“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護現(xiàn)狀及對策

溫日紅,申杰敏,葛 俠,原 亮

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京100094)

1 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可發(fā)送高精度、全天時、全天候的導(dǎo)航、定位和授時信息,是當(dāng)今國民經(jīng)濟和國防建設(shè)不可或缺的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。該系統(tǒng)在交通運輸 、電力 、水利 、漁業(yè) 、農(nóng)業(yè) 、電信 、測繪 、森林防火以及減災(zāi)救災(zāi)等國民經(jīng)濟眾多領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,已形成龐大的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè);在軍事領(lǐng)域中,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是實現(xiàn)武器平臺精確導(dǎo)航定位和制導(dǎo)武器遠程精確打擊的關(guān)鍵支撐,是現(xiàn)代高技術(shù)信息化戰(zhàn)爭的重要保障。

但是,目前衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)頻率都是與其他業(yè)務(wù)共用的。國際電聯(lián)(ITU)的研究已經(jīng)證明,衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)是可以共用的,因此無線電頻率劃分表并未給衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)劃分單獨使用的頻率,每個劃分頻段都是與其他業(yè)務(wù)共用;這就表明衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在選擇所使用頻率時首先要與其他業(yè)務(wù)進行協(xié)調(diào),避免不同業(yè)務(wù)之間可能存在的干擾;其次,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展遠遠超過了國際電聯(lián)發(fā)布無線電頻率劃分表時對衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)頻率使用需求的預(yù)料,當(dāng)時僅有美國GPS與俄羅斯GLONASS兩家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),而目前不僅有四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的存在與不斷發(fā)展,日本、印度等各國也都在積極地發(fā)展各自的區(qū)域系統(tǒng),因此,衛(wèi)星無線電導(dǎo)航頻率在全球范圍內(nèi)日益稀缺[1]。

同時,由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號本身的特性,其到達地面的信號功率很微弱,到達地面的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號功率一般在-160 dBW左右;而按輻射源功率0.1 W計算,使用1.5GHz頻率發(fā)射則在1 km處的干擾信號功率為-106 dBW,比衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)到達地面的信號高40 dB(10000倍)以上。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號微弱,容易受到干擾。其影響將表現(xiàn)為三個方面。

一是用戶機受到干擾后,將直接影響到信號的捕獲、跟蹤、解調(diào)等,使用戶機測距精度下降、誤碼率增高,嚴(yán)重時將使用戶機無法進行測距、解調(diào),直接影響著用戶機的定位精度與使用。

二是衛(wèi)星首先需接收地面上行注入信息以完成星地時間同步、導(dǎo)航電文生成等工作,當(dāng)上行注入頻段受到干擾后,會使衛(wèi)星的測距精度下降、接收誤碼率增高。嚴(yán)重時,還會使衛(wèi)星無法進行測距、信息解調(diào),直接影響著星地時間同步精度、下行導(dǎo)航電文生成,進而影響該星在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的可用性。

三是地面運控系統(tǒng)是整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心,主要任務(wù)是通過監(jiān)測接收機等設(shè)備采集的原始觀測數(shù)據(jù),進行衛(wèi)星定軌、時間同步、差分與完好性處理,若監(jiān)測接收機等設(shè)備受到干擾將影響原始數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量,使有效數(shù)據(jù)量減少,嚴(yán)重時將無法進行測距和信息接收,導(dǎo)致衛(wèi)星定軌、時間同步和差分與完好性處理性能變差,從而影響整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能。

上述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率及信號自身的特性使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更加易受干擾,更加需要保護。目前擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家采取的保護辦法主要包括制定國家級無線電導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)頻譜管理法規(guī)和無線電導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)干擾探測和減緩計劃及程序。我國尚無衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻譜保護相關(guān)政策立法,因此,研究制定“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻譜保護政策,對確保我國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常運行,提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的服務(wù),具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

