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1668~1675 MHz 衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)與無線電探空系統(tǒng)間的共存研究*

2015-03-18 05:51:16曾昱祺
電訊技術(shù) 2015年3期
關(guān)鍵詞:探空儀頻段氣象

楊 淼,潘 冀,曾昱祺,李 偉

(國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心,北京100037)

1 引 言

2003年,世界無線電大會(huì)在1518~1525 MHz/1668~1675 MHz頻段增加了衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)(Mobile Satellite Service,MSS)為主要業(yè)務(wù)的劃分。由于我國(guó)在1668~1675 MHz頻段部署了衛(wèi)星氣象和氣象輔助業(yè)務(wù),最終在《無線電規(guī)則》中以5.379E 腳注的形式來進(jìn)行保護(hù),而沒有進(jìn)行詳細(xì)的兼容共存分析。而在《中華人民共和國(guó)無線電頻率劃分規(guī)定》中將上述兩個(gè)頻段的衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)作為次要業(yè)務(wù)在中國(guó)內(nèi)地地區(qū)進(jìn)行了劃分[1-2]。

隨著世界上各國(guó)空間業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展,國(guó)際衛(wèi)星頻率及空間軌位資源競(jìng)爭(zhēng)加劇,我國(guó)能確保優(yōu)先地位并且適合建立全球性移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率少之又少,而我國(guó)還沒有自建的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng),在海上應(yīng)用、災(zāi)難應(yīng)急、野外勘探等領(lǐng)域,只能過度依賴國(guó)外的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。因此,研究在新劃分的衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的L 頻段引入我國(guó)自主的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)十分重要[3]。

在我國(guó)內(nèi)地地區(qū)的1668~1675 MHz 頻段中,除了衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)(地對(duì)空)為次要業(yè)務(wù)之外,固定業(yè)務(wù)、移動(dòng)業(yè)務(wù)、衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)(空對(duì)地)、氣象輔助業(yè)務(wù)、空間研究和射電天文業(yè)務(wù)均為主要業(yè)務(wù),其中存在實(shí)際系統(tǒng)的主要是衛(wèi)星氣象和氣象輔助業(yè)務(wù)。

我國(guó)依據(jù)國(guó)際衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)使用趨勢(shì),基本已將衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)移至1683~1700 MHz高頻段中使用,而在1683~1700 MHz頻段衛(wèi)星氣象與衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的共存研究早在2003年世界無線電大會(huì)上就給出了不同環(huán)境下對(duì)衛(wèi)星氣象地球站的隔離距離[4-7]。文獻(xiàn)[4-5]研究了衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)與射電天文業(yè)務(wù)的共存情況,在1660~1670 MHz頻段中,衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)電臺(tái)需與射電天文業(yè)務(wù)電臺(tái)保持20~58 km 的隔離距離。文獻(xiàn)[6]對(duì)1668. 4~1675 MHz移動(dòng)業(yè)務(wù)與衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)(地對(duì)空)的共存進(jìn)行了研究,對(duì)于該頻段內(nèi)的可搬移式無線電接力系統(tǒng)對(duì)對(duì)地靜止軌道方向的等效全向輻射功率(EIRP)不得超過-27 dBW/4 kHz。文獻(xiàn)[7]對(duì)1~3 GHz內(nèi)衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)與固定業(yè)務(wù)進(jìn)行過前瞻性的研究,并得出使用L 頻段通用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)兩種業(yè)務(wù)共存。文獻(xiàn)[1]9.11A 款給出了移動(dòng)地球站和空間研究(無源)電臺(tái)在1668~1668.4 MHz頻段的協(xié)調(diào)程序。

雖然上述文獻(xiàn)圍繞1668~1675 MHz頻段衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)之間的共存進(jìn)行了研究,但在該頻段針對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)與我國(guó)主要的氣象輔助業(yè)務(wù)無線電探空儀系統(tǒng)之間的共存,在國(guó)內(nèi)外仍未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此,本文針對(duì)1668~1675 MHz頻段的衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)與我國(guó)氣象輔助業(yè)務(wù)的無線電探空儀系統(tǒng)進(jìn)行共存研究,以期為我國(guó)無線電管理部門對(duì)該頻段的規(guī)劃提供理論支撐。

