基于頻率特征分類的衛星地球探測業務監測方法研究

劉明星，王敬燾，康國棟，錢 航，官思佳

(1.國家無線電監測中心，北京 100037；2.國家國防科技工業局重大專項工程中心，北京 100101；3.航天科工空間工程發展有限公司，北京 100101；4.北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

隨著人類航天探索能力的不斷提升,對地球和宇宙的認知水平和探測意愿也隨之提高。各類探測衛星讓人類對地球了解的廣度、深度和維度不斷擴展,隨之而來的是各類衛星工程對無線電頻譜資源需求的幾何式增長。截至2023年10月,全球已有196個國家和地區向國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)提交衛星網絡資料申請,加入空間無線電頻譜和軌道資源的爭奪中[1]。

隨著使用無線電頻率的各類臺站數量的增加,頻譜資源有限性和易污染性問題變得愈加明顯。各類嚴重干擾問題對空間探測工作的開展產生了巨大不利影響,為確保衛星地球探測業務(Earth Exploration-Satellite Service,EESS)安全有序開展,亟需對搭載該類業務的地球探測衛星的頻率使用情況開展監測方法研究。

1 EESS和頻譜監測現狀

遙感衛星是對EESS空間電臺的一般稱呼,該業務是ITU定義的42種無線電業務中的1種,也是空間無線電業務通信、定位、探測、科學和輔助分類中的1類。當前,以遙感衛星為代表的探測類空間無線電業務已成為商業航天競爭的焦點。

EESS是指地球站與一個或多個空間電臺之間的無線電通信業務,包括空間電臺之間的鏈路。在這種業務中,由地球衛星上的有源遙感器或無源遙感器獲得有關地球特性及其自然現象的資料,包括有關環境狀況的數據;從航空器或地球基地平臺收集同類資料;此種資料可分發給有關系統的地球站;可包括平臺詢問;亦可包括其作業所需的饋線鏈路[2-3]。

從定義可知,EESS可利用各類星載傳感器、探測器開展對特定區域或場景的數據采集,探測過程中可使用的技術手段多樣。隨著傳感器技術的發展,對地探測的場景會越來越豐富。截至2023年 9月,全球申報EESS網絡資料的國家有29個[1],主要國家的網絡資料申報數量統計如圖1所示。美國、法國和俄羅斯等傳統航天大國在EESS的頻率儲備方面表現積極,印度、沙特阿拉伯和巴布亞新幾內亞等新興經濟體也在積極參與EESS頻譜資源爭奪。

圖1 各國申報EESS衛星網絡資料申報情況統計Fig.1 Statistics of EESS satellite network filings

全球范圍已有40余家商業遙感運營商,大部分為美國公司。歐洲、印度和日本等地區和國家也部署了遙感星座和系統,在國防、自然資源、基礎設施、能源、環境、位置服務、災害管理、海洋和金融等領域發揮作用[4-5]。

我國已陸續發射了用于陸地探測的資源系列、高分系列和環境系列遙感衛星,用于氣象探測的風云系列衛星,以及用于海洋監測的民用遙感衛星。得益于商業航天發展,除已初具規模的吉林一號遙感星座外,還有大批商業遙感星座正在部署。目前我國遙感衛星已服務包括農業、水利、環境、氣候、應急、國土、礦產、港口和航運等多個領域[5-7]。

EESS的應用場景多樣,源于該業務的頻率特征明顯,一方面體現為頻率劃分的豐富性,另一方面體現為各類臺站頻率使用的差異性。在現有頻譜監測模式中,監測系統以監測天線的工作頻段為核心,對監測目標開展無差別監測,注重獲取頻段的整體結果和占用情況,對臺站特征參數的關注不夠,對頻率使用條件的關注不多,尤其在非靜止軌道衛星批量過境時無法高效獲取頻譜數據[8]。基于上述原因,監測結果的應用價值未能全面發揮,監測數據對提升無線電管理水平的作用未能有效體現,造成監測工作對促進頻譜資源管理高質量發展的助力不夠。本文基于EESS的頻率劃分特征和頻率使用特征,提出了一種基于頻率特征分類專門針對EESS的頻譜監測方法。

