溫日紅,申杰敏,葛 俠,原 亮
(北京環(huán)球信息應(yīng)用開(kāi)發(fā)中心,北京100094)
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可發(fā)送高精度、全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航、定位和授時(shí)信息,是當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)不可或缺的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。該系統(tǒng)在交通運(yùn)輸 、電力 、水利 、漁業(yè) 、農(nóng)業(yè) 、電信 、測(cè)繪 、森林防火以及減災(zāi)救災(zāi)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,已形成龐大的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè);在軍事領(lǐng)域中,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)武器平臺(tái)精確導(dǎo)航定位和制導(dǎo)武器遠(yuǎn)程精確打擊的關(guān)鍵支撐,是現(xiàn)代高技術(shù)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要保障。
但是,目前衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)頻率都是與其他業(yè)務(wù)共用的。國(guó)際電聯(lián)(ITU)的研究已經(jīng)證明,衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)是可以共用的,因此無(wú)線(xiàn)電頻率劃分表并未給衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)劃分單獨(dú)使用的頻率,每個(gè)劃分頻段都是與其他業(yè)務(wù)共用;這就表明衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在選擇所使用頻率時(shí)首先要與其他業(yè)務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào),避免不同業(yè)務(wù)之間可能存在的干擾;其次,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)際電聯(lián)發(fā)布無(wú)線(xiàn)電頻率劃分表時(shí)對(duì)衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)頻率使用需求的預(yù)料,當(dāng)時(shí)僅有美國(guó)GPS與俄羅斯GLONASS兩家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),而目前不僅有四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的存在與不斷發(fā)展,日本、印度等各國(guó)也都在積極地發(fā)展各自的區(qū)域系統(tǒng),因此,衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航頻率在全球范圍內(nèi)日益稀缺[1]。
同時(shí),由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)本身的特性,其到達(dá)地面的信號(hào)功率很微弱,到達(dá)地面的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)功率一般在-160 dBW左右;而按輻射源功率0.1 W計(jì)算,使用1.5GHz頻率發(fā)射則在1 km處的干擾信號(hào)功率為-106 dBW,比衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)到達(dá)地面的信號(hào)高40 dB(10000倍)以上。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)微弱,容易受到干擾。其影響將表現(xiàn)為三個(gè)方面。
一是用戶(hù)機(jī)受到干擾后,將直接影響到信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)等,使用戶(hù)機(jī)測(cè)距精度下降、誤碼率增高,嚴(yán)重時(shí)將使用戶(hù)機(jī)無(wú)法進(jìn)行測(cè)距、解調(diào),直接影響著用戶(hù)機(jī)的定位精度與使用。
二是衛(wèi)星首先需接收地面上行注入信息以完成星地時(shí)間同步、導(dǎo)航電文生成等工作,當(dāng)上行注入頻段受到干擾后,會(huì)使衛(wèi)星的測(cè)距精度下降、接收誤碼率增高。嚴(yán)重時(shí),還會(huì)使衛(wèi)星無(wú)法進(jìn)行測(cè)距、信息解調(diào),直接影響著星地時(shí)間同步精度、下行導(dǎo)航電文生成,進(jìn)而影響該星在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的可用性。
三是地面運(yùn)控系統(tǒng)是整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心,主要任務(wù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)接收機(jī)等設(shè)備采集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行衛(wèi)星定軌、時(shí)間同步、差分與完好性處理,若監(jiān)測(cè)接收機(jī)等設(shè)備受到干擾將影響原始數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量,使有效數(shù)據(jù)量減少,嚴(yán)重時(shí)將無(wú)法進(jìn)行測(cè)距和信息接收,導(dǎo)致衛(wèi)星定軌、時(shí)間同步和差分與完好性處理性能變差,從而影響整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能。
上述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率及信號(hào)自身的特性使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更加易受干擾,更加需要保護(hù)。目前擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家采取的保護(hù)辦法主要包括制定國(guó)家級(jí)無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)頻譜管理法規(guī)和無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)干擾探測(cè)和減緩計(jì)劃及程序。我國(guó)尚無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻譜保護(hù)相關(guān)政策立法,因此,研究制定“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻譜保護(hù)政策,對(duì)確保我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常運(yùn)行,提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的服務(wù),具有非常重要的戰(zhàn)略意義。
有效的頻譜管理是減少因衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身具有的易受干擾性和脆弱性而導(dǎo)致的GNSS運(yùn)行中斷可能性的有效手段,根據(jù)各國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,實(shí)行有效的頻譜管理可以將非故意干擾的威脅消除殆盡。有效的頻譜管理包括三方面的內(nèi)容:制定管制頻譜使用的法律法規(guī);執(zhí)行這些法律法規(guī);密切評(píng)估新的無(wú)線(xiàn)電頻率源,確保其不對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。
