《無線電頻譜需求增加下的主動遙感發(fā)展戰(zhàn)略》評介

■侯美亭

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《無線電頻譜需求增加下的主動遙感發(fā)展戰(zhàn)略》評介

■侯美亭

NAP，2015年

無線電頻譜（Radio Spectrum）是頻率介于0Hz和300GHz之間的電磁波譜，其中0.3～300GHz范圍的波譜被稱為微波，微波是科學(xué)界主動遙感主要使用的頻譜范圍。相比，被動遙感使用的波譜范圍更為寬泛，即包括微波波段，也包括頻率大于300GHz的可見光、紅外、熱紅外等波段。同可見光、紅外相比，微波的波長更長，因此微波能夠穿透云層、霧、沙塵等，并且不受大氣散射的干擾，幾乎在所有天氣和環(huán)境條件下都可以檢測到微波能量。這也是主動遙感大都采用微波波段的重要原因。

無線電頻譜是一種寶貴的資源，在社會許多行業(yè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值（圖1）。鑒于此，許多國家都設(shè)有專門的機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行監(jiān)管。比如，在美國，隸屬美國商務(wù)部的國家電信和信息管理局（NTIA）管理聯(lián)邦政府頻譜的使用，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）負(fù)責(zé)所有非聯(lián)邦政府的頻譜使用管理；在英國，設(shè)有專門的電信監(jiān)管機(jī)構(gòu)Ofcom負(fù)責(zé)頻譜的管理。在日益增加的電子產(chǎn)品和移動通信技術(shù)的推動下，社會對頻譜的需求增長很快。由其帶來的無線技術(shù)的擴(kuò)散對科學(xué)界主動遙感系統(tǒng)的干擾也不斷增加，特別是在L和C波段。因而，如何滿足各界（特別是科學(xué)界）對頻譜資源的需求，以及如何重新分配和共享頻譜，以便更高效的利用頻譜，也成為各頻譜監(jiān)管部門所面臨的迫切問題。

科學(xué)界以及相關(guān)的業(yè)務(wù)部門必須積極參與頻譜分配和部署過程，確保滿足科學(xué)界對頻譜資源的需求。

為此，來自美國多所高校、研究所及公司的科學(xué)家組成的主動遙感對無線電頻譜利用調(diào)查委員會、物理學(xué)和天文學(xué)委員會以及美國國家科學(xué)院共同發(fā)布了《無線電頻譜需求增加下的主動遙感發(fā)展戰(zhàn)略》（A Strategy for Active Remote Sensing Amid Increased Demand for Radio Spectrum）一書，探討了主動遙感利用頻譜資源的有關(guān)問題及應(yīng)對戰(zhàn)略。該書于2015年由美國國家科學(xué)院出版社（NAP，The National Academies Press）出版，其主要目標(biāo)有3個：（1）指出主動遙感對于社會的重要性；（2）介紹目前和未來主動遙感有效利用電磁頻譜所面臨的威脅；（3）為主動遙感所需頻譜的保護(hù)和有效利用提供具體的建議。

本書共包括9章：第1—6章介紹了主動遙感的重要價值，并分別闡述了其在大氣、海洋、陸表、空間物理、行星科學(xué)等幾大領(lǐng)域的應(yīng)用情況；第7—9章則闡述了頻譜資源的分配政策、主動遙感儀器面臨的射頻干擾問題以及緩解干擾的有關(guān)技術(shù)和建議。總體上，本書內(nèi)容可以匯總為以下3個方面。

一、主動遙感的重要性

圖1　無線電頻譜及其應(yīng)用（來源：New America Foundation,MCT,Howstuffworks.com）

主動遙感是指由探測器主動向目標(biāo)物發(fā)射一定能量的電磁波，再由至少一個接收器接受目標(biāo)物反射或散射電磁波的遙感系統(tǒng)。通過測量目標(biāo)物的反射或散射特性，就可以分辨目標(biāo)物的物理狀態(tài)。在不同領(lǐng)域，主動遙感的目標(biāo)物也有所差異。比如在大氣科學(xué)領(lǐng)域，主動遙感的目標(biāo)物主要包括地球大氣、海洋和陸地表面，其探測器平臺可以在地面、空中和/或衛(wèi)星上。