2 EESS的頻率劃分特征

EESS的頻率劃分模式與其他無線電業務相同,都是在劃分規定中以表格的方式,針對具體的頻率段展開,這其中包含直接給出的劃分結果,以及以腳注形式給出的額外規定和附加使用要求。本文中,上述2種方式分別為基本頻率劃分和附加頻率劃分。從EESS的定義和現有的無線電業務種類來看,衛星氣象業務(Meteorological-Satellite Service)是一種明確了專門用途的EESS,在文中EESS包含衛星氣象業務。本節研究EESS基本頻率劃分和附加頻率劃分特征。

2.1 基本頻率劃分

從ITU最新頻率劃分規定來看,在第三區作為主要業務劃分給衛星地球探測和衛星氣象2種業務的頻率總量高達80 GHz,作為次要業務劃分的頻率總量近5 GHz[2-3]。在不考慮附加劃分條件的情況下,EESS比作為主要的遠距離通信手段的衛星固定業務的頻率劃分總量還要多,如表1所示。

表1 EESS和衛星氣象業務的基本頻率劃分Tab.1 Basic frequency allocation on EESS and MetSS

由表1可以看出,在頻率劃分規定中除了對業務頻段地位的要求——主要劃分和次要劃分外,還有對工作模式的規定——有源和無源,以及對頻率使用方向的區分——空對地、地對空和空對空。

EESS較空間無線電業務中通信類的業務的代表——衛星固定業務(Fixed Satellite Service,FSS),多了工作模式“有源”和“無源”的維度。“有源”是指遙感衛星上搭載有源傳感器,可通過傳感器發射和接收無線電波來獲取和感知信息;“無源”是指遙感衛星上搭載的無源傳感器,通過傳感器接收大自然輻射的無線電波來獲取信息。

EESS的2種工作模式,對工作頻段的要求有很大差異,也導致監測工作將在不同頻段有不同的要求,需要在監測中充分了解各頻段基本劃分情況中的3個維度,如圖2所示。

圖2 EESS基本頻率劃分的3個維度Fig.2 Three dimensions of basic frequency allocation on EESS

2.2 附加頻率劃分

除了基本劃分外,在《無線電規則》中常用腳注對部分頻段的使用作額外的規定,這是頻率使用的補充說明——附加劃分,通過對頻段添加腳注、對業務添加腳注的方式,規定頻率的附加使用條件,如 圖3所示。

圖3 EESS附加頻率劃分示例Fig.3 Example of additional frequency allocation on EESS

有時,某一頻段內同為主要劃分地位的2種或多種業務的使用條件會有差異,即對其中部分業務的使用提出限制或要求。在研究當前無線電規則的基礎上,對EESS附加頻率劃分的55個腳注中的額外使用要求,進行了總結分類,如表2所示。

表2 EESS和衛星氣象業務的附加頻率劃分Tab.2 Additional frequency allocation on EESS and MetSS

對于EESS的附加劃分規定,大致可以分為6類:

① 劃分頻段內EESS使用場景的要求,共有 7個腳注。這些附加劃分分別規定了使用相應頻率的具體場景,如只能用于數據傳輸或只能開展有源遙感或無源遙感。

② 劃分頻段內禁止一切發射,雖然只有1個腳注——5.340,但該腳注作用的頻率為1 400 MHz～252 GHz,共21個頻段。為保證EESS無源工作場景下具有較高靈敏度的傳感器工作,需要良好的電磁環境,故要杜絕劃分頻帶內的非自然發射或輻射。

③ 劃分頻段內EESS對其他業務的保護共有36個腳注,詳細規定了劃分頻段內EESS需要保護的業務及保護的具體要求,這些受保護的業務既有地面的導航類、通信類業務,也有空間類的衛星固定等業務。

④ 劃分頻段內對EESS臺站的功率限制共有 5個腳注,規定了空間電臺和地球站運行過程中的功率限值,以功率通量密度(Power Flux-Density,PFD )的形式給出。