ICG倡導(dǎo)各國(guó)采取衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護(hù)活動(dòng):制定國(guó)家級(jí)的衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護(hù)法律法規(guī)與建立衛(wèi)星導(dǎo)航頻率干擾探測(cè)與消除程序。ICG的4個(gè)工作組已有3個(gè)組將頻譜保護(hù)的相關(guān)內(nèi)容列入了議題。工作組A負(fù)責(zé)兼容性與互操作性問(wèn)題,對(duì)保護(hù)頻譜以及探測(cè)并消除干擾提出了建議;工作組B負(fù)責(zé)提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能問(wèn)題,在工作計(jì)劃中添加了在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各頻段探測(cè)和消除無(wú)線(xiàn)電頻率干擾的技術(shù)的新項(xiàng)目;工作組D負(fù)責(zé)參考基準(zhǔn)、授時(shí)和應(yīng)用問(wèn)題,也將對(duì)頻譜保護(hù)以及干擾探測(cè)和消除列入議題,計(jì)劃與工作組A、工作組B聯(lián)合進(jìn)行。
在美國(guó),GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為關(guān)系美國(guó)國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)利益至關(guān)重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一,無(wú)線(xiàn)電頻譜由國(guó)家電信與信息管理局(NITA)和聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC共同管理,并擁有比較完善的無(wú)線(xiàn)電頻譜監(jiān)測(cè)程序。
美國(guó)聯(lián)邦政府和國(guó)會(huì)強(qiáng)力支持和維護(hù)GPS在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用和推廣,并認(rèn)為發(fā)展GPS對(duì)美國(guó)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)利益至關(guān)重要,其他頻段用戶(hù)的頻譜對(duì)GPS信號(hào)發(fā)射頻帶的集總噪聲增大會(huì)對(duì)GPS信號(hào)形成相當(dāng)大的威脅,甚至危及美國(guó)的國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)安全。1999年和2000年的國(guó)防部撥款法案要求國(guó)防部長(zhǎng)向國(guó)會(huì)提交GPS頻譜保護(hù)策略報(bào)告,并指示國(guó)防部啟動(dòng)頻譜協(xié)調(diào)研究,提交GPS頻譜協(xié)調(diào)報(bào)告,作為對(duì)GPS頻譜保護(hù)資金撥款的依據(jù)。
2010年12月18日,美國(guó)總統(tǒng)簽署了《國(guó)家和商用空間項(xiàng)目》立法,對(duì)空間立法進(jìn)行匯編。其中第50112節(jié)“推廣美國(guó)GPS標(biāo)準(zhǔn)”明確規(guī)定,為支持與維持GPS有效服務(wù)于美國(guó)國(guó)家安全、公共安全、科學(xué)與經(jīng)濟(jì)利益,國(guó)會(huì)支持總統(tǒng)向商務(wù)部副部長(zhǎng)提供電信與信息的發(fā)展方向和充分資源,以便副部長(zhǎng)能夠?qū)PS頻譜的取得和維持進(jìn)行有效管理;保護(hù)GPS頻譜不受毀壞和干擾。
為防止GPS服務(wù)中斷給美國(guó)的國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)安全造成嚴(yán)重危害,2007年8月,美國(guó)國(guó)土安全部制定了具體的干擾探測(cè)與消除計(jì)劃。該計(jì)劃對(duì)所有干擾事件進(jìn)行收集、分析、存儲(chǔ)和發(fā)布,目的是增強(qiáng)美國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)GPS及其增強(qiáng)系統(tǒng)干擾源的辨別、分析、定位、歸因以及消除的協(xié)調(diào)能力。采取的主要行動(dòng)為:在發(fā)生損壞或拒絕接入GPS信號(hào)事件時(shí),增強(qiáng)確保GPS連續(xù)運(yùn)行的能力、程序與技術(shù);進(jìn)行常規(guī)性民用意外事件應(yīng)對(duì)演習(xí)。
隨著GPS與美國(guó)國(guó)家、經(jīng)濟(jì)安全關(guān)系日益緊密,美國(guó)政府越來(lái)越重視對(duì)濫用頻率的現(xiàn)象的遏制,以保護(hù)GPS的用頻。2011年,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)美國(guó)無(wú)線(xiàn)寬帶運(yùn)營(yíng)商光平方公司(Lightsquared)建立結(jié)合衛(wèi)星的4G-LTE地面通信網(wǎng)絡(luò)。但因其使用的原有移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻段與GPS頻段鄰近,其強(qiáng)大功率的信號(hào)對(duì)地面基站附近微弱的GPS接收機(jī)信號(hào)產(chǎn)生有害干擾,40000個(gè)地面基站大多設(shè)立在GPS多用戶(hù)地區(qū),將可能導(dǎo)致GPS無(wú)法正常使用,以致危及美國(guó)的經(jīng)濟(jì)及國(guó)家安全,因此遭到GPS產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)及供應(yīng)商與用戶(hù)的抗議,美國(guó)國(guó)會(huì)要求FCC重視光平方公司對(duì)GPS干擾的問(wèn)題。FCC要求光平方公司在圓滿(mǎn)解決GPS擔(dān)心的干擾問(wèn)題之后,才能著手進(jìn)行其地面通信網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。
綜上,在GPS發(fā)展之初,美國(guó)政府制定各種政策法規(guī)大力發(fā)展和推廣GPS,在其形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè),并且在國(guó)家關(guān)鍵領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位之后,美國(guó)政府意識(shí)到必須加強(qiáng)對(duì)無(wú)線(xiàn)電頻率的管理,遏制濫用頻率的現(xiàn)象,加強(qiáng)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護(hù)。
“北斗”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)被干擾情況,主要為出站S頻段干擾、入站C頻段干擾。
3.1.1 出站S頻段干擾
2009年,內(nèi)蒙古某地區(qū)出現(xiàn)“北斗”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用戶(hù)機(jī)工作異常情況,經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)存在下行S頻段干擾,經(jīng)排查確定干擾源為該地區(qū)廣播電視局農(nóng)村電視網(wǎng)絡(luò)全向發(fā)射天線(xiàn)由于64 MHz帶寬不足以傳輸8路信號(hào),故意違反國(guó)家頻率劃分規(guī)定將使用頻段下移進(jìn)入“北斗”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)衛(wèi)星下行S頻段內(nèi),從而對(duì)“北斗”用戶(hù)終端造成嚴(yán)重干擾。
3.1.2 上行L頻段轉(zhuǎn)發(fā)的C入站頻段干擾
“北斗”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,曾發(fā)現(xiàn)過(guò)如圖1所示類(lèi)型的干擾,分析認(rèn)為此類(lèi)型干擾是L頻段上行干擾信號(hào),通過(guò)“北斗”衛(wèi)星L/C轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后對(duì)入站C頻段形成干擾。

