科學類衛星業務頻率使用淺析（2）

潘 冀，劉珊杉

（國家無線電監測中心，北京 100037）

（接上期）

4 科學類衛星業務頻率使用態勢分析

科學類衛星系統使用的頻率資源可以按照以下維度進行劃分：對目標信息進行探測的業務頻率，對空間電臺進行遙令遙測跟蹤的測控頻率，以及進行數據傳輸的數傳頻率。

4.1 業務頻率

科學類衛星系統一般利用衛星/航天器在軌道上通過遙感器（也稱傳感器、探測器、遙感載荷）獲取人們所需要的觀測目標的各種信息。這些遙感器是科學類衛星系統的有效載荷，也是獲取遙感數據的關鍵設備。由于設計和獲取數據的特點不同，傳感器種類繁多，使用無線電頻率的傳感器，主要包括有源微波與無源微波兩種（光學遙感對應的光譜也可以以波長形式描述，但目前不屬于無線電頻率管理的范疇），對應的無線電業務類型為衛星地球探測/空間研究（有源）和衛星地球探測/空間研究（無源）。

微波遙感的頻段通常取決于探測對象的物理屬性，基本根據系統任務要求選擇頻率，擴展空間有限。有源微波遙感涉及無線電功率的發射，存在頻率資源競爭和協調問題，而無源微波遙感基本是對遙感對象自然屬性的反映，只存在無源頻率保護問題（即如何免受其他系統或業務干擾，包括帶內和帶外），不存在資源競爭和協調問題。

4.1.1 頻率劃分

根據2016年版的《無線電規則》的規定，衛星地球探測（有源）業務和空間研究（有源）業務頻率劃分如表1所示：

表1 衛星地球探測/空間研究（有源）業務頻率劃分

衛星地球探測（無源）業務和空間研究（無源）業務頻率劃分如表2所示。需要注意的是，次要業務不能對指配為主要業務的頻率產生有害干擾，也不能要求其保護，因此對無源業務而言，次要劃分的頻段幾乎沒有使用價值，對無源探測頻率進行次要劃分的原因需要進一步研究。

表2 衛星地球探測/空間研究（無源）業務頻率劃分

4.1.2 頻率使用態勢

4.1.2.1 衛星地球探測業務/空間研究（有源）

經統計 ，共有16個國家申報了49組包含衛星地球探測（有源）業務的網絡資料，資源儲備并不多，具體情況如圖4所示（GSO指地球同步軌道衛星，NGSO 指非地球同步軌道衛星）。

圖4 衛星地球探測（有源）業務網絡組數統計

從圖4可以看出，美國、中國和法國申報數量位居前列，相互之間差距很小。從網絡資料頻段占比情況來看，幾乎所有申報頻段均在36 GHz 以下。從實際應用來看，散射計、測高計及合成孔徑雷達主要集中在18 GHz 頻段以下，降水雷達主要使用13-36 GHz 頻段，云廓線雷達主要使用70 GHz 以上頻段。有源微波遙感的應用目前主要是星載雷達，未來的應用將與傳統的光學遙感并駕齊驅，共同發揮各自的優勢作用。

經統計，僅5個國家申報了6組包含空間研究（有源）業務的網絡資料，多使用L 和S 頻段。我國僅申報1組，使用C 頻段，本文不再列圖表示。

4.1.2.2 衛星地球探測業務/空間研究（無源）

經統計，共有8個國家申報了23組包含衛星地球探測（無源）業務的網絡資料，均為NGSO，具體情況如圖5所示。

圖5 衛星地球探測（無源）業務網絡組數統計

從圖5可以看出，與有源遙感類似，美國、法國和中國申報數量位居前列，但全球申報的總量不多。從網絡資料頻段占比情況來看，頻率范圍跨度比較大，頻段分布并沒有特別明顯的集中情況。我國申報的4組網絡資料分別用于氣象系列及海洋系列兩大類衛星，使用了從6 GHz 到190 GHz 的多個頻段。

經統計，僅俄羅斯申報了一組包含空間研究（無源）業務的網絡資料，使用L 頻段，本文不再列圖表示。

4.2 測控頻率

衛星測控分系統在其他系統配合下實現對衛星遙測、遙控、軌道跟蹤與測量的功能，是衛星/航天器在軌安全、有效工作的基本保障。

測控功能對應的無線電業務類型為空間操作業務。根據《無線電規則》的定義，空間操作業務既可以使用為空間操作劃分的頻率，也可以使用衛星系統的業務頻率。目前國內通信衛星的測控多使用C 頻段，科學類衛星的測控多使用S 和X 頻段、少部分使用VHF/UHF 頻段。

