基于频率特征分类的卫星地球探测业务监测方法研究

刘明星，王敬焘，康国栋，钱 航，官思佳

(1.国家无线电监测中心，北京 100037；2.国家国防科技工业局重大专项工程中心，北京 100101；3.航天科工空间工程发展有限公司，北京 100101；4.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

随着人类航天探索能力的不断提升,对地球和宇宙的认知水平和探测意愿也随之提高。各类探测卫星让人类对地球了解的广度、深度和维度不断扩展,随之而来的是各类卫星工程对无线电频谱资源需求的几何式增长。截至2023年10月,全球已有196个国家和地区向国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)提交卫星网络资料申请,加入空间无线电频谱和轨道资源的争夺中[1]。

随着使用无线电频率的各类台站数量的增加,频谱资源有限性和易污染性问题变得愈加明显。各类严重干扰问题对空间探测工作的开展产生了巨大不利影响,为确保卫星地球探测业务(Earth Exploration-Satellite Service,EESS)安全有序开展,亟需对搭载该类业务的地球探测卫星的频率使用情况开展监测方法研究。

1 EESS和频谱监测现状

遥感卫星是对EESS空间电台的一般称呼,该业务是ITU定义的42种无线电业务中的1种,也是空间无线电业务通信、定位、探测、科学和辅助分类中的1类。当前,以遥感卫星为代表的探测类空间无线电业务已成为商业航天竞争的焦点。

EESS是指地球站与一个或多个空间电台之间的无线电通信业务,包括空间电台之间的链路。在这种业务中,由地球卫星上的有源遥感器或无源遥感器获得有关地球特性及其自然现象的资料,包括有关环境状况的数据;从航空器或地球基地平台收集同类资料;此种资料可分发给有关系统的地球站;可包括平台询问;亦可包括其作业所需的馈线链路[2-3]。

从定义可知,EESS可利用各类星载传感器、探测器开展对特定区域或场景的数据采集,探测过程中可使用的技术手段多样。随着传感器技术的发展,对地探测的场景会越来越丰富。截至2023年 9月,全球申报EESS网络资料的国家有29个[1],主要国家的网络资料申报数量统计如图1所示。美国、法国和俄罗斯等传统航天大国在EESS的频率储备方面表现积极,印度、沙特阿拉伯和巴布亚新几内亚等新兴经济体也在积极参与EESS频谱资源争夺。

图1 各国申报EESS卫星网络资料申报情况统计Fig.1 Statistics of EESS satellite network filings

全球范围已有40余家商业遥感运营商,大部分为美国公司。欧洲、印度和日本等地区和国家也部署了遥感星座和系统,在国防、自然资源、基础设施、能源、环境、位置服务、灾害管理、海洋和金融等领域发挥作用[4-5]。

我国已陆续发射了用于陆地探测的资源系列、高分系列和环境系列遥感卫星,用于气象探测的风云系列卫星,以及用于海洋监测的民用遥感卫星。得益于商业航天发展,除已初具规模的吉林一号遥感星座外,还有大批商业遥感星座正在部署。目前我国遥感卫星已服务包括农业、水利、环境、气候、应急、国土、矿产、港口和航运等多个领域[5-7]。

EESS的应用场景多样,源于该业务的频率特征明显,一方面体现为频率划分的丰富性,另一方面体现为各类台站频率使用的差异性。在现有频谱监测模式中,监测系统以监测天线的工作频段为核心,对监测目标开展无差别监测,注重获取频段的整体结果和占用情况,对台站特征参数的关注不够,对频率使用条件的关注不多,尤其在非静止轨道卫星批量过境时无法高效获取频谱数据[8]。基于上述原因,监测结果的应用价值未能全面发挥,监测数据对提升无线电管理水平的作用未能有效体现,造成监测工作对促进频谱资源管理高质量发展的助力不够。本文基于EESS的频率划分特征和频率使用特征,提出了一种基于频率特征分类专门针对EESS的频谱监测方法。