不同領(lǐng)域的主動遙感技術(shù)對科學(xué)和社會的重要影響，具體包括：1）大氣主動遙感可以提供對風(fēng)暴、全球大氣環(huán)流的深入了解；2）海洋領(lǐng)域，主動微波傳感器可提供洋流、波浪和風(fēng)速和風(fēng)向測量，是被動微波、可見光和紅外測量的重要補(bǔ)充。其對全球天氣預(yù)測、風(fēng)暴和颶風(fēng)預(yù)警、波浪預(yù)測、沿海風(fēng)暴潮、船舶航線、商業(yè)捕撈等具有重要應(yīng)用價值；3）主動遙感測量雷達(dá)，包括真實(shí)孔徑雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)（SARs）和散射計，能為土地利用、環(huán)境管理等提供必要的數(shù)據(jù)；4）電離層的主動遙感對于理解其附近空間區(qū)域的物理特征、以及預(yù)測空間天氣事件對電力、通信等行業(yè)的影響直觀重要；5）行星雷達(dá)天文學(xué)中的主動遙感技術(shù)，有助于人類提高對太陽系的理解、制定衛(wèi)星發(fā)射計劃以及跟蹤和表征可能威脅到地球的近地小行星。

二、 主動遙感所需頻譜的有效使用在當(dāng)前和未來面臨的威脅

主動遙感使用的頻率基本決定于所研究的物理現(xiàn)象。對于每種測量類型，很難把其所使用頻段轉(zhuǎn)換到其他頻段。因此，對于那些對社會發(fā)展非常有必要的主動遙感測量，必須保證它們所需的頻譜資源。

主動遙感傳感器面臨的頻譜問題主要有兩類：1）與被動傳感器一樣，主動傳感器也受到了其他無線電服務(wù)的射頻干擾（Radio-frequency Interference，RFI）；2）與被動系統(tǒng)不同的是，主動遙感系統(tǒng)也發(fā)射信號，因此可以根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)整，以確保它們不會干擾其他服務(wù)。隨著對頻譜資源不斷增長的使用和需求，這兩個問題越來越影響到主動傳感器當(dāng)前和未來的發(fā)展。

當(dāng)前和未來RFI問題，具體例子如下：

1）在一些情形下，對主動傳感器的傳輸限制大大阻礙了其收集科學(xué)數(shù)據(jù)的能力，如對歐空局BIOMASS衛(wèi)星計劃在某些區(qū)域上空的傳輸限制，因?yàn)锽IOMASS對U.S.DOD SOTR（美國國防部空間對象跟蹤雷達(dá)）系統(tǒng)存在干擾。在一些波段保守的干擾標(biāo)準(zhǔn)使科學(xué)操作變得困難，對超高頻（UHF）和L波段的限制也隨著時間不斷提高。

2）部分波段的RFI環(huán)境正日益惡化。對于大量使用并得到充分研究的L波段的1215～1300MHz部分，世界范圍內(nèi)觀測到的RFI的量正不斷增加，特別是在北美、歐洲和東亞尤為嚴(yán)重（圖2）。歐空局稱，在C波段，RFI 也在增長。

3）近期，商業(yè)服務(wù)計劃在地球探測衛(wèi)星分配頻譜中的擴(kuò)張將威脅到具有高附加值的C波段的科學(xué)雷達(dá)測量。例如，擬議的5350～5470 MHz無線局域網(wǎng)（RLAN）服務(wù)將嚴(yán)重限制歐空局的Sentinel-1星座（哥白尼計劃）和加拿大的Radarsat-2和RadarSat星座任務(wù)（RCM）。RLAN發(fā)射器的寬波段、噪聲狀特性很難或無法得到減輕。

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4）雖然有多個波段被分配到地球探測衛(wèi)星主動頻譜上，然而僅有部分波段正在使用，或根本不被使用。由于容納新的服務(wù)的不斷壓力，在未來可能更難在這些波段上建立新的科學(xué)任務(wù)。

