1668～1675 MHz 衛(wèi)星移動系統(tǒng)與無線電探空系統(tǒng)間的共存研究*

楊 淼，潘 冀，曾昱祺，李 偉

(國家無線電監(jiān)測中心，北京100037)

1 引 言

2003年，世界無線電大會在1518～1525 MHz/1668～1675 MHz頻段增加了衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)(Mobile Satellite Service，MSS)為主要業(yè)務(wù)的劃分。由于我國在1668～1675 MHz頻段部署了衛(wèi)星氣象和氣象輔助業(yè)務(wù)，最終在《無線電規(guī)則》中以5.379E 腳注的形式來進行保護，而沒有進行詳細的兼容共存分析。而在《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》中將上述兩個頻段的衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)作為次要業(yè)務(wù)在中國內(nèi)地地區(qū)進行了劃分［1－2］。

隨著世界上各國空間業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，國際衛(wèi)星頻率及空間軌位資源競爭加劇，我國能確保優(yōu)先地位并且適合建立全球性移動通信系統(tǒng)的頻率少之又少，而我國還沒有自建的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，在海上應(yīng)用、災(zāi)難應(yīng)急、野外勘探等領(lǐng)域，只能過度依賴國外的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。因此，研究在新劃分的衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的L 頻段引入我國自主的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)十分重要［3］。

在我國內(nèi)地地區(qū)的1668～1675 MHz 頻段中，除了衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)(地對空)為次要業(yè)務(wù)之外，固定業(yè)務(wù)、移動業(yè)務(wù)、衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)(空對地)、氣象輔助業(yè)務(wù)、空間研究和射電天文業(yè)務(wù)均為主要業(yè)務(wù)，其中存在實際系統(tǒng)的主要是衛(wèi)星氣象和氣象輔助業(yè)務(wù)。

我國依據(jù)國際衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)使用趨勢，基本已將衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)移至1683～1700 MHz高頻段中使用，而在1683～1700 MHz頻段衛(wèi)星氣象與衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的共存研究早在2003年世界無線電大會上就給出了不同環(huán)境下對衛(wèi)星氣象地球站的隔離距離［4－7］。文獻［4－5］研究了衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)與射電天文業(yè)務(wù)的共存情況，在1660～1670 MHz頻段中，衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)電臺需與射電天文業(yè)務(wù)電臺保持20～58 km 的隔離距離。文獻［6］對1668. 4～1675 MHz移動業(yè)務(wù)與衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)(地對空)的共存進行了研究，對于該頻段內(nèi)的可搬移式無線電接力系統(tǒng)對對地靜止軌道方向的等效全向輻射功率(EIRP)不得超過－27 dBW/4 kHz。文獻［7］對1～3 GHz內(nèi)衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)與固定業(yè)務(wù)進行過前瞻性的研究，并得出使用L 頻段通用技術(shù)可實現(xiàn)兩種業(yè)務(wù)共存。文獻［1］9.11A 款給出了移動地球站和空間研究(無源)電臺在1668～1668.4 MHz頻段的協(xié)調(diào)程序。

雖然上述文獻圍繞1668～1675 MHz頻段衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)之間的共存進行了研究，但在該頻段針對衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)與我國主要的氣象輔助業(yè)務(wù)無線電探空儀系統(tǒng)之間的共存，在國內(nèi)外仍未見文獻報道。因此，本文針對1668～1675 MHz頻段的衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)與我國氣象輔助業(yè)務(wù)的無線電探空儀系統(tǒng)進行共存研究，以期為我國無線電管理部門對該頻段的規(guī)劃提供理論支撐。

2 主要的無線電系統(tǒng)

2.1 無線電探空儀系統(tǒng)

目前，我國在1668.4～1683 MHz頻段的氣象輔助業(yè)務(wù)主要為無線電探空儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用二次測風(fēng)雷達(GFE(L)1 型)與無線電探空儀(GTS1型)配合工作［9］。工作原理為:探空儀通過地面基值測定后由氣球攜帶升空，雷達不斷發(fā)出詢問脈沖信號，隨時根據(jù)探空儀的頻率變化改變自身的接收和發(fā)射頻率，自動跟蹤探空儀。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的不同，適于無線電探空儀接收的最大范圍為200～350 km。無線電探空儀升空速度約為5 m/s，其軌道取決于當(dāng)時的風(fēng)力條件。在測量的末段時，無線電探空儀系統(tǒng)通信鏈路最差，這是因為當(dāng)無線電探空儀處于距地最高點時探空儀與二次測風(fēng)雷達之間的傾距最大［8］。本文共存研究采用的二次測風(fēng)雷達和無線電探空儀的參數(shù)如表1和表2所示。