4.2.1 頻率劃分

空間操作業務頻率劃分如表3所示。本文將重點研究包含表3中頻率的網絡資料，不考慮使用衛星系統業務頻率開展衛星測控的網絡資料。

表3 空間操作業務頻率劃分

4.2.2 頻率使用態勢

經統計，在VHF/UHF 頻段共有29個國家申報了118組包含空間操作業務的網絡資料。其中401-402 MHz 是主要申報頻段，頻段占比約82%。其余頻段或因次要劃分，或因與衛星氣象業務、衛星移動業務共享頻段，有一定的協調難度，導致申報較少或未申報。具體申報情況如圖7所示。

測控系統是衛星/航天器在軌工作的必要輔助系統，如果空間操作頻率與業務頻率采用一體化設計，便能減小星上代價。S頻段最初也是由于同時劃分給衛星地球探測和空間研究業務用于數據傳輸，為測控和業務一體化設計帶來天然的便利，久而久之形成了當前科學類衛星大都選用S 頻段進行測控的局面。經統計，S頻段共有53個國家申報了1002組包含空間操作業務的網絡資料，其中美國、法國和我國位居前列，具體申報情況如圖8所示。相較于S 頻段，L 頻段進行空間操作業務的網絡資料幾乎全部集中在1750-1850 MHz，且幾乎全部為美國申報。

圖7 VHF/UHF頻段空間操作業務網絡組數統計

圖8 S頻段空間操作業務網絡組數統計

以7190-7250 MHz 作為遙感衛星測控頻率是2015年世界無線電通信大會（WRC-15）提出的新劃分，目前的頻率資源儲備與使用正在逐步發展中。經統計，X 頻段共有7個國家申報了41組包含空間操作業務的網絡資料，均為NGSO。我國申報量為32組，以商業航天和探月工程應用為主，數量明顯高于其他國家，如圖9所示。我國快速發展該頻段測控應用的一個重要原因就是S 頻段測控頻率的日趨飽和。

圖9 X頻段空間操作業務網絡組數統計

4.3 數傳頻率

數據傳輸系統是遙感衛星有效載荷的重要組成部分，其本質是衛星到地面的數據通信，從衛星上形成數據開始，經過編碼、壓縮、調制、信道傳輸、解調和譯碼等過程，最終在地面將原始數據流恢復。

近年來，隨著技術的進步，遙感衛星無論在理論、技術還是應用方面都得到了飛速發展，特別是隨著新型傳感器不斷涌現，應用型遙感衛星正向多分辨率、多遙感平臺并存的方向發展，分辨率也在不斷提高。這些進步和革新對數據傳輸需求的影響主要表現在遙感數據所包含的信息量變大，數據獲取的時效性變高。需求的變化決定著數傳技術要使用更高的傳輸頻段和更新的傳輸體制。

4.3.1 頻率劃分

科學類衛星可使用衛星地球探測業務和空間研究業務進行數據傳輸。同時，衛星氣象業務的數據傳輸既可以使用衛星氣象業務頻段，也可以使用地球探測業務頻段。衛星地球探測業務、衛星氣象業務、空間研究業務頻率劃分如表4所示。

表4 衛星地球探測/衛星氣象/空間研究業務頻率劃分

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4.3.2 頻率使用態勢

數傳頻率是科學類衛星系統用頻矛盾最突出的部分。可用的數傳頻率并不多，大部分好用頻段已被眾多系統使用，并且S 頻段在我國主要用于空間操作而非衛星地球探測業務。

4.3.2.1 衛星地球探測業務

經統計，全球包含衛星地球探測業務的網絡資料共458組，頻段占比靠前的有：X 頻段約59%，S 頻段約44%，401-403 MHz 頻段約19%，Ka 頻段約15%。

結合實際衛星應用情況，同時考慮我國S 頻段的特殊性，本文重點研究X 頻段、401-403 MHz 頻段、Ka 頻段的網絡資料。

經統計，在X 頻段共有41個國家申報了266組包含衛星地球探測業務的網絡資料，其中我國最多，達到了66組，如圖10所示。

經統計，在401-403 MHz 頻段共有22個國家申報了87組包含衛星地球探測業務的網絡資料，其中美國最多，我國排名第三，如圖11所示。該頻段是地對空方向，是數據采集平臺的主要應用頻段，多用于氣象衛星從遙控數據采集終端收集氣象和其他環境數據，也用于其他遙感衛星收集地球環境數據。隨著商業遙感的不斷發展，陸續有遙感衛星使用該頻段開展衛星測控，上述網絡資料中約三分之一同時申報了空間操作業務。測控業務的開展對數據采集信號的接收造成了一定的干擾，在即將召開的WRC-19大會上，將研究該頻段衛星測控信號的發射參數限值問題。