2 國際衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護的方法措施

有效的頻譜管理是減少因衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身具有的易受干擾性和脆弱性而導(dǎo)致的GNSS運行中斷可能性的有效手段,根據(jù)各國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明,實行有效的頻譜管理可以將非故意干擾的威脅消除殆盡。有效的頻譜管理包括三方面的內(nèi)容:制定管制頻譜使用的法律法規(guī);執(zhí)行這些法律法規(guī);密切評估新的無線電頻率源,確保其不對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

2.1 國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)委員會(ICG)

ICG倡導(dǎo)各國采取衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護活動:制定國家級的衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護法律法規(guī)與建立衛(wèi)星導(dǎo)航頻率干擾探測與消除程序。ICG的4個工作組已有3個組將頻譜保護的相關(guān)內(nèi)容列入了議題。工作組A負責(zé)兼容性與互操作性問題,對保護頻譜以及探測并消除干擾提出了建議;工作組B負責(zé)提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能問題,在工作計劃中添加了在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各頻段探測和消除無線電頻率干擾的技術(shù)的新項目;工作組D負責(zé)參考基準(zhǔn)、授時和應(yīng)用問題,也將對頻譜保護以及干擾探測和消除列入議題,計劃與工作組A、工作組B聯(lián)合進行。

2.2 美國衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護方法措施

在美國,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為關(guān)系美國國家安全與經(jīng)濟利益至關(guān)重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一,無線電頻譜由國家電信與信息管理局(NITA)和聯(lián)邦通信委員會FCC共同管理,并擁有比較完善的無線電頻譜監(jiān)測程序。

美國聯(lián)邦政府和國會強力支持和維護GPS在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用和推廣,并認(rèn)為發(fā)展GPS對美國國家安全和經(jīng)濟利益至關(guān)重要,其他頻段用戶的頻譜對GPS信號發(fā)射頻帶的集總噪聲增大會對GPS信號形成相當(dāng)大的威脅,甚至危及美國的國家安全和經(jīng)濟安全。1999年和2000年的國防部撥款法案要求國防部長向國會提交GPS頻譜保護策略報告,并指示國防部啟動頻譜協(xié)調(diào)研究,提交GPS頻譜協(xié)調(diào)報告,作為對GPS頻譜保護資金撥款的依據(jù)。

2010年12月18日,美國總統(tǒng)簽署了《國家和商用空間項目》立法,對空間立法進行匯編。其中第50112節(jié)“推廣美國GPS標(biāo)準(zhǔn)”明確規(guī)定,為支持與維持GPS有效服務(wù)于美國國家安全、公共安全、科學(xué)與經(jīng)濟利益,國會支持總統(tǒng)向商務(wù)部副部長提供電信與信息的發(fā)展方向和充分資源,以便副部長能夠?qū)PS頻譜的取得和維持進行有效管理;保護GPS頻譜不受毀壞和干擾。

為防止GPS服務(wù)中斷給美國的國家安全和經(jīng)濟安全造成嚴(yán)重危害,2007年8月,美國國土安全部制定了具體的干擾探測與消除計劃。該計劃對所有干擾事件進行收集、分析、存儲和發(fā)布,目的是增強美國國內(nèi)對GPS及其增強系統(tǒng)干擾源的辨別、分析、定位、歸因以及消除的協(xié)調(diào)能力。采取的主要行動為:在發(fā)生損壞或拒絕接入GPS信號事件時,增強確保GPS連續(xù)運行的能力、程序與技術(shù);進行常規(guī)性民用意外事件應(yīng)對演習(xí)。

隨著GPS與美國國家、經(jīng)濟安全關(guān)系日益緊密,美國政府越來越重視對濫用頻率的現(xiàn)象的遏制,以保護GPS的用頻。2011年,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準(zhǔn)美國無線寬帶運營商光平方公司(Lightsquared)建立結(jié)合衛(wèi)星的4G-LTE地面通信網(wǎng)絡(luò)。但因其使用的原有移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻段與GPS頻段鄰近,其強大功率的信號對地面基站附近微弱的GPS接收機信號產(chǎn)生有害干擾,40000個地面基站大多設(shè)立在GPS多用戶地區(qū),將可能導(dǎo)致GPS無法正常使用,以致危及美國的經(jīng)濟及國家安全,因此遭到GPS產(chǎn)業(yè)協(xié)會及供應(yīng)商與用戶的抗議,美國國會要求FCC重視光平方公司對GPS干擾的問題。FCC要求光平方公司在圓滿解決GPS擔(dān)心的干擾問題之后,才能著手進行其地面通信網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)運營。