表1 我國二次測風(fēng)雷達參數(shù)(GFE(L)1 型)Table 1 Parameters of the secondary wind－finding radar in China(GFE(L)1)

表2 我國無線電探空儀性能參數(shù)(GTS1 型)Table 2 Parameters of radiosonde in China(GTS1)

2.2 衛(wèi)星移動系統(tǒng)

目前存在的衛(wèi)星移動系統(tǒng)主要包括國際移動衛(wèi)星系統(tǒng)Inmarsat、亞洲蜂窩衛(wèi)星系統(tǒng)、Thuraya 系統(tǒng)等對地靜止軌道(GeoStationary Orbit，GSO)衛(wèi)星系統(tǒng)和銥星系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)、Orbcomm 系統(tǒng)等非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。中國尚無自建的商用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，現(xiàn)使用的都是外商建設(shè)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，因此本文結(jié)合國際電信聯(lián)盟建議書中給出的幾種L 頻段典型衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)參數(shù)(見表3和表4)進行兼容性研究［6，10］。

表3 L 頻段GSO 衛(wèi)星空間電臺典型參數(shù)Table 3 Parameters of GSO satellite space station in L band

表4 L 頻段衛(wèi)星移動系統(tǒng)終端參數(shù)Table 4 Parameters of mobile satellite terminal in L band

3 潛在干擾分析

衛(wèi)星移動系統(tǒng)在1668～1675 MHz 頻段為地對空頻段，即衛(wèi)星上行鏈路，而無線電探空儀系統(tǒng)在該頻段是雙向通信，即二次測風(fēng)雷達和無線電探空儀都要收發(fā)信息。因此，干擾鏈路主要集中在:衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達接收的干擾;衛(wèi)星移動終端對探空氣球的干擾;二次測風(fēng)雷達發(fā)射對衛(wèi)星的干擾;探空氣球發(fā)射對衛(wèi)星的干擾。由于二次測風(fēng)雷達的等效全向輻射功率要遠遠高于無線電探空儀的等效全向輻射功率，以及二次測風(fēng)雷達接收信號的強度要低于無線電探空儀的接收信號強度，因此主要分析二次測風(fēng)雷達發(fā)射對衛(wèi)星的干擾和衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達接收的干擾這兩個干擾鏈路，如圖1所示。

圖1 潛在干擾分析示意圖Fig.1 Sketch map for potential interference analysis

根據(jù)ITU－R P 系列建議書，對于雷達到衛(wèi)星的干擾路徑，選擇自由空間傳播模型進行計算;對于衛(wèi)星移動終端到雷達的傳播路徑，選擇繞射傳播模型進行分析計算［11－12］。

如何讓旅游紀(jì)念品走出同質(zhì)化怪圈？各景區(qū)要舍得投入人力財力，挖掘地域特色文化，搞旅游商品研發(fā)，打造離開本景區(qū)就買不到的特色紀(jì)念品。各地相關(guān)部門應(yīng)針對地區(qū)文化挖掘、研發(fā)文創(chuàng)產(chǎn)品，加大人才培養(yǎng)力度。文化、版權(quán)保護等部門應(yīng)注重旅游紀(jì)念品的知識產(chǎn)權(quán)保護，知識產(chǎn)權(quán)保護不到位，會影響旅游紀(jì)念品研發(fā)的積極性，也會拖累文創(chuàng)市場的發(fā)展。

對衛(wèi)星的保護標(biāo)準(zhǔn)采用建議書ITU－R M.1799中給出的“長期”共用標(biāo)準(zhǔn)，即ΔT/T =6%或I/N =－12 dB。對氣象輔助業(yè)務(wù)地面接收的保護標(biāo)準(zhǔn)采用建 議 書ITU－ R RS. 1263－ 1 《在400. 15～406 MHz和1668.4～1700 MHz頻段工作的氣象輔助業(yè)務(wù)的干擾標(biāo)準(zhǔn)》進行計算［13］。

4 算法與仿真分析

4.1 衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達的干擾

4.1.1 算法描述

單個衛(wèi)星移動終端在二次測風(fēng)雷達接收站處產(chǎn)生的干擾功率如下:

式中，I 是衛(wèi)星移動終端在雷達接收處產(chǎn)生的干擾功率(dBm);EIRP 是衛(wèi)星移動終端的等效全向輻射功率(dBm)，這里假定沒有功率控制;Gr是雷達接收天線在衛(wèi)星移動終端發(fā)射方向上的增益(dBi);Lp是衛(wèi)星移動終端到雷達的路徑損耗(dB)。