2 EESS的频率划分特征

EESS的频率划分模式与其他无线电业务相同,都是在划分规定中以表格的方式,针对具体的频率段展开,这其中包含直接给出的划分结果,以及以脚注形式给出的额外规定和附加使用要求。本文中,上述2种方式分别为基本频率划分和附加频率划分。从EESS的定义和现有的无线电业务种类来看,卫星气象业务(Meteorological-Satellite Service)是一种明确了专门用途的EESS,在文中EESS包含卫星气象业务。本节研究EESS基本频率划分和附加频率划分特征。

2.1 基本频率划分

从ITU最新频率划分规定来看,在第三区作为主要业务划分给卫星地球探测和卫星气象2种业务的频率总量高达80 GHz,作为次要业务划分的频率总量近5 GHz[2-3]。在不考虑附加划分条件的情况下,EESS比作为主要的远距离通信手段的卫星固定业务的频率划分总量还要多,如表1所示。

表1 EESS和卫星气象业务的基本频率划分Tab.1 Basic frequency allocation on EESS and MetSS

由表1可以看出,在频率划分规定中除了对业务频段地位的要求——主要划分和次要划分外,还有对工作模式的规定——有源和无源,以及对频率使用方向的区分——空对地、地对空和空对空。

EESS较空间无线电业务中通信类的业务的代表——卫星固定业务(Fixed Satellite Service,FSS),多了工作模式“有源”和“无源”的维度。“有源”是指遥感卫星上搭载有源传感器,可通过传感器发射和接收无线电波来获取和感知信息;“无源”是指遥感卫星上搭载的无源传感器,通过传感器接收大自然辐射的无线电波来获取信息。

EESS的2种工作模式,对工作频段的要求有很大差异,也导致监测工作将在不同频段有不同的要求,需要在监测中充分了解各频段基本划分情况中的3个维度,如图2所示。

图2 EESS基本频率划分的3个维度Fig.2 Three dimensions of basic frequency allocation on EESS

2.2 附加频率划分

除了基本划分外,在《无线电规则》中常用脚注对部分频段的使用作额外的规定,这是频率使用的补充说明——附加划分,通过对频段添加脚注、对业务添加脚注的方式,规定频率的附加使用条件,如 图3所示。

图3 EESS附加频率划分示例Fig.3 Example of additional frequency allocation on EESS

有时,某一频段内同为主要划分地位的2种或多种业务的使用条件会有差异,即对其中部分业务的使用提出限制或要求。在研究当前无线电规则的基础上,对EESS附加频率划分的55个脚注中的额外使用要求,进行了总结分类,如表2所示。

表2 EESS和卫星气象业务的附加频率划分Tab.2 Additional frequency allocation on EESS and MetSS

对于EESS的附加划分规定,大致可以分为6类:

① 划分频段内EESS使用场景的要求,共有 7个脚注。这些附加划分分别规定了使用相应频率的具体场景,如只能用于数据传输或只能开展有源遥感或无源遥感。

② 划分频段内禁止一切发射,虽然只有1个脚注——5.340,但该脚注作用的频率为1 400 MHz～252 GHz,共21个频段。为保证EESS无源工作场景下具有较高灵敏度的传感器工作,需要良好的电磁环境,故要杜绝划分频带内的非自然发射或辐射。

③ 划分频段内EESS对其他业务的保护共有36个脚注,详细规定了划分频段内EESS需要保护的业务及保护的具体要求,这些受保护的业务既有地面的导航类、通信类业务,也有空间类的卫星固定等业务。

④ 划分频段内对EESS台站的功率限制共有 5个脚注,规定了空间电台和地球站运行过程中的功率限值,以功率通量密度(Power Flux-Density,PFD )的形式给出。

