氣象輔助系統(tǒng)與靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)間的兼容共用分析

韓朝暉，聶晶，林源

1 引言

WRC-15大會之后，我國即將對L頻段（下行1 525 MHz—1 559 MHz/上行1 626.5 MHz—1 660.5 MHz）的劃分進行修訂，將衛(wèi)星移動業(yè)務從次要業(yè)務變成了主要業(yè)務，以此適應我國發(fā)展衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)（以下簡稱“MSS系統(tǒng)”）的需求。但由于目前該頻段內我國氣象輔助系統(tǒng)存在大范圍的部署和使用，全國分布站點的數(shù)量達120個，各站間距約為250 km。如果要推進衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設，不僅需要時間的過渡，還需要進行充分的論證。為了更好地分析這兩種業(yè)務該如何共存，本文結合我國氣象探空系統(tǒng)實際情況，圍繞兩個系統(tǒng)的用頻特點開展了兼容性分析，給出了分析結論，希望對國家后續(xù)開展這兩種業(yè)務的接續(xù)和過渡有所幫助。

2 氣象探空系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

該系統(tǒng)主要由地面二次雷達與高空探空儀組成（如圖1、圖2所示），其中，探空儀主要包括氣象感應元器件以及二次雷達的脈沖應答器。探空儀由氫氣球拖曳升空，隨空氣風向、風速自由漂升，氣球放飛一個多小時后，上升到約30 000 m高空，因空氣稀薄而膨脹爆炸，探空儀墜落，探測結束。放球過程中，地面雷達一直跟蹤電子探空儀，向探空儀發(fā)出一系列詢問脈沖。探空儀每接收到一個脈沖信號，立即發(fā)出一個回答脈沖信號，從而實時得到一系列的探空儀的方位角和斜距數(shù)據(jù)，通過信號處理，測得風向和風速數(shù)據(jù)。同時，高空探空儀將其探測到的溫、壓、濕傳感器信息轉換成射頻信號，與上述距離信息一同傳送至地面二次雷達的接收系統(tǒng)，經后續(xù)處理后獲取各大氣層的氣溫、氣壓、濕度等氣象資料[3-5]。

圖1 L頻段探空雷達天線

圖2 探空氣球升空

探空系統(tǒng)的回傳信號采用調幅體制，相對于只有1 200 bit/s的信號速率而言，3 dB的占用帶寬高達8 MHz，不僅容易受到地面業(yè)務臺站引入的旁瓣干擾，還會由于帶外雜散較大，對同、鄰頻段的衛(wèi)星氣象接收系統(tǒng)產生影響。其次，由于探空系統(tǒng)的回傳信號攜帶了角度和測距信息，一旦受到影響，將直接影響到角度信息和測距信息的提取，從而影響到天線伺服系統(tǒng)，對氣球跟蹤產生偏差，最終導致氣球跟丟。探空系統(tǒng)主要用頻參數(shù)如表1所示[5]。

3 靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

由于目前我國還沒有成型的L頻段衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，為了便于MSS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)開展兼容性分析，電聯(lián)研究組對靜止軌道MSS系統(tǒng)和非靜止軌道MSS系統(tǒng)的技術特性進行了提煉和總結，建議書ITU-R M.1184詳細介紹了比較有代表性的頻譜參數(shù)，從某種程度上說，能夠反映出國際主要MSS系統(tǒng)的技術特征[11]，如表2所示。

表1 二次測風雷達-電子探空儀典型參數(shù)

4 共用分析

4.1 風險場景分析

在1 668MHz—1 675MHz頻段，MSS系統(tǒng)主要是“地對空”鏈路，氣象輔助系統(tǒng)則是“地對空”和“空對地”雙向鏈路應用。根據(jù)信號的傳輸方向以及天線指向特點，MSS系統(tǒng)對探空系統(tǒng)的潛在干擾主要來自全向天線的移動終端對探空氣球或者氣象接收站的影響。鑒于探空氣球的工作原理是接收高功率、雷達脈沖信號的觸發(fā)，只要滿足靈敏度要求，就發(fā)射回波脈沖信號，而溫濕壓傳感信號則一直向下發(fā)送，并不受觸發(fā)信號影響，因此，探空氣球的應答器基本不受外來信號干擾。如圖3所示，干擾主要存在于：一是MSS系統(tǒng)上行信號對探空接收站的影響，二是探空系統(tǒng)上行雷達信號對衛(wèi)星的影響。

表2 GSO MSS業(yè)務鏈路（上行）

圖3 MSS系統(tǒng)與探空系統(tǒng)共用場景示意圖

4.2 干擾保護標準依據(jù)

（1）MSS系統(tǒng)

