衛(wèi)星頻率和軌道資源管理的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

梁曉陽 田磊 趙斌

【摘要】為保障衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，持續(xù)優(yōu)化衛(wèi)星頻率和軌道資源管理，全球各國正在加快推進(jìn)衛(wèi)星頻率和軌道資源管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。本文分析了全球衛(wèi)星頻率資源發(fā)展態(tài)勢，衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展對衛(wèi)星頻率資源的需求，以及新形勢下我國面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星頻率；軌道資源管理；機(jī)遇挑戰(zhàn)

中圖分類號：G212 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.12.066

隨著“新基建”“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”和“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”等國家戰(zhàn)略的實(shí)施，我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。如何優(yōu)化提升我國太空頻譜資源利用效率，保障衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，是需要認(rèn)真研究解決的重大課題。

1. 全球衛(wèi)星頻率資源發(fā)展態(tài)勢

頻率軌道資源為太空中運(yùn)行的各類空間基礎(chǔ)設(shè)施所依賴。為適應(yīng)未來空間應(yīng)用發(fā)展的需要，各國不斷加強(qiáng)衛(wèi)星頻率軌道資源管理，優(yōu)化衛(wèi)星頻率軌道資源配置，提高衛(wèi)星頻率軌道資源利用效率。

一是采用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面業(yè)務(wù)系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃、使用、管理一體化，促進(jìn)衛(wèi)星和地面業(yè)務(wù)系統(tǒng)高效率、低成本運(yùn)行。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程的加快和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，數(shù)據(jù)采集處理、決策支持等數(shù)字化需求日益強(qiáng)烈。目前，全球已有13家組織、15個國家和地區(qū)正在開展數(shù)字空間頻譜管理工作，推動衛(wèi)星和地面業(yè)務(wù)系統(tǒng)頻譜規(guī)劃、使用、管理一體化進(jìn)程。

二是充分發(fā)揮衛(wèi)星頻率軌道資源的作用，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供全方位服務(wù)。全球各國結(jié)合各自實(shí)際需求，不斷完善和提升衛(wèi)星頻率軌道資源使用效率。美國充分發(fā)揮衛(wèi)星頻率軌道資源的作用，支撐其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；英國重視太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)衛(wèi)星頻率和軌道資源在通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用；加拿大依托衛(wèi)星頻率軌道資源開展科學(xué)研究活動，為政府決策提供科技支撐。

2. 衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展對衛(wèi)星頻率資源的需求

近年來，衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。美國是全球衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，2018年其衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占全球總量的比例高達(dá)30%。我國是世界上第一個將衛(wèi)星應(yīng)用上升到國家戰(zhàn)略層面的國家，衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位也隨之大幅提升。與此同時，由于衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈長、涉及面廣，衛(wèi)星頻率資源短缺和資源利用效率低下等問題日益突出。2016年我國首次公布了“十三五”規(guī)劃綱要，其中明確提出將5G作為支撐經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施之一。而空間通信網(wǎng)絡(luò)是5G等各類新型通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，是5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋的關(guān)鍵。為保障我國新興業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)等新基建應(yīng)用持續(xù)健康發(fā)展，需要建立完善可靠的衛(wèi)星頻率資源管理機(jī)制，保障衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

近年來，在新基建和“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”等國家戰(zhàn)略的推動下，我國衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已具備了較強(qiáng)的發(fā)展基礎(chǔ)和潛力。但從目前衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，仍存在資源分布不均衡、不合理等問題。為此，應(yīng)加強(qiáng)協(xié)調(diào)溝通、規(guī)范管理，統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)化分配我國有限的太空頻段資源。同時積極研究開展全球衛(wèi)星頻率和軌道資源管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。

3. 面臨的問題與挑戰(zhàn)