多個衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達的總干擾為

式中，It是雷達接收到的總干擾功率(dBm);Ii是第i 個衛(wèi)星移動終端在雷達接收站處產(chǎn)生的干擾功率(mW);需要注意的是，這里的干擾功率需要換算成以mW 為單位的數(shù)值。

根據(jù)以上公式，按下述流程對保護距離進行計算:

(1)設(shè)定求解保護距離的初值d=dmax－dstep;

(3)對步驟2 的過程重復(fù)1000 次，并統(tǒng)計總干擾功率PI大于門限I 的概率;

(4)若干擾概率大于20%，則d－dstep即為所求的保護距離;若干擾概率小于20%，則d =d－dstep，接著跳轉(zhuǎn)到步驟2 執(zhí)行下一次循環(huán)。

圖2 算法流程圖Fig.2 Flow chart of algorithm

4.1.2 仿真場景及結(jié)果

假設(shè)在二次測風(fēng)雷達為中心的圓形區(qū)域內(nèi)考慮無線電探空儀的工作范圍，設(shè)定半徑為250 km，衛(wèi)星終端在此區(qū)域內(nèi)隨機分布，同時隨機生成干擾鏈路，如圖3所示。采用Monte Carlo 仿真方法，將整個仿真過程采樣為若干個時刻，在每個時刻假定路徑損耗和發(fā)射功率都保持不變，計算所有時刻的總干擾，用統(tǒng)計方法加以分析，最終得到衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達的保護距離［14］。這里采用ITU－R RS.1263 中給出的長時保護準(zhǔn)則進行計算，即認(rèn)為有20%的統(tǒng)計概率的情況下的總干擾功率小于門限－155.2 dBW/Hz時，認(rèn)為衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達接收站不構(gòu)成有害干擾。

圖3 衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達干擾場景Fig.3 The scene of interference from mobile satellite terminal to radar

對不同密度的衛(wèi)星移動終端分布分別統(tǒng)計1000 次隨機分布的情況下的總干擾。根據(jù)建議書ITU－R M.1316，衛(wèi)星移動終端到二次測風(fēng)雷達的傳播模型選擇ITU－R P.526 給出的繞射模型，雷達天線高度為10 m，衛(wèi)星移動終端高度為1.5 m，仿真結(jié)果如圖4～7所示。

圖4 對二次測風(fēng)雷達的保護距離隨衛(wèi)星移動終端(類型A)密度變化曲線Fig.4 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type A)

圖5 對二次測風(fēng)雷達的保護距離隨衛(wèi)星移動終端終端(類型B)密度變化曲線Fig.5 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type B)

圖6 對二次測風(fēng)雷達的保護距離隨衛(wèi)星移動終端(類型C)密度變化曲線Fig.6 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type C)

圖7 對二次測風(fēng)雷達的保護距離隨衛(wèi)星移動終端(類型D)密度變化曲線Fig.7 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type D)

圖4～7仿真了不同類型的衛(wèi)星移動終端對二次測風(fēng)雷達干擾的情況，從圖中可以看出隨著終端密度的增加，對二次測風(fēng)雷達的保護距離逐漸增加。以B 類型終端為例，按照每平方千米1 個終端計算，二次測風(fēng)雷達與衛(wèi)星移動終端需要65 km以上的保護距離。若考慮突發(fā)事件終端密度急劇增加的情況，假設(shè)終端密度為50 個/km2計算，二次測風(fēng)雷達與衛(wèi)星移動終端需要80 km以上的保護距離才能實現(xiàn)兩系統(tǒng)的共存。目前，我國在全國范圍內(nèi)部署了120 多個民用的二次測風(fēng)雷達系統(tǒng)，因此很難實現(xiàn)兩者同頻的兼容共存。

4.2 二次測風(fēng)雷達對空間衛(wèi)星的干擾

4.2.1 算法描述

計算中采用4 kHz 為基準(zhǔn)帶寬，根據(jù)I/N =－12 dB的保護準(zhǔn)則［15］，由衛(wèi)星熱噪聲推導(dǎo)基準(zhǔn)帶寬內(nèi)允許地面發(fā)射的最大等效全向輻射功率(dB)為

式中，K 為玻爾茲曼常數(shù)，T 為衛(wèi)星接收機噪聲溫度，Bs為衛(wèi)星基準(zhǔn)帶寬，Gs為衛(wèi)星空間電臺的天線增益，Lp為從地面到衛(wèi)星空間電臺的自由空間傳播損耗，D 為極化差異。Lp(dB)計算公式如下:

二次測風(fēng)雷達的實際發(fā)射的EIRP(dB)為

式中，Pr為雷達發(fā)射功率，Lw為線損，Gr為雷達在衛(wèi)星方向上的天線增益，Br為雷達信號帶寬。

計算干擾超出值(dB)為

4.2.2 仿真場景及結(jié)果

如圖8所示，假設(shè)衛(wèi)星移動系統(tǒng)空間電臺位于GSO 軌道，計算單個二次測風(fēng)雷達對空間衛(wèi)星的干擾情況。該場景是點對點單鏈路，因此采用確定性計算方法，分別計算二次測風(fēng)雷達天線主瓣和旁瓣正對衛(wèi)星空間電臺的情況下對其產(chǎn)生的單鏈路干擾。雷達發(fā)射到衛(wèi)星接收的電波傳播模型采用自由空間傳播損耗進行計算。雷達發(fā)射參數(shù)參考表1，發(fā)射功率為15 kW，發(fā)射帶寬為10.5 MHz，天線主瓣和旁瓣增益分別為26 dBi和18 dBi。衛(wèi)星參數(shù)見表3，衛(wèi)星接收機噪聲溫度為501 K，基準(zhǔn)帶寬為4 kHz，I/N=－12 dB，天線增益為41 dBi，極化差異為3 dB。

圖8 二次測風(fēng)雷達干擾空間衛(wèi)星鏈路場景Fig.8 The scene of interference from secondary wind－finding radar to space satellite

表5分別計算了雷達天線仰角為30°和40°時二次測風(fēng)雷達對衛(wèi)星空間電臺的干擾，二次測風(fēng)雷達的最大等效全向輻射功率為41. 8 + 26 =67.8 dBW。二次測風(fēng)雷達與衛(wèi)星移動系統(tǒng)在1668～1675 MHz頻段共存時，雷達發(fā)射對衛(wèi)星空間電臺造成了干擾，天線主瓣方向正對衛(wèi)星時干擾超出保護限值約60 dB，天線旁瓣方向正對衛(wèi)星時干擾超出保護限值約16 dB。因此，當(dāng)衛(wèi)星移動系統(tǒng)在1668～1675 MHz頻段工作時，二次測風(fēng)雷達會對衛(wèi)星空間電臺產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干擾。

表5 二次測風(fēng)雷達發(fā)射對衛(wèi)星空間電臺的干擾計算結(jié)果Table 5 Calculation result of interference from secondary wind－finding radar to satellite space station

5 結(jié)束語

本文針對我國L 頻段1668～1675 MHz氣象輔助業(yè)務(wù)無線電探空儀系統(tǒng)和衛(wèi)星移動系統(tǒng)進行了兼容共存分析。根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)衛(wèi)星移動終端密度為50 個/km2時，二次測風(fēng)雷達所需的保護距離達60～80 km，而二次測風(fēng)雷達對同頻衛(wèi)星系統(tǒng)干擾過大，主瓣方向超過國際保護標(biāo)準(zhǔn)達60 dB。因此，我國現(xiàn)有的無線電探空儀系統(tǒng)與衛(wèi)星移動系統(tǒng)在1668～1675 MHz頻段難以實現(xiàn)兼容共存。需要注意的是，本文仿真研究基于系統(tǒng)抽象模型，只分析了鏈路級的仿真計算，并沒有考慮到系統(tǒng)級和實際環(huán)境等因素。當(dāng)考慮環(huán)境因素和系統(tǒng)級參數(shù)時，實際所需的保護距離會稍有減小。

目前，我國頻率劃分中明確劃分給氣象輔助業(yè)務(wù)系統(tǒng)的頻率范圍是1668.4～1683 MHz頻段，而由于無線電探空儀系統(tǒng)存在很大的頻率漂移，實際工作頻率已經(jīng)超出了這個范圍。我國要在1668～1675 MHz頻段引入衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可考慮將無線電探空儀系統(tǒng)的工作頻段上移到1675～1683 MHz，同時通過技術(shù)改進來減小頻漂，并保證其帶外輻射功率不超過－27.2 dBW/4kHz，即有可能實現(xiàn)鄰頻共存。此外，采用基于“北斗”的新型氣象輔助探空系統(tǒng)也可以從根本上解決以上問題。以上兩個解決方案都值得進一步研究。

不論采用哪種方案解決共存問題，不僅要考慮到技術(shù)的可行性，還要考慮到系統(tǒng)升級改造成本以及時間代價等方面的問題。本文的研究結(jié)果具有一定的參考性和實用性，可支撐我國無線電管理部門對該頻段業(yè)務(wù)的再次劃分。

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