2 主要的無線電系統(tǒng)

2.1 無線電探空儀系統(tǒng)

目前,我國(guó)在1668.4~1683 MHz頻段的氣象輔助業(yè)務(wù)主要為無線電探空儀系統(tǒng),該系統(tǒng)采用二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)(GFE(L)1 型)與無線電探空儀(GTS1型)配合工作[9]。工作原理為:探空儀通過地面基值測(cè)定后由氣球攜帶升空,雷達(dá)不斷發(fā)出詢問脈沖信號(hào),隨時(shí)根據(jù)探空儀的頻率變化改變自身的接收和發(fā)射頻率,自動(dòng)跟蹤探空儀。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同,適于無線電探空儀接收的最大范圍為200~350 km。無線電探空儀升空速度約為5 m/s,其軌道取決于當(dāng)時(shí)的風(fēng)力條件。在測(cè)量的末段時(shí),無線電探空儀系統(tǒng)通信鏈路最差,這是因?yàn)楫?dāng)無線電探空儀處于距地最高點(diǎn)時(shí)探空儀與二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)之間的傾距最大[8]。本文共存研究采用的二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和無線電探空儀的參數(shù)如表1和表2所示。

表1 我國(guó)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)參數(shù)(GFE(L)1 型)Table 1 Parameters of the secondary wind-finding radar in China(GFE(L)1)

表2 我國(guó)無線電探空儀性能參數(shù)(GTS1 型)Table 2 Parameters of radiosonde in China(GTS1)

2.2 衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)

目前存在的衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)主要包括國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)Inmarsat、亞洲蜂窩衛(wèi)星系統(tǒng)、Thuraya 系統(tǒng)等對(duì)地靜止軌道(GeoStationary Orbit,GSO)衛(wèi)星系統(tǒng)和銥星系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)、Orbcomm 系統(tǒng)等非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。中國(guó)尚無自建的商用衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng),現(xiàn)使用的都是外商建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng),因此本文結(jié)合國(guó)際電信聯(lián)盟建議書中給出的幾種L 頻段典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)參數(shù)(見表3和表4)進(jìn)行兼容性研究[6,10]。

表3 L 頻段GSO 衛(wèi)星空間電臺(tái)典型參數(shù)Table 3 Parameters of GSO satellite space station in L band

表4 L 頻段衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)終端參數(shù)Table 4 Parameters of mobile satellite terminal in L band

3 潛在干擾分析

衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)在1668~1675 MHz 頻段為地對(duì)空頻段,即衛(wèi)星上行鏈路,而無線電探空儀系統(tǒng)在該頻段是雙向通信,即二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和無線電探空儀都要收發(fā)信息。因此,干擾鏈路主要集中在:衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)接收的干擾;衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)探空氣球的干擾;二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)發(fā)射對(duì)衛(wèi)星的干擾;探空氣球發(fā)射對(duì)衛(wèi)星的干擾。由于二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的等效全向輻射功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無線電探空儀的等效全向輻射功率,以及二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)接收信號(hào)的強(qiáng)度要低于無線電探空儀的接收信號(hào)強(qiáng)度,因此主要分析二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)發(fā)射對(duì)衛(wèi)星的干擾和衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)接收的干擾這兩個(gè)干擾鏈路,如圖1所示。

圖1 潛在干擾分析示意圖Fig.1 Sketch map for potential interference analysis

根據(jù)ITU-R P 系列建議書,對(duì)于雷達(dá)到衛(wèi)星的干擾路徑,選擇自由空間傳播模型進(jìn)行計(jì)算;對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)終端到雷達(dá)的傳播路徑,選擇繞射傳播模型進(jìn)行分析計(jì)算[11-12]。

