摘要：針對(duì)使用Ka頻段的合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）的近地軌道（LEO）衛(wèi)星對(duì)我國(guó)地面雷達(dá)系統(tǒng)的潛在干擾問(wèn)題開(kāi)展研究，在梳理國(guó)際電信聯(lián)盟技術(shù)建議書和《無(wú)線電規(guī)則》的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和干擾仿真等手段，對(duì)特定搭載SAR載荷的低軌衛(wèi)星在完整周期內(nèi)對(duì)地面氣象雷達(dá)的干擾問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算。研究結(jié)果表明，在SAR衛(wèi)星與地面氣象雷達(dá)有重疊部分的頻段，考慮雷達(dá)部署特性和衛(wèi)星軌道特性，衛(wèi)星對(duì)地面氣象雷達(dá)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。分析過(guò)程和結(jié)果對(duì)類似場(chǎng)景的星地頻率兼容分析提供參考，對(duì)Ka頻段雷達(dá)和SAR的工程預(yù)研和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：Ka頻段；近地軌道衛(wèi)星；SAR；地面氣象雷達(dá)；干擾分析

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.032

中圖分類號(hào)：TN 92；TN 97 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-00-05

Interference Characterization of Ground Radar by Low-Orbit SAR Satellites

at 35.5-36 GHz in Ka Band

GU Shunjie， LIN Lei， LIU Shanshan

（The State Radio_monitoring_center Testing Center， Beijing 100041， China）

Abstract： Research has been carried out on the potential interference of low-Earth orbit （LEO） satellites using Ka-band Synthetic Aperture Radar （SAR） with China's terrestrial radar system. On the basis of sorting out the International Telecommunication Union’s recommendations and Radio Regulations， the interference problem of a specific SAR-carrying LEO satellite on the ground-based meteorological radar during a complete cycle is analyzed and calculated by means of theoretical analysis and interference simulation. The results of the study show that in the frequency bands where there is an overlap between SAR satellites and ground-based meteorological radars， the satellites will not cause serious interference to radars， taking into account the deployment characteristics of the radars and the orbit characteristics of the satellites. The analytical process and results provide reference for satellite-terrestrial frequency compatibility analysis of similar scenarios and are of guiding significance for the engineering pre-study and application of Ka-band radar and SAR.

Keywords： Ka-band; LEO; SAR; ground-based meteorological radar; interference analysis

0 引言

近年來(lái)，隨著各國(guó)星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，多星組網(wǎng)、高寬帶、多天線的低軌SAR衛(wèi)星開(kāi)始投入使用，使得SAR衛(wèi)星系統(tǒng)分辨率提升、覆蓋范圍提升或連續(xù)覆蓋能力提升，SAR衛(wèi)星系統(tǒng)能夠更快發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、確認(rèn)、描述目標(biāo)信息或更準(zhǔn)確地判定目標(biāo)位置。SAR衛(wèi)星系統(tǒng)具備全天候、全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)能力，在地圖測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)視等領(lǐng)域的作用日益凸顯。目前投入使用的低軌SAR衛(wèi)星使用頻段包括L頻段、C頻段、X頻段、Ku頻段和Ka頻段等。

在上述各頻段中，均存在SAR衛(wèi)星信號(hào)與同頻地面雷達(dá)信號(hào)之間的潛在干擾問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)使用Ka頻段的SAR衛(wèi)星和地面雷達(dá)的數(shù)量較少，在潛在大規(guī)模應(yīng)用前，對(duì)Ka頻段SAR衛(wèi)星和地面雷達(dá)的兼容問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)后續(xù)工程預(yù)研和正常使用有重要指導(dǎo)意義。

本文將著眼于Ka頻段35.5-36 GHz低軌SAR衛(wèi)星與地面雷達(dá)之間的兼容共用問(wèn)題，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法進(jìn)行梳理，并通過(guò)仿真分析星載SAR對(duì)地面雷達(dá)的干擾情況，給出分析結(jié)論。

1 Ka頻段35.5-36 GHz衛(wèi)星地球探測(cè)

業(yè)務(wù)（有源）頻率劃分及操作限值

1.1 Ka頻段35.5-36 GHz衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)（有源）頻率劃分

衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)（Earth exploration-satellite service，EESS）是指地球站與一個(gè)或多個(gè)空間電臺(tái)之間的無(wú)線電通信業(yè)務(wù)，并可包括空間電臺(tái)之間的鏈路。這種業(yè)務(wù)中，由地球衛(wèi)星上的有源遙感器（EESS（有源））或無(wú)源遙感器（EESS（無(wú)源））獲得有關(guān)地球特性及其自然現(xiàn)象的資料；從航空器或地球基地平臺(tái)收集、分發(fā)給有關(guān)系統(tǒng)地球站同類資料、可包括平臺(tái)詢問(wèn)和所需的饋線鏈路。