第一，衛(wèi)星頻率劃分過寬，重復(fù)頻率沖突頻繁。由于我國衛(wèi)星頻段較寬，而且隨著發(fā)射頻率和發(fā)射功率的增加，現(xiàn)有頻率資源的限制也越來越明顯。為了在不增加地面基站發(fā)射功率的前提下滿足新系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，必然要求在部分地面基站上使用部分頻率資源，造成現(xiàn)有頻率資源緊張，由此產(chǎn)生了“新老系統(tǒng)之間、地面基站和衛(wèi)星之間、衛(wèi)星和地面之間”等頻率干擾問題。

第二，部分衛(wèi)星發(fā)射單位對衛(wèi)星頻率資源的使用未進(jìn)行申報(bào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已申請并獲得使用許可的衛(wèi)星頻道約300個，其中約100個（包括我國）是用在地面移動通信系統(tǒng)中。而這些衛(wèi)星頻道的使用主要集中在有限的地面移動通信系統(tǒng)和電視廣播系統(tǒng)中。

第三，新發(fā)射衛(wèi)星頻率分配過快導(dǎo)致衛(wèi)星軌道資源緊張。目前全球包括通信、遙感、導(dǎo)航、電視、科學(xué)試驗(yàn)和中繼在內(nèi)的在軌衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)3000顆左右。且隨著“銥”星星座的投入使用，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)掀起了第二次浪潮，到2023年2月底，低軌星座巨頭“星鏈”發(fā)射數(shù)量已突破4000顆大關(guān)。未來還會有更多低軌道衛(wèi)星發(fā)射升空。由于規(guī)劃與建設(shè)過程中未對新發(fā)射頻率進(jìn)行充分論證或規(guī)劃不合理，導(dǎo)致未來低軌道和高軌道衛(wèi)星空間頻道可能出現(xiàn)嚴(yán)重的空間擁擠問題，將影響部分中低軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行。

第四，未充分考慮地面設(shè)備的影響。對于地面設(shè)備的發(fā)射功率限制已有相應(yīng)要求。而由于各種通信系統(tǒng)及終端所用傳輸介質(zhì)不同，造成實(shí)際發(fā)射功率遠(yuǎn)小于其理論功率。尤其是移動通信系統(tǒng)所用傳輸介質(zhì)多為水和空氣，其實(shí)際發(fā)射功率往往較理論發(fā)射功率低出10～100倍。

3.1 中國資源管理面臨的挑戰(zhàn)

在新時代背景下，我國衛(wèi)星頻率資源管理面臨著一系列的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，包括：

①衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求多樣化，新技術(shù)、新體制不斷涌現(xiàn)，對頻譜資源的需求越來越大，頻率資源供需矛盾日益突出；②國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展變化快，新技術(shù)、新體制不斷涌現(xiàn)，國際協(xié)調(diào)難度加大；③衛(wèi)星頻率資源申請主體和使用主體數(shù)量越來越多，管理任務(wù)十分繁重；④衛(wèi)星頻率和軌道資源使用方式多樣化，在頻率使用許可、臺站協(xié)調(diào)等方面需創(chuàng)新工作方法；⑤衛(wèi)星頻率資源使用的國際規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，針對我國衛(wèi)星頻率和軌道資源管理的國際協(xié)調(diào)需求日益突出。衛(wèi)星頻率和軌道資源管理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，既要堅(jiān)持依法合規(guī)管理的基本原則，又要適應(yīng)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形勢新需求；既要運(yùn)用經(jīng)濟(jì)、行政手段來加強(qiáng)資源管理工作，又要注重發(fā)揮市場機(jī)制作用來提高資源使用效率；既要與國家戰(zhàn)略發(fā)展相銜接、服務(wù)大局相一致，又要順應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展趨勢；既要與國際規(guī)則接軌、擴(kuò)大對外開放相一致，又要服務(wù)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求。因此，對衛(wèi)星頻率和軌道資源進(jìn)行精細(xì)化管理的核心在于充分挖掘現(xiàn)有資源潛力。