圖11 401-403 MHz衛星地球探測業務網絡組數統計

經統計，在Ka 頻段共有15個國家申報了70組包含衛星地球探測業務的網絡資料，其中英國最多，我國緊隨其后，如圖12所示。我國的資料絕大多數用于氣象衛星系統，正在逐步規劃使用中。從國際國內來看，在帶寬更大的Ka 頻段，系統使用有待普及，頻率儲備仍需開展。

圖12 Ka頻段衛星地球探測業務網絡組數統計

4.3.2.2 衛星氣象業務

經統計，全球共15個國家申報了109組包含衛星氣象業務的網絡資料，頻段占比靠前的有：包含400.15-403 MHz 頻段的約76%，包含L 頻段的約72%，包含X 頻段的約34%，包含S 頻段的約22%。

整體來看，衛星氣象業務目前主要使用X 頻段及以下的頻率，與衛星地球探測業務類似。目前美國申報量最大，我國緊隨其后，如圖13所示。

圖13 衛星氣象業務網絡組數統計

4.3.2.3 空間研究業務

經統計，全球共31個國家申報了374組包含空間研究業務的網絡資料，頻段占比靠前的有：包含S 頻段的約63%，包含X 頻段的約39%。S 頻段幾乎全部集中在2025-2110和2200-2290 MHz，X 頻段絕大部分集中在7190-7235 和8450-8500 MHz。申報情況如圖14所示。

圖14 空間研究業務網絡組數統計

可以看出，美國仍是申報量最大的國家，幾乎占據了全部資料組數的50%。我國僅申報24組，多用于中繼數據傳輸系統和探月工程。另外，我國很大一部分探測與地球特性相關的宇宙空間信息的科學衛星使用了8025-8400 MHz 而非空間研究業務的頻段來傳輸數據。

5 科學類衛星業務頻率使用存在的重點問題

相較于通信、導航等頻率資源沖突異常激烈的情況，目前大多數科學類衛星網絡資料的申報都遵循“提前公布+通知”的流程，用什么報什么、用多少報多少。如果項目進度正常，基本都能如期投入使用。同時，單純通過在相應頻段占有衛星網絡資料優先地位并不能有效達到占有資源、獲得頻率使用權益的目的，只有衛星系統真正在軌使用，結合必要的規則地位，才能使自身的用頻權益得到保護。

隨著航天事業的蓬勃發展，科學類衛星系統日漸增多，尤其是商業航天的加入，使得頻率資源也逐漸緊張起來。因此，對于科學類衛星未來的頻率使用，有如下問題需重點關注：

（1）科學類NGSO 星座系統的頻率兼容性問題。NGSO 衛星的軌道特性決定了其數據的收集、回傳不是實時的。對于傳統對地觀測衛星和空間研究衛星，觀測、研究對象往往為植被、大氣、海洋、空間射線等自然現象大尺度空間的長期變化，非實時數據用于變化情況對比是可以滿足要求的。但近年來隨著觀測目標的豐富，對觀測實時性的要求越來越高，例如森林火災監控、短時天氣預報、自然災害減災等，遙感星座的迅速發展已成為空間科學業務領域的顯著特征。

由于NGSO 系統的時變特性，單顆或少量科學衛星的數傳接收站數量有限，通常可以通過空分、時分等方式規避系統間的干擾，因此目前大多數情況下尚未出現頻率發生干擾的問題。隨著星座系統的日漸增多，其設計目標又往往是盡可能解決全時空的覆蓋率，即任何時間、目標業務區內的任何位置上都能同時可見至少一顆衛星，這種應用模式下多個系統間要實現頻率兼容工作，比之前的難度會大大增加。

這種情況下，原來統一使用的、沖突不太明顯的科學類衛星數傳、測控等用頻系統在頻率兼容性方面將面臨與以往完全不同的頻率共用環境，同時星座系統間頻率共用的干擾評估方法、干擾保護標準，以及我們慣用的遙感衛星數傳、測控頻段干擾仿真方法是否適用等，都需要深入研究才能明確。

