1668～1675 MHz 卫星移动系统与无线电探空系统间的共存研究*

杨 淼，潘 冀，曾昱祺，李 伟

(国家无线电监测中心，北京100037)

1 引 言

2003年，世界无线电大会在1518～1525 MHz/1668～1675 MHz频段增加了卫星移动业务(Mobile Satellite Service，MSS)为主要业务的划分。由于我国在1668～1675 MHz频段部署了卫星气象和气象辅助业务，最终在《无线电规则》中以5.379E 脚注的形式来进行保护，而没有进行详细的兼容共存分析。而在《中华人民共和国无线电频率划分规定》中将上述两个频段的卫星移动业务作为次要业务在中国内地地区进行了划分［1－2］。

随着世界上各国空间业务的不断发展，国际卫星频率及空间轨位资源竞争加剧，我国能确保优先地位并且适合建立全球性移动通信系统的频率少之又少，而我国还没有自建的卫星移动通信系统，在海上应用、灾难应急、野外勘探等领域，只能过度依赖国外的卫星移动通信系统。因此，研究在新划分的卫星移动业务的L 频段引入我国自主的卫星移动通信系统十分重要［3］。

在我国内地地区的1668～1675 MHz 频段中，除了卫星移动业务(地对空)为次要业务之外，固定业务、移动业务、卫星气象业务(空对地)、气象辅助业务、空间研究和射电天文业务均为主要业务，其中存在实际系统的主要是卫星气象和气象辅助业务。

我国依据国际卫星气象业务使用趋势，基本已将卫星气象业务移至1683～1700 MHz高频段中使用，而在1683～1700 MHz频段卫星气象与卫星移动业务的共存研究早在2003年世界无线电大会上就给出了不同环境下对卫星气象地球站的隔离距离［4－7］。文献［4－5］研究了卫星移动业务与射电天文业务的共存情况，在1660～1670 MHz频段中，卫星移动业务电台需与射电天文业务电台保持20～58 km 的隔离距离。文献［6］对1668. 4～1675 MHz移动业务与卫星移动业务(地对空)的共存进行了研究，对于该频段内的可搬移式无线电接力系统对对地静止轨道方向的等效全向辐射功率(EIRP)不得超过－27 dBW/4 kHz。文献［7］对1～3 GHz内卫星移动业务与固定业务进行过前瞻性的研究，并得出使用L 频段通用技术可实现两种业务共存。文献［1］9.11A 款给出了移动地球站和空间研究(无源)电台在1668～1668.4 MHz频段的协调程序。

虽然上述文献围绕1668～1675 MHz频段卫星移动业务与其他业务之间的共存进行了研究，但在该频段针对卫星移动业务与我国主要的气象辅助业务无线电探空仪系统之间的共存，在国内外仍未见文献报道。因此，本文针对1668～1675 MHz频段的卫星移动业务与我国气象辅助业务的无线电探空仪系统进行共存研究，以期为我国无线电管理部门对该频段的规划提供理论支撑。

2 主要的无线电系统

2.1 无线电探空仪系统

目前，我国在1668.4～1683 MHz频段的气象辅助业务主要为无线电探空仪系统，该系统采用二次测风雷达(GFE(L)1 型)与无线电探空仪(GTS1型)配合工作［9］。工作原理为:探空仪通过地面基值测定后由气球携带升空，雷达不断发出询问脉冲信号，随时根据探空仪的频率变化改变自身的接收和发射频率，自动跟踪探空仪。根据系统设计的不同，适于无线电探空仪接收的最大范围为200～350 km。无线电探空仪升空速度约为5 m/s，其轨道取决于当时的风力条件。在测量的末段时，无线电探空仪系统通信链路最差，这是因为当无线电探空仪处于距地最高点时探空仪与二次测风雷达之间的倾距最大［8］。本文共存研究采用的二次测风雷达和无线电探空仪的参数如表1和表2所示。

表1 我国二次测风雷达参数(GFE(L)1 型)Table 1 Parameters of the secondary wind－finding radar in China(GFE(L)1)

表2 我国无线电探空仪性能参数(GTS1 型)Table 2 Parameters of radiosonde in China(GTS1)

2.2 卫星移动系统

目前存在的卫星移动系统主要包括国际移动卫星系统Inmarsat、亚洲蜂窝卫星系统、Thuraya 系统等对地静止轨道(GeoStationary Orbit，GSO)卫星系统和铱星系统、全球星系统、Orbcomm 系统等非静止轨道卫星系统。中国尚无自建的商用卫星移动通信系统，现使用的都是外商建设的卫星移动通信系统，因此本文结合国际电信联盟建议书中给出的几种L 频段典型卫星移动通信系统参数(见表3和表4)进行兼容性研究［6，10］。