⑤ 划分频段内EESS台站须遵守的建议书或决议共有5个脚注,规定了EESS在频率使用中需要额外遵守的建议书或决议

⑥ 划分频段使用的额外要求共有1个脚注。该脚注包含三方面的内容:一是说明2个频段EESS的使用条件——其中间频段无法满足带宽的要求时才可以用;二是说明使用上述频段需要的协调要求;三是规定上述频段通知资料可采取参考依据。

这些隐含在脚注中的附加划分规定,如ITU-R建议书RS.2065-0、RS.2065-0规定了合成孔径雷达在X和Ku频段的使用要求[9-10],RS.1260-2、 RS.2106给出不同传感器的使用要求[11-12],ITU决议751给出Ku频段EESS与FSS的共存准则[13],是频率划分和使用的额外要求,既包含对其他业务的保护要求,还涉及需要遵守的建议书、决议等内容,对频谱监测带来了新的困难。

3 EESS的频率使用特征

EESS空间电台——遥感卫星的有效载荷(星载遥感器)用于实现对地面目标的高空侦察,以获取有关数据及相关信息。按照工作模式,遥感卫星的有效载荷可分为无源和有源2类。有源传感器主要为主动微波仪器等类雷达设备,具有无线电发射和接收能力,如高度计、散射计、成像雷达、气象雷达(测风、测水和测云)、激光雷达和合成孔径雷达等,这类传感器向侦查目标发射电磁信号,通过接收地面或目标物体的回波,反演获得相应信息。无源传感器主要包括被动微波仪器、光学/红外相机和多光谱扫描仪等,此类传感器接收(捕捉)来自于侦察目标自身辐射(发射)的电磁信号或物理特征。当遥感卫星过境时,对指定目标或区域进行感知、监控、跟踪、拍照和记录,将获得的目标数据和信息通过无线电实时或延时传输到地面接收站或中继卫星。

EESS不同于卫星固定、卫星广播等通信类空间业务,其核心技术原理体现为“遥感”二字,即使用各类传感器在不直接接触物体的情况下,对远距离目标进行探测识别。无线电频率的使用场景包括:① 承载有源遥感器的有源发射功能,为无源遥感器工作在一定带宽内提供良好的电磁条件;② 为遥感卫星的数据回传提供通信链路;③ 为了解卫星运行状态、操作卫星运行和确保卫星正常工作提供控制管理链路。本节结合EESS台站分析频率使用特征。

3.1 空间电台频率使用

根据忧思科学家联盟(The Union of Concerned Scientists, UCS)数据[14],截至2023年1月1日,在轨地球探测卫星共计1 192颗,包括高轨(GEO) 47颗、中轨(MEO)2颗、低轨(LEO)1 127颗、椭圆轨道(Elliptical)16颗,其中LEO卫星占比高达95%。EESS涉及的轨道可进一步细分为地球静止轨道、中地球轨道、极地轨道、太阳同步轨道和近地轨道等,仅风云系列卫星就使用了静止和极地2种轨道[15]。不同卫星对地覆盖特性因为轨道高度不同,或星载遥感器对地观测角度不同,造成单次测量地球的表面积有很大的差异,如图4所示。

(b)对地观测角度不同

因探测业务开展对特定轨道和特定目标的需求,形成的遥感卫星覆盖图,因轨道类型各异而出现差异性,反映到地面为卫星的实时对地覆盖图(星下点轨迹)呈现出现各种形状,如静止轨道卫星的星下点为固定不变的区域,极地轨道卫星的星下点轨迹为连接2极的带状区域,各类非静止轨道卫星的星下点轨迹因卫星轨道倾角的不同而与地球表面形成各种角度的带状区域,如图5所示。

图5 遥感卫星对地覆盖区域的差异(基于轨道类型)Fig.5 Differences on coverage areas of EESS satellites(by classification of orbit)

EESS空间电台的轨道多样,还存在诸如文 献[16-17]描述的轨道机动和变轨等特殊探测需求,加上频率划分多样,形成了不同场景,带来业务频率的下行覆盖方式多样。因此,在轨道和覆盖多样的情况下,同一频段可能出现的场景数量为:轨道类别×天线波束角×轨道高度×轨道倾角×有源(无源),再加上频段划分的多样性,在监测中呈现的频率使用场景将不计其数,监测天线的运动方式和监测参数的设置也会千差万别。