圖1 上行L頻段轉(zhuǎn)發(fā)的C入站頻段干擾頻譜情況Fig.1 Interference spectrum in C band transmitted by L band
3.2.1 主控站受干擾情況
2010年,發(fā)現(xiàn)主控站L頻段1.2 GHz兩處頻點(diǎn)出現(xiàn)干擾,一處經(jīng)查找確定為某企業(yè)的無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統(tǒng)所致;另一處已影響到系統(tǒng)設(shè)備(監(jiān)測(cè)接收機(jī))的正常工作,曾引起系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)無(wú)法正常鎖定下行導(dǎo)航信號(hào),但目前還未找到干擾源。確定干擾源的干擾頻譜見(jiàn)圖2。

圖2 L頻段1.2 GHz干擾頻譜Fig.2 Interference spectrum in L band(1.2 GHz)
3.2.2 L頻段電磁環(huán)境測(cè)試干擾信號(hào)情況
在各地對(duì)RNSS L頻段頻譜情況進(jìn)行測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)多地都存在不同形式的信號(hào),圖3~9為其中一部分信號(hào)頻譜圖。

圖3 西北部1.5GHz電磁環(huán)境測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.3 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-West(1.5 GHz)

圖4 西部1.2 GHz電磁環(huán)境測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.4 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the West(1.2 GHz)

圖5 北部1.2 GHz電磁環(huán)境測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.5 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North(1.2 GHz)