5）目前，RFI 已不再是行星雷達(dá)天文學(xué)觀測的一個重要障礙。然而，隨著對近地小行星圖像高空間分辨率的需求，導(dǎo)致了對帶寬需求的增加，將來RFI可能會是一個大問題。為方便獲取近地小行星高空間分辨率影像，需要分配60～120MHz的帶寬。比如，NASA JPL Goldstone雷達(dá)目前擁有 200MHz的帶寬，其中心頻率為8.600GHz。

應(yīng)該指出的是，例行報告通常指出了其他非科學(xué)來源傳感器對主動科學(xué)傳感器的干擾，而科學(xué)傳感器似乎很少會干擾其他服務(wù)。其原因之一是通信系統(tǒng)可以抵抗具有窄脈沖波形與低占空比的雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，窄脈沖波形與低占空比正是科學(xué)和業(yè)務(wù)雷達(dá)的典型特征。而不同的主動科學(xué)傳感器之間可能會存在干擾，比如NASA CloudSat上的雷達(dá)可以干擾射電天文測量雷達(dá)。

當(dāng)前，RFI 緩解技術(shù)可以在UHF、L和C波段上顯著地降低干擾對科學(xué)傳感器的影響，C波段以上頻率進(jìn)行的科學(xué)測量基本上已經(jīng)不再受到RFI問題的影響。因此，主動遙感能夠更有效地與一些服務(wù)分享頻譜，這取決于干擾信號的性質(zhì)。

圖2　Aquarius L波段觀測到的射頻干擾（RFI）（來源：NASA/JPL-Caltech）

此外，表征RFI影響主動遙感空間儀器的困難之一是當(dāng)前世界范圍內(nèi)主動遙感信號發(fā)射器信息不夠全面，以及RFI環(huán)境的特性隨時間推移不斷演變。同時，目前尚缺乏一種好的指標(biāo)，以量化各種主動遙感科學(xué)測量儀器（如散射計、高度計、SARs、干涉儀等）的退化信息。這使得準(zhǔn)確地量化RFI對特定主動傳感器的影響、如何減輕RFI以及如何共享頻譜變得困難。

三、 保護(hù)和有效使用主動遙感所需頻譜的建議

1）科學(xué)界的行動

科學(xué)界以及相關(guān)的業(yè)務(wù)部門必須積極參與頻譜分配和部署過程，確保滿足科學(xué)界對頻譜資源的需求。科學(xué)界也應(yīng)提供更多信息，使監(jiān)管部門更好地意識到主動遙感的價值。這種價值包括減少自然現(xiàn)象對社會產(chǎn)生不利影響的經(jīng)濟(jì)價值，以及來自科學(xué)研究的非經(jīng)濟(jì)價值。

2）政府層面的行為

政府相關(guān)部門應(yīng)積極支持主動遙感的發(fā)展，監(jiān)督頻譜分配。例如，NASA應(yīng)提高影響主動遙感的RFI環(huán)境的表征，其他機(jī)構(gòu)（如NOAA、NSF等）也應(yīng)積極參與其中。另外，應(yīng)增加對科學(xué)界主動遙感的頻譜分配。

3）通信業(yè)可以采取的行動

短波中小型基站通信中毫米波頻率的使用,將大大增加網(wǎng)絡(luò)容量(達(dá)到一個數(shù)量級)，從而減少對頻譜和主動遙感用戶的壓力。無線產(chǎn)業(yè)應(yīng)考慮利用微型基站方法，通過發(fā)展發(fā)射塔和網(wǎng)絡(luò)，增加毫米波頻率在6G通信和通信標(biāo)準(zhǔn)中的使用。

4）尋找頻譜共享的機(jī)會

多功能相控陣?yán)走_(dá)為頻譜共享提供了可能。比如，NOAA的多功能相控陣?yán)走_(dá)項(xiàng)目（MPAR），旨在使用單個相控陣天氣雷達(dá)，同時執(zhí)行飛行器跟蹤、風(fēng)廓線和天氣監(jiān)測等多種任務(wù)。FAA（美國聯(lián)邦航空局）和NOAA也正在合作發(fā)展能執(zhí)行這兩個機(jī)構(gòu)不同任務(wù)的單個的S波段多功能雷達(dá)。此外，建議開展頻率再利用技術(shù)的調(diào)查，以減少對整個S波段的頻譜需求。

（作者單位：中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院）