3.2 地球站频率使用

作为EESS辅助用频的测控和数传链路,有如下几种模式:① S频段测控,X频段数传;② S频段测控,Ka频段数传;③ S频段测控,X频段数传,Ka频段作为中继。从频率使用带宽来看,S频段带宽小于X和Ka频段。整体来看,测控用频频带较窄,数传用频带宽较大。

因测控链路和数传链路工作原理和通信模式不同,二者的带宽需求有较大差异。测控过程中需要更大的对空空间,以便地面运控中心能长时间控制卫星。而向地面传输数据,希望传输信息更多,因此需要更稳定的通信条件。二者的单次通信因需求不同,通信的时段有较大差异,如图6所示。

图6 测控和数传通信时长差异示意Fig.6 Time difference on TT&C and data transmission link

测控地球站除上行覆盖范围与数传地球站有较大的差异以外,二者在通信过程中的功率也有较大差异,一般前者的功率较小。在实际工程中,遥感卫星的星载天线还会有形制的差异。若选择全向天线,在轨道高度700 km时,对地覆盖半径可达2 900 km;若选择星载相控阵天线,在典型波束角20°时,覆盖半径仅为200 km。不同遥感卫星的波束覆盖差异会对监测天线的跟踪参数设置产生影响,甚至会因参数设置不合理引起跟踪时间变长,导致在监测任务编排中出现监测资源浪费的情况。

4 EESS的频谱监测方法

频谱监测是无线电频谱资源管理过程中最重要的技术手段,能够及时了解频谱资源当前状态、使用效能,可以准确验证无线电台站工作参数的合规性,为频谱工程和资源规划提供翔实可靠的参考数据。有效的监测手段、可靠的监测方法和准确的监测数据是提高无线电频谱资源价值的重要途径。

通过与现有的监测系统对比,结合频率划分和频率使用的研究,对EESS开展监测,需要充分掌握业务的频率特征,在监测中注重业务的频率划分规定和具体使用要求,重点关注台站的用频特点,在掌握详细频率特征的条件下开展监测。

4.1 EESS的频谱监测需求

4.1.1 针对频率划分的频谱监测需求

从2.1节可知,EESS的基本频率划分体现为:频段地位,当前频段的划分中EESS是主要业务还是次要业务;工作模式,为实现探测目的搭载的卫星载荷是有源还是无源;使用方向,即频率使用中是从地面向空间发射,还是空间向地面发射,亦或空间向空间发射,又或者当前频段不限制频率使用的方向。基本频率划分,在《无线电规则》对频段划分的表格中,能够直接获取。

从2.2节可知,附加频率划分共有6类情况, 表2中第1类～第4类的要求,在每个具体的脚注中都有详细的规定和说明;对于第5类附加划分的要求,不在脚注的内容中直接体现,需要进一步查看相应的建议书和决议;对于最后1类附加划分的要求,对该频段开展监测是为了确认频率使用的合规性,以及频谱中展现出的台站射频特征的合法性,需要结合具体的台站参数来验证。

综合以上分析,可以确认基本频率划分和附加频率划分的监测需求,应该区分不同的无线电业务场景,针对不同的业务频段,体现具体划分中各类规定和要求。对应到卫星监测系统中,需要将涉及EESS的划分规定详细、准确地体现出来,并能够展示出当前监测频段的脚注信息,还需要在监测时将附加划分中需要遵守的建议书和决议的具体内容要求展示出来,必要时能够体现该频段内业务和台站的所有详细参数。

4.1.2 针对频率使用的频谱监测需求

对EESS电台工作模式的研究可知,因划分规定的多样性,以及对地探测需求和实现方法的多样性,带来频率使用场景的丰富性,需要在监测系统中以频段为单位,并能够区分每个频段的具体用途,还要能够将用途与其网络资料中的申报内容、主管部门的批复结果相匹配。