按照ITU規(guī)定的MSS系統(tǒng)的單入干擾保護門限標準：I/N=-12.2 dB，在此種情況下，接收機的噪聲溫度提高了6%[11]。

（2）氣象探空系統(tǒng)

按照ITU建議書RS.1165，氣象探空系統(tǒng)的性能指標如表3所示，反映出系統(tǒng)的(S/N)min或(C/N)min門限值，以及特定受擾條件[12]。

表3 氣象輔助業(yè)務系統(tǒng)的性能標準

按照ITU建議書RS.1263，集總干擾門限I0采用下面的公式進行計算[13]：

其中，MdB為實際系統(tǒng)的鏈路余量，一般由C/N-(C/N)min得到；q為允許干擾吃掉余量的百分比，一般q長期取1/3，q短期取1。當多個干擾源存在時，還需對干擾源數(shù)量n進行預測，單入干擾門限則為I0/n，用dB值表示為I0(dB)-10lg(n)。

4.3 傳播模型選用

整個干擾場景中主要包括三類臺站：空間臺站（衛(wèi)星）、高空臺站（探空氣球）、地球表面臺站（包括探空接收系統(tǒng)地面臺站和衛(wèi)星地球站）；三類傳輸路徑：地球表面臺站之間的傳輸，高空平臺與地球表面臺站之間的傳輸，空間臺站與地球表面臺站之間的傳輸。

（1）地球表面臺站間的傳輸損耗

指衛(wèi)星移動通信地面終端與探空系統(tǒng)接收機之間的傳輸，主要參照P.452《0.1GHz以上地球表面兩個臺站之間的傳輸損耗預測》[14]。

（2）高空平臺與地表臺站間的傳輸損耗

高空平臺主要是指探空氣球，它升空的極限高度約為30 km。根據(jù)大氣層的分布特點，18 km以下為對流層，18 km～50 km之間為平流層（其中，18 km～30 km之間是平流下層，又稱為同溫層）。因此，在探空氣球放飛期間，將要分別經歷對流層和同溫層。傳播模型主要參考P.1409《在約1 GHz以上頻率使用高空平臺臺站和平流層其它高空臺站的系統(tǒng)的傳播數(shù)據(jù)和預測方法》以及P.619《空地臺站之間干擾評估所需的傳播數(shù)據(jù)》[16-17]。

（3）空間臺站與地表臺站間的傳輸損耗

主要是指衛(wèi)星平臺至地表臺站之間的傳輸損耗，通常采用自由空間傳播模型，參見P.525《自由空間損耗》以及P.619《空間和地表臺站之間干擾評估所需的傳播數(shù)據(jù)》[15-16]。

4.4 兼容共用分析

（1）MSS終端對探空站的干擾

1）基礎前提

當無線電探空儀處于距地最高點時，此時通常探空儀與接收機之間的傾距最大，氣象探空系統(tǒng)在斜距最大時，鏈路余量處于最小，容易受到干擾[5-6]。我國探空氣球大約升至30 km發(fā)生高空爆炸，達到最大探測斜距約200 km，此時天線主波束仰角約9°。由于探空氣球隨風飄移，地面跟蹤天線在方位向可0°～360°旋轉。MSS系統(tǒng)手持終端的部署位置不固定。因此，對于兩類位置和方位均不固定的系統(tǒng)而言，按照最惡劣情況，MSS終端正好位于探空站接收主波束的方位向上（如圖4中OL延長線上）。盡管氣球飄移軌跡不定，但地面上分布的MSS終端較多，上述這種狀況隨時可能發(fā)生。MSS業(yè)務覆蓋面積大，與氣象探空系統(tǒng)之間主要形成的是長期干擾，而不是短期增強干擾，因此，以大概率干擾分析為主。

圖4 MetAids站與MSS移動終端共用場景示意（下行）

2）分析計算及結論

要想避免MSS終端對探空接收站產生干擾，必須保持兩者之間具備一定的保護距離，使落入接收機的干擾信號能量滿足一定限值（即可允許的集總干擾門限I0），而這個限值I0又與探空系統(tǒng)的鏈路余量相關。因此，我們將依據(jù)限值I0推導出距離保護標準。集總干擾門限I0采用式(1)進行計算。

表4列出了探空站與MSS系統(tǒng)共存場景下，探空氣球在不同升空階段、區(qū)域內分布不同數(shù)量的MSS終端時，探空站所需的保護距離[3]。從表中可以看出：◆探空接收站指向氣球的仰角越小，就越易遭受影響。因此，MSS終端距離探空站的保護距離越大。隨著傾角的增大，探空站旁瓣泄露進來的干擾越小，MSS終端距離探空站的保護距離也逐漸減小?！綦S著區(qū)域內MSS終端分布數(shù)量的增多，探空站的鏈路余量將被多個系統(tǒng)吃掉。因此，為了確保達到探空站的集總干擾不變，每個MSS終端距離探空站的保護距離比單個干擾源存在時的保護距離更大。