⑤ 劃分頻段內EESS臺站須遵守的建議書或決議共有5個腳注,規定了EESS在頻率使用中需要額外遵守的建議書或決議

⑥ 劃分頻段使用的額外要求共有1個腳注。該腳注包含三方面的內容:一是說明2個頻段EESS的使用條件——其中間頻段無法滿足帶寬的要求時才可以用;二是說明使用上述頻段需要的協調要求;三是規定上述頻段通知資料可采取參考依據。

這些隱含在腳注中的附加劃分規定,如ITU-R建議書RS.2065-0、RS.2065-0規定了合成孔徑雷達在X和Ku頻段的使用要求[9-10],RS.1260-2、 RS.2106給出不同傳感器的使用要求[11-12],ITU決議751給出Ku頻段EESS與FSS的共存準則[13],是頻率劃分和使用的額外要求,既包含對其他業務的保護要求,還涉及需要遵守的建議書、決議等內容,對頻譜監測帶來了新的困難。

3 EESS的頻率使用特征

EESS空間電臺——遙感衛星的有效載荷(星載遙感器)用于實現對地面目標的高空偵察,以獲取有關數據及相關信息。按照工作模式,遙感衛星的有效載荷可分為無源和有源2類。有源傳感器主要為主動微波儀器等類雷達設備,具有無線電發射和接收能力,如高度計、散射計、成像雷達、氣象雷達(測風、測水和測云)、激光雷達和合成孔徑雷達等,這類傳感器向偵查目標發射電磁信號,通過接收地面或目標物體的回波,反演獲得相應信息。無源傳感器主要包括被動微波儀器、光學/紅外相機和多光譜掃描儀等,此類傳感器接收(捕捉)來自于偵察目標自身輻射(發射)的電磁信號或物理特征。當遙感衛星過境時,對指定目標或區域進行感知、監控、跟蹤、拍照和記錄,將獲得的目標數據和信息通過無線電實時或延時傳輸到地面接收站或中繼衛星。

EESS不同于衛星固定、衛星廣播等通信類空間業務,其核心技術原理體現為“遙感”二字,即使用各類傳感器在不直接接觸物體的情況下,對遠距離目標進行探測識別。無線電頻率的使用場景包括:① 承載有源遙感器的有源發射功能,為無源遙感器工作在一定帶寬內提供良好的電磁條件;② 為遙感衛星的數據回傳提供通信鏈路;③ 為了解衛星運行狀態、操作衛星運行和確保衛星正常工作提供控制管理鏈路。本節結合EESS臺站分析頻率使用特征。

3.1 空間電臺頻率使用

根據憂思科學家聯盟(The Union of Concerned Scientists, UCS)數據[14],截至2023年1月1日,在軌地球探測衛星共計1 192顆,包括高軌(GEO) 47顆、中軌(MEO)2顆、低軌(LEO)1 127顆、橢圓軌道(Elliptical)16顆,其中LEO衛星占比高達95%。EESS涉及的軌道可進一步細分為地球靜止軌道、中地球軌道、極地軌道、太陽同步軌道和近地軌道等,僅風云系列衛星就使用了靜止和極地2種軌道[15]。不同衛星對地覆蓋特性因為軌道高度不同,或星載遙感器對地觀測角度不同,造成單次測量地球的表面積有很大的差異,如圖4所示。

(b)對地觀測角度不同

因探測業務開展對特定軌道和特定目標的需求,形成的遙感衛星覆蓋圖,因軌道類型各異而出現差異性,反映到地面為衛星的實時對地覆蓋圖(星下點軌跡)呈現出現各種形狀,如靜止軌道衛星的星下點為固定不變的區域,極地軌道衛星的星下點軌跡為連接2極的帶狀區域,各類非靜止軌道衛星的星下點軌跡因衛星軌道傾角的不同而與地球表面形成各種角度的帶狀區域,如圖5所示。

圖5 遙感衛星對地覆蓋區域的差異(基于軌道類型)Fig.5 Differences on coverage areas of EESS satellites(by classification of orbit)

EESS空間電臺的軌道多樣,還存在諸如文 獻[16-17]描述的軌道機動和變軌等特殊探測需求,加上頻率劃分多樣,形成了不同場景,帶來業務頻率的下行覆蓋方式多樣。因此,在軌道和覆蓋多樣的情況下,同一頻段可能出現的場景數量為:軌道類別×天線波束角×軌道高度×軌道傾角×有源(無源),再加上頻段劃分的多樣性,在監測中呈現的頻率使用場景將不計其數,監測天線的運動方式和監測參數的設置也會千差萬別。

