全空域太空目標電磁環境探測與監視的需求分析

黃宇民，李 帥，李 明，吳曉丹

（1.錢學森空間技術實驗室，北京100094；2.中國空間技術研究院通導部，北京100094；3.中央財經大學，北京100081）

0 引言

隨著社會信息化的不斷發展，無線電通信在政治、經濟、軍事、社會發展中發揮著越來越重要的作用，人類社會對電磁頻譜的需求和應用急劇增加。作為無線電通信的基礎，電磁頻譜及其管理是電子系統發揮最大效能的關鍵和信息暢通的重要保證。自無線電通信投入使用，相關的國際組織和各國普遍予以高度重視，都把電磁頻譜管理作為信息化建設的重頭戲，通過積極建立相應的法規標準機制，嚴格管控電磁頻譜資源。

無線電頻率資源作為太空業務領域發展的重要戰略性自然資源，與石油、礦產等資源一樣，屬于極度稀缺且不可再生的自然資源。同時，頻率與其他自然資源相比還有其自身特有的屬性，主要包括國際性、共享性、稀缺性、超前性。

隨著人類開始進入太空時代，太空目標的電磁信號是目前最重要、甚至是唯一可有效使用的信息傳遞載體和媒介。隨著空間技術的發展，越來越多的衛星投入在軌應用，太空成為社會信息化發展的新領域。同時，隨著商業航天的迅猛發展，越來越多的航天器進入太空，太空正變得越來越擁擠，空間電磁頻譜這一具有關鍵戰略價值的“有限自然資源”的供需矛盾日益凸顯，而各國在太空領域的競爭日趨激烈，以電磁頻譜為代表的空間自然資源的爭奪也更加激烈。因此，太空電磁頻譜管理成為日趨突出又十分重要而緊迫的問題，而全空域太空目標電磁特性探測與監視是實現太空電磁頻譜管理的前提和依據。

1 概念探討

1.1 全空域

空域是指按照一定規章劃設的有明確范圍的空間。空域有2種情況：一種是從指定的地面（水面）范圍向上垂直延伸的空間；另一種是空中有一定范圍的空間[1]。

“全空域”的廣義概念是指從地球表面（包括地面、水面）直接向上延伸直到宇宙深空的所有空間。而本文所描述的“全空域”是狹義上的概念，是指從地球表面（包括地面、水面）直接向上延伸直到36 000 km高度的空間。

1.2 太空目標

太空目標（space target）亦稱空間目標，在《軍語》中是指監測、打擊和反衛的飛行中的空間飛行器。而在《國防科技名詞大典》（航天卷）中是指太空中對己方具有軍事威脅或潛在軍事威脅的空間物體[2]。本文是指在太空中正常運行的空間飛行器。

1.3 電磁環境

電磁環境是指在一定的空間內所有的電磁輻射形成的環境，分為人為電磁環境和自然電磁環境。在本文中是指人為電磁環境。

1.4 電磁環境探測與監視

電磁環境探測與監視是指對各類目標輻射無線電信號的空域集，即“全空域”進行電磁信號的接收、頻譜測量、重點頻段信號活動監視、通聯規律長期跟蹤等行為。

1.5 全空域太空目標電磁環境探測與監視

全空域太空目標電磁環境探測與監視是指對與空間飛行器相互聯系的電磁信號（包括測控信號、通信中繼信號、導航信號、數傳信號、星間鏈路信號以及惡意的干擾信號等各類輻射信號等）所形成的復雜人為空間電磁環境的探測與監視。

2 目前太空頻譜管理的平臺與規制

2.1 國際電信聯盟是分派衛星頻率的協調平臺

由于衛星頻率資源是國際性資源，所以，衛星業務也就是一種國際性業務，使用衛星頻率資源必須遵守《無線電規則》的頻率劃分規定而規范使用。目前，全球衛星頻率資源的管理由國際電信聯盟（ITU）承擔。國際電信聯盟是衛星頻率的分配和協調平臺[3]。隨著電信技術發展，各國對國際頻譜的需求日益增加，因此需密切關注國際電信聯盟有關空間頻率軌道資源分派的規則和工作。