如何讓旅游紀(jì)念品走出同質(zhì)化怪圈?各景區(qū)要舍得投入人力財(cái)力,挖掘地域特色文化,搞旅游商品研發(fā),打造離開本景區(qū)就買不到的特色紀(jì)念品。各地相關(guān)部門應(yīng)針對(duì)地區(qū)文化挖掘、研發(fā)文創(chuàng)產(chǎn)品,加大人才培養(yǎng)力度。文化、版權(quán)保護(hù)等部門應(yīng)注重旅游紀(jì)念品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù),知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)不到位,會(huì)影響旅游紀(jì)念品研發(fā)的積極性,也會(huì)拖累文創(chuàng)市場(chǎng)的發(fā)展。

對(duì)衛(wèi)星的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)采用建議書ITU-R M.1799中給出的“長(zhǎng)期”共用標(biāo)準(zhǔn),即ΔT/T =6%或I/N =-12 dB。對(duì)氣象輔助業(yè)務(wù)地面接收的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)采用建 議 書ITU- R RS. 1263- 1 《在400. 15~406 MHz和1668.4~1700 MHz頻段工作的氣象輔助業(yè)務(wù)的干擾標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行計(jì)算[13]。

4 算法與仿真分析

4.1 衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的干擾

4.1.1 算法描述

單個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)終端在二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)接收站處產(chǎn)生的干擾功率如下:

式中,I 是衛(wèi)星移動(dòng)終端在雷達(dá)接收處產(chǎn)生的干擾功率(dBm);EIRP 是衛(wèi)星移動(dòng)終端的等效全向輻射功率(dBm),這里假定沒有功率控制;Gr是雷達(dá)接收天線在衛(wèi)星移動(dòng)終端發(fā)射方向上的增益(dBi);Lp是衛(wèi)星移動(dòng)終端到雷達(dá)的路徑損耗(dB)。

多個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的總干擾為

式中,It是雷達(dá)接收到的總干擾功率(dBm);Ii是第i 個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)終端在雷達(dá)接收站處產(chǎn)生的干擾功率(mW);需要注意的是,這里的干擾功率需要換算成以mW 為單位的數(shù)值。

根據(jù)以上公式,按下述流程對(duì)保護(hù)距離進(jìn)行計(jì)算:

(1)設(shè)定求解保護(hù)距離的初值d=dmax-dstep;

(3)對(duì)步驟2 的過程重復(fù)1000 次,并統(tǒng)計(jì)總干擾功率PI大于門限I 的概率;

(4)若干擾概率大于20%,則d-dstep即為所求的保護(hù)距離;若干擾概率小于20%,則d =d-dstep,接著跳轉(zhuǎn)到步驟2 執(zhí)行下一次循環(huán)。

圖2 算法流程圖Fig.2 Flow chart of algorithm

4.1.2 仿真場(chǎng)景及結(jié)果

假設(shè)在二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)為中心的圓形區(qū)域內(nèi)考慮無線電探空儀的工作范圍,設(shè)定半徑為250 km,衛(wèi)星終端在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布,同時(shí)隨機(jī)生成干擾鏈路,如圖3所示。采用Monte Carlo 仿真方法,將整個(gè)仿真過程采樣為若干個(gè)時(shí)刻,在每個(gè)時(shí)刻假定路徑損耗和發(fā)射功率都保持不變,計(jì)算所有時(shí)刻的總干擾,用統(tǒng)計(jì)方法加以分析,最終得到衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的保護(hù)距離[14]。這里采用ITU-R RS.1263 中給出的長(zhǎng)時(shí)保護(hù)準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,即認(rèn)為有20%的統(tǒng)計(jì)概率的情況下的總干擾功率小于門限-155.2 dBW/Hz時(shí),認(rèn)為衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)接收站不構(gòu)成有害干擾。

圖3 衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)干擾場(chǎng)景Fig.3 The scene of interference from mobile satellite terminal to radar