3.2 地球站頻率使用

作為EESS輔助用頻的測控和數傳鏈路,有如下幾種模式:① S頻段測控,X頻段數傳;② S頻段測控,Ka頻段數傳;③ S頻段測控,X頻段數傳,Ka頻段作為中繼。從頻率使用帶寬來看,S頻段帶寬小于X和Ka頻段。整體來看,測控用頻頻帶較窄,數傳用頻帶寬較大。

因測控鏈路和數傳鏈路工作原理和通信模式不同,二者的帶寬需求有較大差異。測控過程中需要更大的對空空間,以便地面運控中心能長時間控制衛星。而向地面傳輸數據,希望傳輸信息更多,因此需要更穩定的通信條件。二者的單次通信因需求不同,通信的時段有較大差異,如圖6所示。

圖6 測控和數傳通信時長差異示意Fig.6 Time difference on TT&C and data transmission link

測控地球站除上行覆蓋范圍與數傳地球站有較大的差異以外,二者在通信過程中的功率也有較大差異,一般前者的功率較小。在實際工程中,遙感衛星的星載天線還會有形制的差異。若選擇全向天線,在軌道高度700 km時,對地覆蓋半徑可達2 900 km;若選擇星載相控陣天線,在典型波束角20°時,覆蓋半徑僅為200 km。不同遙感衛星的波束覆蓋差異會對監測天線的跟蹤參數設置產生影響,甚至會因參數設置不合理引起跟蹤時間變長,導致在監測任務編排中出現監測資源浪費的情況。

4 EESS的頻譜監測方法

頻譜監測是無線電頻譜資源管理過程中最重要的技術手段,能夠及時了解頻譜資源當前狀態、使用效能,可以準確驗證無線電臺站工作參數的合規性,為頻譜工程和資源規劃提供翔實可靠的參考數據。有效的監測手段、可靠的監測方法和準確的監測數據是提高無線電頻譜資源價值的重要途徑。

通過與現有的監測系統對比,結合頻率劃分和頻率使用的研究,對EESS開展監測,需要充分掌握業務的頻率特征,在監測中注重業務的頻率劃分規定和具體使用要求,重點關注臺站的用頻特點,在掌握詳細頻率特征的條件下開展監測。

4.1 EESS的頻譜監測需求

4.1.1 針對頻率劃分的頻譜監測需求

從2.1節可知,EESS的基本頻率劃分體現為:頻段地位,當前頻段的劃分中EESS是主要業務還是次要業務;工作模式,為實現探測目的搭載的衛星載荷是有源還是無源;使用方向,即頻率使用中是從地面向空間發射,還是空間向地面發射,亦或空間向空間發射,又或者當前頻段不限制頻率使用的方向。基本頻率劃分,在《無線電規則》對頻段劃分的表格中,能夠直接獲取。

從2.2節可知,附加頻率劃分共有6類情況, 表2中第1類～第4類的要求,在每個具體的腳注中都有詳細的規定和說明;對于第5類附加劃分的要求,不在腳注的內容中直接體現,需要進一步查看相應的建議書和決議;對于最后1類附加劃分的要求,對該頻段開展監測是為了確認頻率使用的合規性,以及頻譜中展現出的臺站射頻特征的合法性,需要結合具體的臺站參數來驗證。

綜合以上分析,可以確認基本頻率劃分和附加頻率劃分的監測需求,應該區分不同的無線電業務場景,針對不同的業務頻段,體現具體劃分中各類規定和要求。對應到衛星監測系統中,需要將涉及EESS的劃分規定詳細、準確地體現出來,并能夠展示出當前監測頻段的腳注信息,還需要在監測時將附加劃分中需要遵守的建議書和決議的具體內容要求展示出來,必要時能夠體現該頻段內業務和臺站的所有詳細參數。

