4]张鹏.中国卫星导航产业面临的机遇和挑战[J].卫星电视与宽带多媒体,2010(19):26-30.
[5]袁俊,鲍晓月,孙茜,彭菲,张馨予.巨型低轨星座频率轨道资源趋势分析及启示建议[J].空间碎片研究,2021,21(01):48-57.
[6]黄喆,陈奇,袁正雪,张鸣之,蔡罕龙.异型卫星网络之间共享卫星频谱资源探究[J].数字通信世界,2022(10):57-60.
作者简介:梁晓阳,山东泰安人,研究方向:卫星频率方向.