（2）探空站上行雷達信號對衛(wèi)星的干擾

1）基礎前提

衛(wèi)星移動業(yè)務主要是小波束覆蓋，小區(qū)和小區(qū)之間呈無縫銜接。每個小區(qū)內，衛(wèi)星覆蓋的eirp值可以看成是恒定的，即每個小區(qū)都位于小波束的主波束內。氣象探空站布站間距大約為250 km，探空站基本處于衛(wèi)星移動業(yè)務小區(qū)內，或者位于某兩個小區(qū)的重疊部分，如圖5所示。

氣象探空站天線仰角的變化范圍是0°～90°。在MSS業(yè)務小區(qū)內，當探空天線主波束指向衛(wèi)星時，衛(wèi)星遭受的干擾概率最大。通常情況下，隨著氣球的飄移，探空站主波束指向衛(wèi)星的狀態(tài)將改變。但是，當“東西向”風速與“南北向”風速相當時，升空氣球將一直位于指向衛(wèi)星的波束內，此時衛(wèi)星將遭受持續(xù)干擾。

2）分析計算及結論

由于衛(wèi)星移動業(yè)務一般由上百個小波束提供，每個波束的張角大約在0.6°，根據(jù)計算結果可以看出，小區(qū)中的任何一點到達衛(wèi)星的斜距，R≈H(36 000 km)，如圖6所示。因此，無論探空站位于小區(qū)中心，還是小區(qū)邊緣，脈沖雷達信號到達衛(wèi)星的衰減值可看作相同。由于小區(qū)內氣象探空站的部署數(shù)量（或密度值）決定了對衛(wèi)星的影響程度，當在最惡劣情況下，探空站按等邊三角形分布，每個站的間距按要求最小是250 km，此時分布密度最高。而每個MSS小區(qū)（覆蓋直徑是376 km）中，最多能容納三個探空站，如圖6所示。假設當這三個探空站同時放飛氣球，每個氣球均位于衛(wèi)星與探空站的視線上，此時三個探空站的天線均處于高仰角發(fā)射，而且是最大指向，此時衛(wèi)星遭受的集總干擾最大。

表4 不同升空階段、不同數(shù)量干擾源下，探空站所需的保護距離

圖5 氣象探空站站與MSS移動終端共用場景示意（上行）

圖6 MSS小區(qū)探空站情況

通過計算目標接收機性能開始惡化時的IT（即最低干擾門限值），比較I和IT，如果I＞IT，則無法兼容，有：

鑒于雷達脈沖發(fā)射功率、天線主波束增益都比MSS終端的數(shù)值要大得多，當探空站天線指向衛(wèi)星時，單入干擾I/N達32.41 dB，遠遠大于電聯(lián)規(guī)定的門限值-12.2 dB，對MSS上行單載波信號造成嚴重影響。隨著氣球的漂移，探空站發(fā)射天線也隨之轉動，最大波束指向偏離衛(wèi)星，干擾情況會有一定改善，如圖7所示。但若要降至-12.2 dB的門限值，還需待氣球漂移一段時間后，才能使探空天線波束最大增益28.3 dB降至-16.32 dB。

圖7 探空站對衛(wèi)星天線指向變化

按照《無線電規(guī)則》附錄8中所示的天線旁瓣特性，可推算出-16.32 dB增益對應的偏軸角：當偏軸角大于48°時，偏軸增益小于-16.32 dB，可以使干擾程度降低。也就是說，當探空站天線的主波束偏離衛(wèi)星達到48°，就不會對衛(wèi)星產生干擾。但是在偏離的過程中，即探空站天線跟蹤氣球的過程，脈沖信號依然會對衛(wèi)星產生干擾。

5 結論

氣象探空站工作在低仰角時較易受到來自MSS終端的干擾，且其工作狀態(tài)跟當時的氣象環(huán)境密切相關，具有較強的不確定性。二次雷達體制的探空站由于其發(fā)射信號功率大，在跟蹤氣球的過程中，無論是主波束或者旁瓣波束都會對衛(wèi)星造成干擾。若MSS系統(tǒng)和氣象探空系統(tǒng)均采用上述傳統(tǒng)的使用和部署模式，系統(tǒng)的互擾風險無法避免，必須充分考慮分階段、分區(qū)域逐步實施推進MSS系統(tǒng)的區(qū)域性建設試驗以及氣象探空系統(tǒng)的更新?lián)Q代。