表3 L 频段GSO 卫星空间电台典型参数Table 3 Parameters of GSO satellite space station in L band

表4 L 频段卫星移动系统终端参数Table 4 Parameters of mobile satellite terminal in L band

3 潜在干扰分析

卫星移动系统在1668～1675 MHz 频段为地对空频段，即卫星上行链路，而无线电探空仪系统在该频段是双向通信，即二次测风雷达和无线电探空仪都要收发信息。因此，干扰链路主要集中在:卫星移动终端对二次测风雷达接收的干扰;卫星移动终端对探空气球的干扰;二次测风雷达发射对卫星的干扰;探空气球发射对卫星的干扰。由于二次测风雷达的等效全向辐射功率要远远高于无线电探空仪的等效全向辐射功率，以及二次测风雷达接收信号的强度要低于无线电探空仪的接收信号强度，因此主要分析二次测风雷达发射对卫星的干扰和卫星移动终端对二次测风雷达接收的干扰这两个干扰链路，如图1所示。

图1 潜在干扰分析示意图Fig.1 Sketch map for potential interference analysis

根据ITU－R P 系列建议书，对于雷达到卫星的干扰路径，选择自由空间传播模型进行计算;对于卫星移动终端到雷达的传播路径，选择绕射传播模型进行分析计算［11－12］。

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对卫星的保护标准采用建议书ITU－R M.1799中给出的“长期”共用标准，即ΔT/T =6%或I/N =－12 dB。对气象辅助业务地面接收的保护标准采用建 议 书ITU－ R RS. 1263－ 1 《在400. 15～406 MHz和1668.4～1700 MHz频段工作的气象辅助业务的干扰标准》进行计算［13］。

4 算法与仿真分析

4.1 卫星移动终端对二次测风雷达的干扰

4.1.1 算法描述

单个卫星移动终端在二次测风雷达接收站处产生的干扰功率如下:

式中，I 是卫星移动终端在雷达接收处产生的干扰功率(dBm);EIRP 是卫星移动终端的等效全向辐射功率(dBm)，这里假定没有功率控制;Gr是雷达接收天线在卫星移动终端发射方向上的增益(dBi);Lp是卫星移动终端到雷达的路径损耗(dB)。

多个卫星移动终端对二次测风雷达的总干扰为

式中，It是雷达接收到的总干扰功率(dBm);Ii是第i 个卫星移动终端在雷达接收站处产生的干扰功率(mW);需要注意的是，这里的干扰功率需要换算成以mW 为单位的数值。

根据以上公式，按下述流程对保护距离进行计算:

(1)设定求解保护距离的初值d=dmax－dstep;

(3)对步骤2 的过程重复1000 次，并统计总干扰功率PI大于门限I 的概率;

(4)若干扰概率大于20%，则d－dstep即为所求的保护距离;若干扰概率小于20%，则d =d－dstep，接着跳转到步骤2 执行下一次循环。

图2 算法流程图Fig.2 Flow chart of algorithm

4.1.2 仿真场景及结果

假设在二次测风雷达为中心的圆形区域内考虑无线电探空仪的工作范围，设定半径为250 km，卫星终端在此区域内随机分布，同时随机生成干扰链路，如图3所示。采用Monte Carlo 仿真方法，将整个仿真过程采样为若干个时刻，在每个时刻假定路径损耗和发射功率都保持不变，计算所有时刻的总干扰，用统计方法加以分析，最终得到卫星移动终端对二次测风雷达的保护距离［14］。这里采用ITU－R RS.1263 中给出的长时保护准则进行计算，即认为有20%的统计概率的情况下的总干扰功率小于门限－155.2 dBW/Hz时，认为卫星移动终端对二次测风雷达接收站不构成有害干扰。

图3 卫星移动终端对二次测风雷达干扰场景Fig.3 The scene of interference from mobile satellite terminal to radar

对不同密度的卫星移动终端分布分别统计1000 次随机分布的情况下的总干扰。根据建议书ITU－R M.1316，卫星移动终端到二次测风雷达的传播模型选择ITU－R P.526 给出的绕射模型，雷达天线高度为10 m，卫星移动终端高度为1.5 m，仿真结果如图4～7所示。

图4 对二次测风雷达的保护距离随卫星移动终端(类型A)密度变化曲线Fig.4 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type A)

图5 对二次测风雷达的保护距离随卫星移动终端终端(类型B)密度变化曲线Fig.5 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type B)

图6 对二次测风雷达的保护距离随卫星移动终端(类型C)密度变化曲线Fig.6 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type C)

图7 对二次测风雷达的保护距离随卫星移动终端(类型D)密度变化曲线Fig.7 Curve of protection distance to secondary wind－finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type D)