4.1.2 針對頻率使用的頻譜監測需求

對EESS電臺工作模式的研究可知,因劃分規定的多樣性,以及對地探測需求和實現方法的多樣性,帶來頻率使用場景的豐富性,需要在監測系統中以頻段為單位,并能夠區分每個頻段的具體用途,還要能夠將用途與其網絡資料中的申報內容、主管部門的批復結果相匹配。

對空間電臺和地球站頻率使用的研究可知,頻率使用場景建立在真實的無線電臺站上,開展監測需要對被監測臺站的基礎信息、運行信息、探測目的、實現手段、用頻情況、探測目標和軌道特征等技術參數有全面清晰的了解。此外,因測控鏈路和數傳鏈路的工作特點,需要掌握地球站的分布位置、通信時間和上行波束特點,還要了解2類地球站的工作狀態信息。

因無線電頻率對所有使用者的無差異性以及其稀缺性,導致在無線電頻率的使用過程中,必然會出現干擾,對于干擾的發現和確認是無線電監測工作的重要環節。EESS的頻率劃分多樣,導致其頻率使用情況復雜,因此干擾的問題需要專門考慮。

干擾監測可分為兩部分:發現干擾和確認處理干擾。發現干擾的前提是對當前系統的頻率使用狀況、頻譜特征有清晰準確的了解;確認處理干擾要求監測過程中能快速獲取干擾特征、評估影響和快速確認干擾來源。頻率使用過程中的無線電干擾監測需求如圖7所示。

圖7 無線電干擾監測需求Fig.7 Monitoring requirement of radio interference

根據以上分析可知,干擾監測的需求為:能夠與正常的信號相區分,并且能夠依據無線電規則和ITU-R RS.1028和ITU-R RS.1029等建議書中給出的干擾保護標準[18-19],評估干擾程度;對于確認后的無線電干擾,尋找干擾來源還要借助外部工具。

綜合以上研究分析,EESS的頻譜監測需求如 表3所示。

4.2 基于頻率特征分類的EESS監測方法

基于頻率特征分類的EESS監測方法,將針對EESS的具體系統開展頻譜監測工作,對系統的不同頻率特征開展差異化監測。本監測方法中包含平臺、天線等軟硬件設施,還包括臺站、許可和申報協調等關聯數據,以及規則、條款、規定、建議書和決議等相關文件。可概括為設備、規則和數據三方面的要求,以及為減少人工干預而產生的時間一致性和任務自動化的運行要求,如圖8所示。

圖8 基于頻率特征分類的EESS監測需求和內容Fig.8 Monitoring requirement on EESS by classification of frequency characteristic

為實現上述基于頻率特征分類的EESS監測方法,設計如圖9所示的EESS監測平臺技術參考模型。

模型共5層,從下到上分別為設備層、基礎層、數據層、規則層和操作展示層。可按照頂層、中間層、底層進行分類,其中頂層為操作展示層,底層為基礎和設備層,兩部分是傳統監測系統中的必要模塊。模型的中間層——數據層和規則層,是基于本文的成果——基于頻率特征分類的EESS監測方法的具體需求,在未來監測系統的建設部署中,需要重點考慮和實現的內容,是區別于以往監測方法的新增內容。

圖9 EESS監測平臺技術參考模型Fig.9 Technical model of the monitoring platform for EESS monitoring

5 結束語

在研究EESS基本頻率劃分和附加頻率劃分的基礎上,歸納總結該業務特有的頻率劃分特點,結合空間電臺和地球站,對其工作模式和頻率使用特征開展了研究。在融合頻率劃分和頻率使用的監測需求后,提出基于頻率特征分類的EESS監測方法,并建立了技術參考模型。該模型能夠為監測方法的實施提供參考,為面向業務和系統的監測模式提供有效借鑒。

隨著無線電頻譜資源需求的不斷增加,未來的頻率劃分和使用會愈加復雜,衛星頻譜監測需要注意頻率在不同場景下劃分和使用的區別,需要針對不同對象開展有差別的監測。基于頻率特征分類的EESS監測方法,能夠面向具體的無線電業務,針對現實中某個具體的衛星系統開展有效監測,能夠為今后通信、導航和遙感一體化巨型星座背景下的頻譜監測理念和現有監測系統改進提供思路。囿于文章篇幅,該監測方法在當前監測系統中的實現路徑還需要進一步研究。