綜上,在GPS發(fā)展之初,美國政府制定各種政策法規(guī)大力發(fā)展和推廣GPS,在其形成一個龐大的產(chǎn)業(yè),并且在國家關(guān)鍵領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位之后,美國政府意識到必須加強對無線電頻率的管理,遏制濫用頻率的現(xiàn)象,加強對衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護。

3 我國衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護現(xiàn)狀

3.1 “北斗”實驗系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的被干擾情況

“北斗”實驗系統(tǒng)在運行過程中多次出現(xiàn)被干擾情況,主要為出站S頻段干擾、入站C頻段干擾。

3.1.1 出站S頻段干擾

2009年,內(nèi)蒙古某地區(qū)出現(xiàn)“北斗”實驗系統(tǒng)用戶機工作異常情況,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)存在下行S頻段干擾,經(jīng)排查確定干擾源為該地區(qū)廣播電視局農(nóng)村電視網(wǎng)絡(luò)全向發(fā)射天線由于64 MHz帶寬不足以傳輸8路信號,故意違反國家頻率劃分規(guī)定將使用頻段下移進入“北斗”實驗系統(tǒng)衛(wèi)星下行S頻段內(nèi),從而對“北斗”用戶終端造成嚴(yán)重干擾。

3.1.2 上行L頻段轉(zhuǎn)發(fā)的C入站頻段干擾

“北斗”實驗系統(tǒng)運行過程中,曾發(fā)現(xiàn)過如圖1所示類型的干擾,分析認(rèn)為此類型干擾是L頻段上行干擾信號,通過“北斗”衛(wèi)星L/C轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后對入站C頻段形成干擾。

圖1 上行L頻段轉(zhuǎn)發(fā)的C入站頻段干擾頻譜情況Fig.1 Interference spectrum in C band transmitted by L band

3.2 “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一期運行中出現(xiàn)的干擾情況

3.2.1 主控站受干擾情況

2010年,發(fā)現(xiàn)主控站L頻段1.2 GHz兩處頻點出現(xiàn)干擾,一處經(jīng)查找確定為某企業(yè)的無線視頻傳輸系統(tǒng)所致;另一處已影響到系統(tǒng)設(shè)備(監(jiān)測接收機)的正常工作,曾引起系統(tǒng)監(jiān)測接收機無法正常鎖定下行導(dǎo)航信號,但目前還未找到干擾源。確定干擾源的干擾頻譜見圖2。

圖2 L頻段1.2 GHz干擾頻譜Fig.2 Interference spectrum in L band(1.2 GHz)

3.2.2 L頻段電磁環(huán)境測試干擾信號情況

在各地對RNSS L頻段頻譜情況進行測試時,發(fā)現(xiàn)多地都存在不同形式的信號,圖3～9為其中一部分信號頻譜圖。

圖3 西北部1.5GHz電磁環(huán)境測試信號頻譜Fig.3 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-West(1.5 GHz)

圖4 西部1.2 GHz電磁環(huán)境測試信號頻譜Fig.4 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the West(1.2 GHz)

圖5 北部1.2 GHz電磁環(huán)境測試信號頻譜Fig.5 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North(1.2 GHz)

圖6 東北部1.5GHz電磁環(huán)境測試信號頻譜Fig.6 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-East(1.5 GHz)

圖7 西南部1.5 GHz電磁環(huán)境測試信號頻譜Fig.7 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-West(1.5GHz)

圖8 南部1.2GHz電磁環(huán)境測試信號頻譜Fig.8 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South(1.2 GHz)

圖9 東南部1.5 GHz電磁環(huán)境測試信號頻譜Fig.9 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-East(1.5 GHz)

上述信號頻譜圖描述了RNSS L頻段在不同地點、不同時間存在的不同程度的干擾,也說明了我國境內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率電磁環(huán)境比較惡劣。