《無線電規則》依據各區域的業務發展和經濟情況，將世界分為美洲、歐洲、亞洲三個區域，分別稱為第一區、第二區和第三區。三個區域內的頻率劃分略有區別，但大體上是一致的。各個國家的頻率劃分，除個別被國際無線電頻率劃分表腳注條款認可以及國內地面業務自主產業應用外，一般與國際劃分也是一致的。根據《無線電規則》的頻率劃分，太空業務中的頻率劃分最低可達到2 501 kHz的太空研究業務，最高可達到3 000 GHz的衛星地球探測業務和空間研究業務，在這個范圍內，劃分的空間業務涉及衛星移動業務、衛星固定業務、衛星廣播業務、空間研究業務、空間操作業務、衛星氣象業務、衛星地球探測業務及衛星無線電導航業務等[4]。

2.2 國際電信聯盟的發展歷程和主要職能

國際電信聯盟是負責通訊信息技術事務的聯合國專門機構，是聯合國專門機構中歷史最長的國際組織。1865年，20個國家在巴黎簽訂了《國際電報公約》，并在巴黎成立了國際電報聯盟。1906年，27個國家在柏林簽訂了《國際無線電報公約》。1932年，70多個國家的代表在馬德里開會，決定把上述2個公約合并為《國際電信公約》，并將國際電報聯盟改名為國際電信聯盟。1947年，國際電信聯盟成為聯合國專門機構，總部設在日內瓦，有193個成員國和700多個部門成員及準部門成員。1920年，中國加入國際電報聯盟。1972年，國際電信聯盟理事會承認中華人民共和國的合法席位。

國際電信聯盟的最高權力機構是全權代表大會，每4年開會一次。原有的四個常設機構是秘書處、國際電報電話咨詢委員會、國際無線電咨詢委員會和國際頻率登記委員會。1992年國際電信聯盟全權代表大會決定對后三個機構進行改組，分為無線電通信部門、電信標準部門和電信發展部門。

2.3 國際電信聯盟有關法律文件

關于頻率軌道資源分配的規則主要有：

1）《國際電信聯盟組織法》第11條和第12條規定，無線電頻率的頻段劃分、無線電頻率的分配和指配登記，地球軌道和其它軌道中衛星登記，以避免不同國家之間無線電臺之間的有害干擾，同時協調以消除不同國家無線電臺之間的有害干擾，改進無線電通信業務中無線電頻譜的利用，改進對地球軌道和其它軌道的利用。

2）《國際電信聯盟公約》第172條規定，無線電通信部門負責按照《無線電規則》，紀錄和登記頻率指配和軌道特性，更新國際頻率登記總表，在有關主管部門同意下，修改或刪除不能反映實際頻率適用情況的登記條目。

3）世界無線電通信大會制定和修改的《無線電規則》，確立了國際信息通信交往的國際法規則。詳細規定了空間頻率軌道資源分配的規則和協調程序。1988年和2012年2個版本已經不能滿足互聯網時代國際信息通信發展的需求，2014年國際電信聯盟全權代表大會通過決議，決定審議修訂《無線電規則》，并成了專家工作組。

4）世界無線電通信大會通過的決議和建議，雖不具有法律約束力，但經由各國代表討論和投票表決，有一定的影響力，也是對上述文件的解釋。

2.4 太空頻率的分配與協調制度

國際電信聯盟對頻段的劃分、頻率的分配和指配規定了不同的含義。頻段的劃分對象是具體業務的頻率，頻道的分配對象是某一國家或地區所能使用的頻率。射頻或無線電頻道的指配是將無線電頻率或頻道批準給某個通話在特定條件下使用的過程。

空間頻率軌道資源分派方式有2種。第一種是后驗，主要用于Ka頻段和衛星廣播業務方面頻率軌道資源的分配。后驗是指根據國際電信聯盟頻率協調程序進行的衛星網絡或衛星資料的提前公布、協調、頻率指派的通知和登記的程序進行分派，實際上是一種先到先得的分配方式。只要按照《無線電規則》規定的協調程序進行了協調，并最終在頻率登記總表進行了頻率指配的登記，該頻率的使用權就得到了國際認可。第二種是先驗，有計劃地將頻率軌道位置分配給若干國家，不論是否有實際需求或能力利用這些軌道。這是根據20世紀80年代2次空間世界無線電通信行政大會確定的原則，每個成員國獲得名義上的地球靜止軌道位置以及與每個國家地理邊界大致對應的服務區域。先驗分配的形式意義大于實質意義，如果需要利用這些頻率軌道位置，仍舊需要走協調程序。換言之，后驗的分配方式實踐價值更顯著，這是由于衛星常用的C頻段和Ku頻段都必須根據先驗程序協調分配，其次大國強國認為先到先得的先驗方式更為合理，能提升頻率軌道資源的利用率。這2種模式平衡了發達國家和發展中國家的需求，是在公平地獲得以及合理、有效和經濟地利用之間做的妥協。