图4～7仿真了不同类型的卫星移动终端对二次测风雷达干扰的情况，从图中可以看出随着终端密度的增加，对二次测风雷达的保护距离逐渐增加。以B 类型终端为例，按照每平方千米1 个终端计算，二次测风雷达与卫星移动终端需要65 km以上的保护距离。若考虑突发事件终端密度急剧增加的情况，假设终端密度为50 个/km2计算，二次测风雷达与卫星移动终端需要80 km以上的保护距离才能实现两系统的共存。目前，我国在全国范围内部署了120 多个民用的二次测风雷达系统，因此很难实现两者同频的兼容共存。

4.2 二次测风雷达对空间卫星的干扰

4.2.1 算法描述

计算中采用4 kHz 为基准带宽，根据I/N =－12 dB的保护准则［15］，由卫星热噪声推导基准带宽内允许地面发射的最大等效全向辐射功率(dB)为

式中，K 为玻尔兹曼常数，T 为卫星接收机噪声温度，Bs为卫星基准带宽，Gs为卫星空间电台的天线增益，Lp为从地面到卫星空间电台的自由空间传播损耗，D 为极化差异。Lp(dB)计算公式如下:

二次测风雷达的实际发射的EIRP(dB)为

式中，Pr为雷达发射功率，Lw为线损，Gr为雷达在卫星方向上的天线增益，Br为雷达信号带宽。

计算干扰超出值(dB)为

4.2.2 仿真场景及结果

如图8所示，假设卫星移动系统空间电台位于GSO 轨道，计算单个二次测风雷达对空间卫星的干扰情况。该场景是点对点单链路，因此采用确定性计算方法，分别计算二次测风雷达天线主瓣和旁瓣正对卫星空间电台的情况下对其产生的单链路干扰。雷达发射到卫星接收的电波传播模型采用自由空间传播损耗进行计算。雷达发射参数参考表1，发射功率为15 kW，发射带宽为10.5 MHz，天线主瓣和旁瓣增益分别为26 dBi和18 dBi。卫星参数见表3，卫星接收机噪声温度为501 K，基准带宽为4 kHz，I/N=－12 dB，天线增益为41 dBi，极化差异为3 dB。

图8 二次测风雷达干扰空间卫星链路场景Fig.8 The scene of interference from secondary wind－finding radar to space satellite

表5分别计算了雷达天线仰角为30°和40°时二次测风雷达对卫星空间电台的干扰，二次测风雷达的最大等效全向辐射功率为41. 8 + 26 =67.8 dBW。二次测风雷达与卫星移动系统在1668～1675 MHz频段共存时，雷达发射对卫星空间电台造成了干扰，天线主瓣方向正对卫星时干扰超出保护限值约60 dB，天线旁瓣方向正对卫星时干扰超出保护限值约16 dB。因此，当卫星移动系统在1668～1675 MHz频段工作时，二次测风雷达会对卫星空间电台产生较为严重的干扰。

表5 二次测风雷达发射对卫星空间电台的干扰计算结果Table 5 Calculation result of interference from secondary wind－finding radar to satellite space station

5 结束语

本文针对我国L 频段1668～1675 MHz气象辅助业务无线电探空仪系统和卫星移动系统进行了兼容共存分析。根据仿真结果可知，当卫星移动终端密度为50 个/km2时，二次测风雷达所需的保护距离达60～80 km，而二次测风雷达对同频卫星系统干扰过大，主瓣方向超过国际保护标准达60 dB。因此，我国现有的无线电探空仪系统与卫星移动系统在1668～1675 MHz频段难以实现兼容共存。需要注意的是，本文仿真研究基于系统抽象模型，只分析了链路级的仿真计算，并没有考虑到系统级和实际环境等因素。当考虑环境因素和系统级参数时，实际所需的保护距离会稍有减小。

目前，我国频率划分中明确划分给气象辅助业务系统的频率范围是1668.4～1683 MHz频段，而由于无线电探空仪系统存在很大的频率漂移，实际工作频率已经超出了这个范围。我国要在1668～1675 MHz频段引入卫星移动业务系统，可考虑将无线电探空仪系统的工作频段上移到1675～1683 MHz，同时通过技术改进来减小频漂，并保证其带外辐射功率不超过－27.2 dBW/4kHz，即有可能实现邻频共存。此外，采用基于“北斗”的新型气象辅助探空系统也可以从根本上解决以上问题。以上两个解决方案都值得进一步研究。

不论采用哪种方案解决共存问题，不仅要考虑到技术的可行性，还要考虑到系统升级改造成本以及时间代价等方面的问题。本文的研究结果具有一定的参考性和实用性，可支撑我国无线电管理部门对该频段业务的再次划分。

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