（2）科學類GSO 衛星頻率和軌道資源的儲備與協調問題。傳統科學衛星根據探測、研究對象和任務要求采用不同的運行軌道，但大都為非地球同步軌道，在一定程度上從空間分布規避了頻率共用干擾的問題。但仍有部分需要使用地球同步軌道的遙感衛星，例如傳統的氣象衛星（例如我國的FY-2/4系列，歐洲的METEOSAT 系列）等系統。隨著各種空間業務領域應用的發展，目前GSO 科學衛星的任務也逐步增加，例如2016年6月發射的我國首顆地球同步軌道高分辨率（50米）對地觀測衛星高分四號；十三五及國家空間基礎設施規劃的高軌20米分辨率SAR 衛星等。

GSO 科學類衛星的頻率軌道資源使用方面，需要受到比NGSO 衛星系統多得多的約束條件。主要包括：在軌道位置方面，需要與同類其他衛星系統間的頻率兼容，同時還要兼顧與軌道位置鄰近的有頻率重疊的其他非同類（例如通信衛星、導航衛星、中繼衛星等）的頻率兼容；在頻率方面，需要與同類有頻率重疊的NGSO 衛星兼容，這通常是比較困難的，例如有源遙感SAR衛星高軌系統和低軌系統間干擾評估和干擾規避就是十分復雜的問題，目前并無成熟的ITU 標準。此外，根據《無線電規則》第9.6款的要求，GSO 衛星網絡資料的申報需要遵循“協調+通知”的流程，相對其他NGSO 科學類衛星網絡資料而言，協調程序的規則要求更復雜。

因此，應高度重視科學業務中使用地球同步軌道的衛星系統的頻率論證、申報、協調和維護問題。特別是針對一些涉及國家重要基礎實施、規劃的衛星項目，應從資源的規劃、管理、維護等方面提前布局。

（3）科學類NGSO 星座系統星間鏈路頻率和軌道資源的儲備與協調問題。隨著遙感數據獲取時效性、更新頻度要求的不斷提高，無法簡單通過重訪時間、掃描幅寬等單項指標的提升滿足要求時，就必須有足夠多的衛星提供足夠實時的數據，即星座系統的需求越來越凸顯。但是，星座的覆蓋能力盡管是全球的，能夠建設接收數據站的條件并不容易具備。為此，采用星間鏈路，通過中繼衛星將盡可能多的數據傳回來已成為越來越多的NGSO遙感衛星的采用方式。

根據《無線電規則》中對星間業務的頻率劃分，可選用的頻率資源十分有限，主要集中在S 頻段和Ka 頻段。

S 頻段的情況如前節所述，在我國已主要用于空間操作業務。雖然用于衛星間的數據傳輸在規則上沒有問題，在技術上也具備一定的可行性，但完成國內協調的可行性并不高。

Ka 頻段用于衛星間業務的頻率為22.55-23.55 GHz、24.45-24.75 GHz、25.25-27.5 GHz 和32.3-33 GHz 頻段，我國目前除中繼衛星和導航衛星在該頻段有網絡資料申報和實際使用外，其他科學類衛星在相應頻段都是近年才開始進行申報，應該說這種情況對未來的星座組網而言，從頻率軌道資源的準備上明顯不足。相關單位應高度重視這個問題，在不對已有中繼衛星和導航衛星造成有害干擾的情況下充分考慮這種用頻方式可能帶來的巨大發展空間。

（4）科學類衛星境外臺站頻率管理問題。此處提出的“境外臺站”包括中國衛星操作者在海外建站，也包括國外科學類衛星在中國落地，以及國際合作衛星項目等的頻率及臺站管理。

科學類衛星的運行特點決定了在其衛星覆蓋區域內都可以實現衛星的測控、數傳功能，因此客觀上不需要限制在國內建站進行測控和數傳。同時，隨著遙感星座的不斷發展，海外測控和建站也逐漸成為滿足系統功能與性能指標的重要解決方案。正是由于這種發展趨勢，對境外臺站管理的重要性日益凸顯。

6 結束語

無線電頻率資源的合理、高效利用，是科學類衛星產業發展的重要基石。本文從《無線電規則》對科學類衛星業務的定義入手，結合技術與操作特性，研究頻率使用和衛星網絡資料申報情況并展開分析，力求建立相對清晰和準確的術語應用規范，提升科學類衛星業務與無線電資源的適配性，保障科學類衛星健康有序發展。