圖6 東北部1.5GHz電磁環(huán)境測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.6 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-East(1.5 GHz)

圖7 西南部1.5 GHz電磁環(huán)境測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.7 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-West(1.5GHz)

圖8 南部1.2GHz電磁環(huán)境測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.8 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South(1.2 GHz)

圖9 東南部1.5 GHz電磁環(huán)境測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.9 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-East(1.5 GHz)
上述信號(hào)頻譜圖描述了RNSS L頻段在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間存在的不同程度的干擾,也說(shuō)明了我國(guó)境內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率電磁環(huán)境比較惡劣。
目前國(guó)內(nèi)制定了一系列的無(wú)線(xiàn)電管理規(guī)定,包括1999年制定的《無(wú)線(xiàn)電管理?xiàng)l例》、2010年最新實(shí)施的《中華人民共和國(guó)無(wú)線(xiàn)電頻率劃分規(guī)定》、《無(wú)線(xiàn)電頻率使用的規(guī)定》,從一定程度上對(duì)無(wú)線(xiàn)電頻譜進(jìn)行了保護(hù)。但從我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護(hù)并不盡如人意。自我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開(kāi)通使用以來(lái),已在不同地區(qū)多次發(fā)現(xiàn)各類(lèi)干擾。通過(guò)對(duì)干擾情況的分析主要反映出兩方面的問(wèn)題:一是一些單位不遵守國(guó)家規(guī)定,用頻的法規(guī)意識(shí)淡薄,隨意用頻;二是缺乏對(duì)用頻的監(jiān)管,不能對(duì)非法用頻的情況做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理。若任憑上述現(xiàn)象發(fā)展下去,將嚴(yán)重影響我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行,給國(guó)家造成損失。
目前的管理監(jiān)測(cè)和對(duì)干擾的處理效率比較低,雖然目前對(duì)系統(tǒng)的影響還不明顯,但與以后的系統(tǒng)發(fā)展不相匹配;對(duì)各種新問(wèn)題的協(xié)調(diào)解決程序與協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)也需要盡快有明確的規(guī)定。因此,建議逐步探索并建立專(zhuān)門(mén)的國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率協(xié)調(diào)管理機(jī)構(gòu),由該機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率使用干擾情況的處理,以及運(yùn)行與應(yīng)用過(guò)程中有關(guān)問(wèn)題的協(xié)調(diào)解決。
從國(guó)家一級(jí)的政策法規(guī)層面對(duì)下列與衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護(hù)相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行明確的規(guī)定。
(1)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要地位
國(guó)家應(yīng)制定相應(yīng)的政策法規(guī),明確“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)安全中的重要地位,闡明“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分,是實(shí)現(xiàn)國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)安全的重要工具,其應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域,也是關(guān)系我國(guó)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)安全的關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)確保“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不受任何人為干擾,并保持穩(wěn)定正常運(yùn)行。
(2)支持并鼓勵(lì)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護(hù)
國(guó)家應(yīng)制定政策法規(guī)支持“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率需求及保護(hù)研究活動(dòng),鼓勵(lì)研發(fā)保護(hù)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率的各項(xiàng)技術(shù)措施,以及開(kāi)發(fā)新的頻段,以滿(mǎn)足“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的頻率需求。
確定如接收機(jī)靈敏度惡化、最低干擾門(mén)限、有害干擾的判定標(biāo)準(zhǔn),信號(hào)、告饒保護(hù)比和最小可用場(chǎng)強(qiáng)以及相關(guān)的干擾計(jì)算方法等,明確系統(tǒng)或接收機(jī)正常工作、受到容許干擾、受到有害干擾,或喪失服務(wù)功能以及系統(tǒng)產(chǎn)生誤導(dǎo)信息等的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),使得“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護(hù)具有可評(píng)估性和可操作性。
要定期對(duì)導(dǎo)航頻段的電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)普查[2]和重點(diǎn)排查,建議配備專(zhuān)業(yè)車(chē)載干擾定向監(jiān)測(cè)設(shè)備;建立并完善“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率干擾探測(cè)與消除程序。
加大頻率保護(hù)執(zhí)法的力度,嚴(yán)格執(zhí)法震懾、預(yù)防和減少非法用頻行為。增強(qiáng)設(shè)備制造商的頻率保護(hù)意識(shí),并讓公眾了解“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其頻率保護(hù)的意義。
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