對(duì)不同密度的衛(wèi)星移動(dòng)終端分布分別統(tǒng)計(jì)1000 次隨機(jī)分布的情況下的總干擾。根據(jù)建議書ITU-R M.1316,衛(wèi)星移動(dòng)終端到二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的傳播模型選擇ITU-R P.526 給出的繞射模型,雷達(dá)天線高度為10 m,衛(wèi)星移動(dòng)終端高度為1.5 m,仿真結(jié)果如圖4~7所示。

圖4 對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的保護(hù)距離隨衛(wèi)星移動(dòng)終端(類型A)密度變化曲線Fig.4 Curve of protection distance to secondary wind-finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type A)

圖5 對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的保護(hù)距離隨衛(wèi)星移動(dòng)終端終端(類型B)密度變化曲線Fig.5 Curve of protection distance to secondary wind-finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type B)

圖6 對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的保護(hù)距離隨衛(wèi)星移動(dòng)終端(類型C)密度變化曲線Fig.6 Curve of protection distance to secondary wind-finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type C)

圖7 對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的保護(hù)距離隨衛(wèi)星移動(dòng)終端(類型D)密度變化曲線Fig.7 Curve of protection distance to secondary wind-finding radar varing with density of mobile satellite terminal(Type D)

圖4~7仿真了不同類型的衛(wèi)星移動(dòng)終端對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)干擾的情況,從圖中可以看出隨著終端密度的增加,對(duì)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的保護(hù)距離逐漸增加。以B 類型終端為例,按照每平方千米1 個(gè)終端計(jì)算,二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)與衛(wèi)星移動(dòng)終端需要65 km以上的保護(hù)距離。若考慮突發(fā)事件終端密度急劇增加的情況,假設(shè)終端密度為50 個(gè)/km2計(jì)算,二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)與衛(wèi)星移動(dòng)終端需要80 km以上的保護(hù)距離才能實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的共存。目前,我國(guó)在全國(guó)范圍內(nèi)部署了120 多個(gè)民用的二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng),因此很難實(shí)現(xiàn)兩者同頻的兼容共存。

4.2 二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)空間衛(wèi)星的干擾

4.2.1 算法描述

計(jì)算中采用4 kHz 為基準(zhǔn)帶寬,根據(jù)I/N =-12 dB的保護(hù)準(zhǔn)則[15],由衛(wèi)星熱噪聲推導(dǎo)基準(zhǔn)帶寬內(nèi)允許地面發(fā)射的最大等效全向輻射功率(dB)為

式中,K 為玻爾茲曼常數(shù),T 為衛(wèi)星接收機(jī)噪聲溫度,Bs為衛(wèi)星基準(zhǔn)帶寬,Gs為衛(wèi)星空間電臺(tái)的天線增益,Lp為從地面到衛(wèi)星空間電臺(tái)的自由空間傳播損耗,D 為極化差異。Lp(dB)計(jì)算公式如下:

二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的實(shí)際發(fā)射的EIRP(dB)為

式中,Pr為雷達(dá)發(fā)射功率,Lw為線損,Gr為雷達(dá)在衛(wèi)星方向上的天線增益,Br為雷達(dá)信號(hào)帶寬。

計(jì)算干擾超出值(dB)為

4.2.2 仿真場(chǎng)景及結(jié)果

如圖8所示,假設(shè)衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)空間電臺(tái)位于GSO 軌道,計(jì)算單個(gè)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)空間衛(wèi)星的干擾情況。該場(chǎng)景是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單鏈路,因此采用確定性計(jì)算方法,分別計(jì)算二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)天線主瓣和旁瓣正對(duì)衛(wèi)星空間電臺(tái)的情況下對(duì)其產(chǎn)生的單鏈路干擾。雷達(dá)發(fā)射到衛(wèi)星接收的電波傳播模型采用自由空間傳播損耗進(jìn)行計(jì)算。雷達(dá)發(fā)射參數(shù)參考表1,發(fā)射功率為15 kW,發(fā)射帶寬為10.5 MHz,天線主瓣和旁瓣增益分別為26 dBi和18 dBi。衛(wèi)星參數(shù)見表3,衛(wèi)星接收機(jī)噪聲溫度為501 K,基準(zhǔn)帶寬為4 kHz,I/N=-12 dB,天線增益為41 dBi,極化差異為3 dB。