3.3 我國衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護面臨的主要問題

目前國內(nèi)制定了一系列的無線電管理規(guī)定,包括1999年制定的《無線電管理條例》、2010年最新實施的《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》、《無線電頻率使用的規(guī)定》,從一定程度上對無線電頻譜進行了保護。但從我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實際運行情況來看,對衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護并不盡如人意。自我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開通使用以來,已在不同地區(qū)多次發(fā)現(xiàn)各類干擾。通過對干擾情況的分析主要反映出兩方面的問題:一是一些單位不遵守國家規(guī)定,用頻的法規(guī)意識淡薄,隨意用頻;二是缺乏對用頻的監(jiān)管,不能對非法用頻的情況做到及時發(fā)現(xiàn)、及時處理。若任憑上述現(xiàn)象發(fā)展下去,將嚴(yán)重影響我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運行,給國家造成損失。

4 衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護措施建議

4.1 建立專門的協(xié)調(diào)管理機構(gòu)

目前的管理監(jiān)測和對干擾的處理效率比較低,雖然目前對系統(tǒng)的影響還不明顯,但與以后的系統(tǒng)發(fā)展不相匹配;對各種新問題的協(xié)調(diào)解決程序與協(xié)調(diào)機構(gòu)也需要盡快有明確的規(guī)定。因此,建議逐步探索并建立專門的國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率協(xié)調(diào)管理機構(gòu),由該機構(gòu)專門負責(zé)衛(wèi)星導(dǎo)航頻率使用干擾情況的處理,以及運行與應(yīng)用過程中有關(guān)問題的協(xié)調(diào)解決。

4.2 制定衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護相關(guān)的法律法規(guī)

從國家一級的政策法規(guī)層面對下列與衛(wèi)星導(dǎo)航頻率保護相關(guān)的問題進行明確的規(guī)定。

(1)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要地位

國家應(yīng)制定相應(yīng)的政策法規(guī),明確“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國國家安全與經(jīng)濟安全中的重要地位,闡明“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分,是實現(xiàn)國家安全與經(jīng)濟安全的重要工具,其應(yīng)用涉及到各個領(lǐng)域,也是關(guān)系我國國家安全和經(jīng)濟安全的關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)確?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不受任何人為干擾,并保持穩(wěn)定正常運行。

(2)支持并鼓勵“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護

國家應(yīng)制定政策法規(guī)支持“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率需求及保護研究活動,鼓勵研發(fā)保護“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率的各項技術(shù)措施,以及開發(fā)新的頻段,以滿足“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的頻率需求。

4.3 加強干擾保護標(biāo)準(zhǔn)的研究

確定如接收機靈敏度惡化、最低干擾門限、有害干擾的判定標(biāo)準(zhǔn),信號、告饒保護比和最小可用場強以及相關(guān)的干擾計算方法等,明確系統(tǒng)或接收機正常工作、受到容許干擾、受到有害干擾,或喪失服務(wù)功能以及系統(tǒng)產(chǎn)生誤導(dǎo)信息等的干擾保護標(biāo)準(zhǔn),使得“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率的保護具有可評估性和可操作性。

4.4 加強干擾的監(jiān)測和排查

要定期對導(dǎo)航頻段的電磁環(huán)境進行監(jiān)測普查[2]和重點排查,建議配備專業(yè)車載干擾定向監(jiān)測設(shè)備;建立并完善“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航頻率干擾探測與消除程序。

4.5 加大頻率保護執(zhí)法與宣傳力度

加大頻率保護執(zhí)法的力度,嚴(yán)格執(zhí)法震懾、預(yù)防和減少非法用頻行為。增強設(shè)備制造商的頻率保護意識,并讓公眾了解“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其頻率保護的意義。

[1]International Telecommunication Union.Radio Regulations[M].Geneva,Switzerland:ITU,2008.

[2]朱慶厚,劉家儒.頻譜管理中無線電干擾的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2010,50(12):121-124.ZHU Qing-hou,LIU Jia-ru.Applications of RF Jamming in Frequency Management[J].Telecommunication Engineering,2010,50(12):121-124.(in Chinese)