对空间电台和地球站频率使用的研究可知,频率使用场景建立在真实的无线电台站上,开展监测需要对被监测台站的基础信息、运行信息、探测目的、实现手段、用频情况、探测目标和轨道特征等技术参数有全面清晰的了解。此外,因测控链路和数传链路的工作特点,需要掌握地球站的分布位置、通信时间和上行波束特点,还要了解2类地球站的工作状态信息。

因无线电频率对所有使用者的无差异性以及其稀缺性,导致在无线电频率的使用过程中,必然会出现干扰,对于干扰的发现和确认是无线电监测工作的重要环节。EESS的频率划分多样,导致其频率使用情况复杂,因此干扰的问题需要专门考虑。

干扰监测可分为两部分:发现干扰和确认处理干扰。发现干扰的前提是对当前系统的频率使用状况、频谱特征有清晰准确的了解;确认处理干扰要求监测过程中能快速获取干扰特征、评估影响和快速确认干扰来源。频率使用过程中的无线电干扰监测需求如图7所示。

图7 无线电干扰监测需求Fig.7 Monitoring requirement of radio interference

根据以上分析可知,干扰监测的需求为:能够与正常的信号相区分,并且能够依据无线电规则和ITU-R RS.1028和ITU-R RS.1029等建议书中给出的干扰保护标准[18-19],评估干扰程度;对于确认后的无线电干扰,寻找干扰来源还要借助外部工具。

综合以上研究分析,EESS的频谱监测需求如 表3所示。

4.2 基于频率特征分类的EESS监测方法

基于频率特征分类的EESS监测方法,将针对EESS的具体系统开展频谱监测工作,对系统的不同频率特征开展差异化监测。本监测方法中包含平台、天线等软硬件设施,还包括台站、许可和申报协调等关联数据,以及规则、条款、规定、建议书和决议等相关文件。可概括为设备、规则和数据三方面的要求,以及为减少人工干预而产生的时间一致性和任务自动化的运行要求,如图8所示。

图8 基于频率特征分类的EESS监测需求和内容Fig.8 Monitoring requirement on EESS by classification of frequency characteristic

为实现上述基于频率特征分类的EESS监测方法,设计如图9所示的EESS监测平台技术参考模型。

模型共5层,从下到上分别为设备层、基础层、数据层、规则层和操作展示层。可按照顶层、中间层、底层进行分类,其中顶层为操作展示层,底层为基础和设备层,两部分是传统监测系统中的必要模块。模型的中间层——数据层和规则层,是基于本文的成果——基于频率特征分类的EESS监测方法的具体需求,在未来监测系统的建设部署中,需要重点考虑和实现的内容,是区别于以往监测方法的新增内容。

图9 EESS监测平台技术参考模型Fig.9 Technical model of the monitoring platform for EESS monitoring

5 结束语

在研究EESS基本频率划分和附加频率划分的基础上,归纳总结该业务特有的频率划分特点,结合空间电台和地球站,对其工作模式和频率使用特征开展了研究。在融合频率划分和频率使用的监测需求后,提出基于频率特征分类的EESS监测方法,并建立了技术参考模型。该模型能够为监测方法的实施提供参考,为面向业务和系统的监测模式提供有效借鉴。

随着无线电频谱资源需求的不断增加,未来的频率划分和使用会愈加复杂,卫星频谱监测需要注意频率在不同场景下划分和使用的区别,需要针对不同对象开展有差别的监测。基于频率特征分类的EESS监测方法,能够面向具体的无线电业务,针对现实中某个具体的卫星系统开展有效监测,能够为今后通信、导航和遥感一体化巨型星座背景下的频谱监测理念和现有监测系统改进提供思路。囿于文章篇幅,该监测方法在当前监测系统中的实现路径还需要进一步研究。