圖8 二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)干擾空間衛(wèi)星鏈路場(chǎng)景Fig.8 The scene of interference from secondary wind-finding radar to space satellite

表5分別計(jì)算了雷達(dá)天線仰角為30°和40°時(shí)二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)衛(wèi)星空間電臺(tái)的干擾,二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)的最大等效全向輻射功率為41. 8 + 26 =67.8 dBW。二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)與衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)在1668~1675 MHz頻段共存時(shí),雷達(dá)發(fā)射對(duì)衛(wèi)星空間電臺(tái)造成了干擾,天線主瓣方向正對(duì)衛(wèi)星時(shí)干擾超出保護(hù)限值約60 dB,天線旁瓣方向正對(duì)衛(wèi)星時(shí)干擾超出保護(hù)限值約16 dB。因此,當(dāng)衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)在1668~1675 MHz頻段工作時(shí),二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)會(huì)對(duì)衛(wèi)星空間電臺(tái)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干擾。

表5 二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)發(fā)射對(duì)衛(wèi)星空間電臺(tái)的干擾計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation result of interference from secondary wind-finding radar to satellite space station

5 結(jié)束語

本文針對(duì)我國(guó)L 頻段1668~1675 MHz氣象輔助業(yè)務(wù)無線電探空儀系統(tǒng)和衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了兼容共存分析。根據(jù)仿真結(jié)果可知,當(dāng)衛(wèi)星移動(dòng)終端密度為50 個(gè)/km2時(shí),二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)所需的保護(hù)距離達(dá)60~80 km,而二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)同頻衛(wèi)星系統(tǒng)干擾過大,主瓣方向超過國(guó)際保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)60 dB。因此,我國(guó)現(xiàn)有的無線電探空儀系統(tǒng)與衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)在1668~1675 MHz頻段難以實(shí)現(xiàn)兼容共存。需要注意的是,本文仿真研究基于系統(tǒng)抽象模型,只分析了鏈路級(jí)的仿真計(jì)算,并沒有考慮到系統(tǒng)級(jí)和實(shí)際環(huán)境等因素。當(dāng)考慮環(huán)境因素和系統(tǒng)級(jí)參數(shù)時(shí),實(shí)際所需的保護(hù)距離會(huì)稍有減小。

目前,我國(guó)頻率劃分中明確劃分給氣象輔助業(yè)務(wù)系統(tǒng)的頻率范圍是1668.4~1683 MHz頻段,而由于無線電探空儀系統(tǒng)存在很大的頻率漂移,實(shí)際工作頻率已經(jīng)超出了這個(gè)范圍。我國(guó)要在1668~1675 MHz頻段引入衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)系統(tǒng),可考慮將無線電探空儀系統(tǒng)的工作頻段上移到1675~1683 MHz,同時(shí)通過技術(shù)改進(jìn)來減小頻漂,并保證其帶外輻射功率不超過-27.2 dBW/4kHz,即有可能實(shí)現(xiàn)鄰頻共存。此外,采用基于“北斗”的新型氣象輔助探空系統(tǒng)也可以從根本上解決以上問題。以上兩個(gè)解決方案都值得進(jìn)一步研究。

不論采用哪種方案解決共存問題,不僅要考慮到技術(shù)的可行性,還要考慮到系統(tǒng)升級(jí)改造成本以及時(shí)間代價(jià)等方面的問題。本文的研究結(jié)果具有一定的參考性和實(shí)用性,可支撐我國(guó)無線電管理部門對(duì)該頻段業(yè)務(wù)的再次劃分。

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