3 目前太空頻率資源的爭奪日趨激烈

3.1 地球靜止軌道（GEO）軌位、頻率資源基本飽和

地球靜止軌道是傾角為0的圓形地球同步軌道，被稱為黃金軌道，它是一條特殊的地球同步軌道，在地球靜止軌道上的衛星運行方向與地球自轉方向一致，繞地球運行一周的時間和地球自轉周期相同，在這種軌道上運行的衛星其星下點軌跡是赤道上的一點，在地面上的人看來是靜止不動的，所以稱為地球靜止衛星，高度為35 786（一般稱36 000）km。

公開資料顯示，截至2018年12月，全球共有公開記錄的地球靜止軌道上運行的衛星565顆，其中在軌衛星371顆；計劃發射衛星35顆；已退役衛星67顆。并且每年各國向國際新申報的衛星網絡資料數量已達到每年數千份，并呈現持續增長態勢。而在亞太地區上空，在東經110°軌道位置上甚至有6顆衛星共軌運行，靜止衛星軌道位置已幾乎被全部占滿。申報Ka頻段的GEO衛星基本遍布全球，軌道最為擁擠，以東經10°到東經20°弧段為例，目前已申報有多達138份衛星網絡資料；隨著衛星業務需求的增長，常規C和Ku頻段資源已幾乎瓜分殆盡，Ku頻段的軌道分布也呈現出較為飽和的狀態，東經30°到東經40°弧段已申報有119份衛星網絡[5]。據預測，按照目前的增加速度，30年后可用軌位將耗盡，GEO軌道將無新的軌位資源可用。

3.2 非地球靜止軌道（NGEO）衛星軌道、頻率資源正被掠奪式搶占

截至2020年1月，國際電聯處共申報有225份NGEO寬帶星座衛星網絡資料，所涉及的衛星總數多達215 531顆。

從所申報的頻段來看，更高頻段的寬帶衛星星座已逐漸成為發展趨勢，Ka頻段是各國主管部門最為青睞的主用業務頻段，衛星網絡申報數量位居第一，V頻段的申報數量緊隨其后[6]。NGEO寬帶通信衛星網絡申報情況如圖1所示。

圖1 NGEO寬帶通信衛星網絡申報情況統計

4 全空域太空目標電磁環境探測與監視的需求

4.1 發展的意義

太空目標的電磁特性是其正常開展工作必不可少的外部特性之一，也是其外部特性的重要描述，可以通過其電磁特性的探測與監視實現對太空目標的實時監測。因此，發展全空域太空目標電磁環境探測與監視能力具有如下意義：

1）可以實時掌握全空域電磁環境的頻譜態勢，為實現太空電磁頻譜的管理、太空交通治理法規制定提供頻譜大數據支撐；

2）通過連續探測與監視太空重要目標電磁信號，可以掌握其信號特征、活動規律，為國家安全、軍事斗爭準備和非軍事斗爭行動提供太空情報保障；

3）通過嚴密監視陸、海、空、天戰場電磁頻譜動態，為戰場實時態勢感知提供大范圍、全天時的情報保障；

4）可以實現對太空目標高精度連續跟蹤監視，為快速發現和應對敵電磁靜默狀態提供預警情報保障，為其他武器平臺精確打擊提供電磁特征、目標指示等情報。

4.2 全空域太空目標電磁環境特性

以美國的主要裝備為例，對全空域太空目標電磁環境所涉及的主要目標的頻譜特性作梳理和歸類。

依據空間飛行器的運行軌道高度，可以把其分為低軌道（LEO）、中高軌道（MEO）、GEO等。低軌道的軌道高度一般小于1 600 km。中高軌道高度一般在5 000 km以上，25 000 km以下。低軌道和中高軌道空間飛行器的主要模式類同，將其歸于一類。GEO軌道空間飛行器為另外一類。

4.2.1 低軌道和中高軌道太空目標電磁特性

低軌道和中高軌道太空目標電磁特性按照電磁信號類型劃分，包括測控鏈路、數傳鏈路、星間鏈路、上下行通信鏈路、廣播鏈路、主動探測信號鏈路等[7]，如圖2所示。

圖2 中低軌太空目標電磁信號類型示意圖

中低軌太空目標的星地鏈路由于受大氣層衰減影響，只能選擇利用一些特定的頻率窗口，主要分布在UHF、L、S、C和X等頻段。星間鏈路為提高通信容量，傳輸鏈路逐漸向高頻方向發展，目前頻率分布已覆蓋Ku和Ka頻段。