3.2 全球衛(wèi)星業(yè)務(wù)和頻率資源需求持續(xù)增長，衛(wèi)星業(yè)務(wù)類型不斷拓展

從全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢來看，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)增長勢頭明顯。從衛(wèi)星移動通信產(chǎn)業(yè)來看，根據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組最新發(fā)布的《全球移動通信產(chǎn)業(yè)展望》預(yù)測，到2022年，全球移動通信市場規(guī)模將達(dá)到1.6萬億美元。其中，全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到456億美元。從衛(wèi)星業(yè)務(wù)類型來看，固定和移動寬帶、個人通信、衛(wèi)星直播電視、網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)等衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，全球衛(wèi)星寬帶用戶數(shù)將在2021年達(dá)到5.15億。從用戶的地域分布來看，北美和亞洲是全球固定寬帶用戶數(shù)最多的地區(qū)，歐洲地區(qū)是全球個人用戶數(shù)最多的地區(qū)，其他國家和地區(qū)的用戶數(shù)也均在1億左右。

從業(yè)務(wù)增長態(tài)勢來看，固定寬帶市場將進(jìn)一步放緩，衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求增長強(qiáng)勁。預(yù)計(jì)到2022年，全球固定寬帶業(yè)務(wù)將保持高速增長，預(yù)計(jì)到2022年達(dá)到3.5萬億美元；個人通信業(yè)務(wù)和衛(wèi)星電視業(yè)務(wù)增長也非常強(qiáng)勁；隨著衛(wèi)星直播電視、個人通信市場的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2022年將分別達(dá)到1.1萬億美元和700億美元。

3.3 衛(wèi)星通信應(yīng)用發(fā)展迅速，新業(yè)務(wù)、新技術(shù)、新體制層出不窮，給頻譜管理帶來更大挑戰(zhàn)

由于衛(wèi)星通信的頻譜資源有限，且其使用涉及地面和空間兩個維度，因此必須通過有效的管理措施來保障其安全可靠地運(yùn)行。但當(dāng)前世界各國對衛(wèi)星通信技術(shù)和應(yīng)用的認(rèn)知程度還不高，新業(yè)務(wù)、新技術(shù)和新體制層出不窮，給衛(wèi)星頻譜管理帶來了更大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，全球衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（如寬帶廣播、移動通信和無線接入服務(wù)）、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)（如移動網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急通信、定位與導(dǎo)航服務(wù)）、衛(wèi)星固定終端業(yè)務(wù)（如車載、固定、便攜終端等）、衛(wèi)星電視（如地面電視廣播）等。其中，后兩種業(yè)務(wù)主要涉及地面無線廣播電視頻譜資源的使用。

3.3.1 衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)快速發(fā)展，要求充分利用地面無線頻譜資源

衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)包括衛(wèi)星寬帶廣播、移動通信、無線接入服務(wù)等業(yè)務(wù)，其中寬帶廣播業(yè)務(wù)又分為Ku波段和VHF/UHF波段兩種。隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域，衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和移動業(yè)務(wù)都得到了較好的應(yīng)用。

其中，衛(wèi)星寬帶廣播業(yè)務(wù)屬于地面寬帶廣播技術(shù)的一種，使用固定的地面無線頻率資源，提供基于固定寬帶的廣播服務(wù)。這種業(yè)務(wù)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來，以每年兩倍以上的速度增長。但由于其業(yè)務(wù)特點(diǎn)等原因，這種服務(wù)目前在世界上許多國家和地區(qū)并不被廣泛認(rèn)可和使用。因此，必須充分利用地面無線頻譜資源，特別是現(xiàn)有地面廣播電視頻率資源來發(fā)展衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)。

3.3.2 衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)、衛(wèi)星固定終端業(yè)務(wù)及衛(wèi)星電視業(yè)務(wù)的發(fā)展，給頻譜管理帶來了新挑戰(zhàn)

衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)是指支持手機(jī)、手持移動終端等的衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)，其主要特點(diǎn)是對地面頻段沒有任何要求，并且可以不受地面頻段資源限制進(jìn)行大范圍、大容量的衛(wèi)星移動通信。衛(wèi)星電視業(yè)務(wù)則是指通過衛(wèi)星向用戶提供電視節(jié)目或視頻流服務(wù)，其主要特點(diǎn)是對地面頻段資源具有嚴(yán)格限制。這些業(yè)務(wù)對頻譜資源有特定的需求，一般需要按照先申請先得的原則使用頻譜。由于這些業(yè)務(wù)對頻譜資源具有特定需求，因此對于上述衛(wèi)星固定終端和衛(wèi)星電視等業(yè)務(wù)，就需要考慮如何進(jìn)行頻譜分配。

3.3.3 技術(shù)快速發(fā)展帶來挑戰(zhàn)，頻譜管理技術(shù)手段面臨挑戰(zhàn)

近年來，隨著衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展，同時也出現(xiàn)了一些新的干擾情況，例如系統(tǒng)間干擾、地面接收設(shè)備干擾、地面/衛(wèi)星干擾等。這些干擾不一定是由衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備本身產(chǎn)生的，也可能是由其他系統(tǒng)產(chǎn)生的。面對這一新的情況，無論是ITU還是ITU下屬機(jī)構(gòu)都缺乏有效應(yīng)對措施。此外，隨著技術(shù)快速發(fā)展和衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，目前頻譜管理技術(shù)手段也存在挑戰(zhàn)。根據(jù)ITU的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備之間或衛(wèi)星與地面接收站之間存在干擾時，干擾信號必須能夠被識別，如果不能被識別，則無法進(jìn)行干擾抑制和消除。因此，目前ITU對衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備和衛(wèi)星與地面接收站之間的干擾采取了如下應(yīng)對措施：傳統(tǒng)的干擾信號分析技術(shù)，如頻譜感知、無線電定位等；非接觸式、可穿戴式設(shè)備技術(shù)；在確保無線電系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行干擾抑制的措施和手段，目前，技術(shù)還僅停留在研究階段，且缺乏成熟的解決方案；通過協(xié)調(diào)機(jī)制、系統(tǒng)間干擾協(xié)調(diào)解決機(jī)制或通過協(xié)調(diào)機(jī)制建立一種新的電磁環(huán)境監(jiān)管策略來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面移動基站之間的干擾抑制和消除；通過監(jiān)測和分析衛(wèi)星信號對地面移動基站或終端信號的影響，基于此對衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行電磁干擾保護(hù)或抗干擾的方法。

目前，ITU通過建立相關(guān)流程和規(guī)范來確保上述應(yīng)對措施能夠得到有效實(shí)施。首先，ITU設(shè)立了一個常設(shè)工作組，以確保相關(guān)部門之間能夠相互支持和配合。其次，ITU會根據(jù)頻譜管理的現(xiàn)狀制定相應(yīng)的頻率使用準(zhǔn)則、法規(guī)、指南等。例如規(guī)定了衛(wèi)星系統(tǒng)在頻率分配使用上可采用的方法和手段等。第三，ITU還會根據(jù)具體情況制定相應(yīng)的規(guī)劃和策略來實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)對措施。例如衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在不同頻段之間、不同業(yè)務(wù)之間如何進(jìn)行信號檢測或干擾抑制等方面目前都缺乏相關(guān)技術(shù)指南和政策指導(dǎo)。

4. 結(jié)束語

當(dāng)前，全球衛(wèi)星頻率軌道資源使用、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍處于重要的戰(zhàn)略機(jī)遇期，發(fā)展形勢復(fù)雜嚴(yán)峻，但也存在新技術(shù)應(yīng)用、新產(chǎn)業(yè)形態(tài)快速發(fā)展帶來的諸多新問題和新挑戰(zhàn)。我國衛(wèi)星頻軌資源管理工作是在改革開放以來特別是近十年來不斷發(fā)展完善的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年努力才取得了長足進(jìn)步。加強(qiáng)我國衛(wèi)星頻軌資源管理，保障我國太空頻軌資源的高效利用和服務(wù)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是我們面臨的一項(xiàng)重要課題。

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作者簡介：梁曉陽，山東泰安人，研究方向：衛(wèi)星頻率方向.