4.2.2 GEO軌道太空目標電磁特性

GEO軌道太空目標電磁特性也可以按照圖2劃分為測控鏈路、數傳鏈路、星間鏈路、上下行通信鏈路、廣播鏈路、主動信號鏈路（目前沒有，未來發展）等。其中，廣播鏈路為廣播衛星，星間鏈路為通信衛星。衛星信號頻段從UHF頻段一直到EHF頻段，甚至星間鏈路V頻段（60 GHz）、激光等[8]。

4.2.3 陸海空目標電磁特性

1）陸地目標中，高、低軌衛星地面關口站、終端站工作頻段主要集中在UHF/L/S/C/X/Ku/Ka/EHF頻段；低軌衛星關口站主要工作在Ka頻段。

2）海洋目標中，主要作戰艦船中搭載的衛星通信終端工作頻段在UHF/L/X/C/Ku/Ka/EHF。涉及與WGS、AEHF、UFO、Intelsat、銥星等衛星的通信。

3）空中目標中，有人機搭載的通信終端主要工作在UHF頻段；無人機搭載的通信終端主要工作在UHF/L/S/X/C/Ku/Ka頻段[9]。涉及與UFO、Intelsat，PANAMSAT、INMARSAT、WGS等 衛 星 的通信。

4.3 主要任務需求

太空目標的電磁環境探測與監視是發現太空目標的重要途徑之一，是獲取目標屬性的重要手段，是綜合目標判證的重要組成，是情報偵察的重要保證。

對太空目標進行電磁信號偵察監視的任務體現在三方面：

1）工作狀態判定：在先驗信息（地基監視系統、天基光學偵察載荷）的引導下，對指定空域的目標進行信號監測，實現目標信號的發現及目標工作狀態的判定；

2）電磁頻譜分析：對已檢測發現的信號進行參數測量，得到載荷的工作頻段、調制方式等信息，獲取目標的電磁頻譜特性，與光學載荷一起對目標任務屬性進行初判；

3）情報信息偵察：對已捕獲目標信號進行采樣、存儲，轉發地面實現信號解調，獲得目標測控信號、下行通信信號的情報信息，特別是與任務密切相關下行數傳信息，與光學載荷一起準確判別目標的任務屬性，獲取情報。

4.4 主要能力需求

針對上述全空域太空目標電磁環境探測與監視的任務，梳理提出了全空域太空目標電磁環境探測與監視的能力需求，主要包括：

1）全空域實時電磁頻譜感知

通過低軌星座/高軌星座，實現全空域的時、空、頻域的持續覆蓋，構建電磁空間知識圖譜，將全空域電磁態勢實時數據與歷史數據結合進行處理，實現頻譜管理、干擾檢測，掌握電磁空間安全、實現頻譜資源高效利用。

2）全空域新增目標測控信號跟蹤

接收空間衛星電磁信號，以獲得新入軌衛星位置、動向等重要信息，可以檢測遠離國境的衛星，實現全球衛星安全監控、可疑衛星識別等應用。

3）全球發射行動跟蹤

接收火箭測控信號，獲取運載火箭位置、高度、航速、航向等信息，實現對精確的航天交通實時管控。

4）基于多手段、多源、多重信息的融合處理

對多源信息進行分析、關聯和組合，得到精確狀態預測和及時完整的態勢、威脅感知，從而實現對空間中所有物體位置及其運行軌跡的高精度監測與跟蹤，實現溯源類信息和綜合認知類信息挖掘。

5）全空域頻譜監測與智能調度

基于用頻規律和衛星平臺電磁監測系統資源調度規則，實現軌道空間環境電磁環境頻譜普查、信號普查、干擾源定位、重點信號定位等處理，在海量的航天器和有限的測控資源場景下，基于人工智能技術，采用合理的規則和智能優化方法對各種類型的航天器的大量用頻任務進行合理的資源分配，規避已有的及預測中的頻譜干擾，使全局任務的頻譜利用收益最大化。

5 結束語

隨著全球太空資源開發熱潮的進一步高漲和低軌巨型星座的突飛猛進式的發展，對軌道空間的頻譜資源的利用與掠奪的競爭已進入白熱化狀態，使各空間軌道電磁頻譜使用顯得異常擁擠，甚至會造成相互之間的電磁干擾，嚴重影響衛星的正常工作。因此，亟需開展對全空域太空目標電磁環境探測與監視系統的研究，為太空的可持續發展提供有價值的電磁環境管理支撐。