根據(jù)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》[1]與國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）《無(wú)線電規(guī)則》[2]（Radio Regulations，RR），在26-40 GHz頻段，我國(guó)的頻率劃分與國(guó)際電聯(lián)3區(qū)的頻率劃分基本一致。本文中的Ka頻段SAR衛(wèi)星使用35.5-36 GHz的EESS（有源）進(jìn)行探測(cè)。

在Ka頻段，與EESS（有源）同為主要?jiǎng)澐值挠袣庀筝o助、無(wú)線電定位、空間研究（有源）等業(yè)務(wù)。相關(guān)腳注如表1所示。與其他頻段不同，在Ka頻段，除對(duì)地功率通量密度的限制外，規(guī)則并未強(qiáng)調(diào)EESS（有源）對(duì)地面業(yè)務(wù)的保護(hù)。此頻段內(nèi)，RR規(guī)定了EESS（有源）為主要業(yè)務(wù)的頻段為35.5-36 GHz。

1.2 Ka頻段無(wú)線電定位業(yè)務(wù)相關(guān)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

ITU報(bào)告RS.2094[3]對(duì)星載SAR與雷達(dá)、固定業(yè)務(wù)間的同頻干擾進(jìn)行了分析，認(rèn)為地面典型雷達(dá)對(duì)星載SAR的影響較小，星載SAR對(duì)地面雷達(dá)可能具有干擾，與雷達(dá)的掃描模式、減擾技術(shù)和中頻處理增益相關(guān)，很難單純通過(guò)I/N判斷對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)退化的影響。報(bào)告討論了星載SAR的功率通量密度（pfd）限值，并對(duì)干擾的I/N進(jìn)行了研究。

ITU建議書RS.1280[4]給出了干擾計(jì)算方法。M.1849-3[5]認(rèn)為，對(duì)于恒定干擾，地基氣象雷達(dá)干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用I/N=-10 dB；同時(shí)認(rèn)為脈沖干擾和時(shí)變干擾需要逐個(gè)案例進(jìn)行分析，要考慮到動(dòng)態(tài)的仿真結(jié)果，且目前為還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適用于時(shí)變干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的一般性公式，應(yīng)針對(duì)具體案例、根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

M.1796[6]認(rèn)為干擾信號(hào)功率與雷達(dá)接收機(jī)噪聲功率電平的比值（I/N）為-6 dB應(yīng)被視為8 500-10 680 MHz無(wú)線電測(cè)定雷達(dá)所要求的保護(hù)電平。

M.1640[7]認(rèn)為在連續(xù)（非脈沖）干擾下，-6 dB的干擾信號(hào)功率與雷達(dá)接收機(jī)噪聲功率電平之比I/N應(yīng)作為通常用于共用研究的無(wú)線電定位系統(tǒng)所需的保護(hù)電平。

1.3 合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種星載相干側(cè)視雷達(dá)系統(tǒng)，利用衛(wèi)星的飛行路徑模仿超大型電子天線或孔徑，生成高分辨率的遙感圖像。

ITU-R RS.2043-0[8]對(duì)星載SAR的操作模式描述包括以下幾種：帶狀圖模式下SAR天線指向平臺(tái)軌跡的一個(gè)固定方向；掃描模式下，SAR可通過(guò)將天線掃向不同位置，照射若干子掃寬；聚光燈模式是獲得最高分辨率的方式，其通過(guò)電子方式調(diào)整雷達(dá)波束方向以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，形成時(shí)間更長(zhǎng)的合成孔徑。

考慮到聚光燈模式中干擾功率和時(shí)長(zhǎng)是最為嚴(yán)重的，故本次仿真采用聚光燈模式。

1.4 地面雷達(dá)

在Ka頻段35.5-36 GHz與EESS（有源）重頻的地面雷達(dá)主要是氣象雷達(dá)。

RR中，雷達(dá)不是一個(gè)獨(dú)立的業(yè)務(wù)，其被歸入無(wú)線電測(cè)定或無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，取決于雷達(dá)載體和具體如何使用。

地面氣象雷達(dá)是用于氣象預(yù)報(bào)、大氣研究以及航空和海事導(dǎo)航的雷達(dá)，通常24小時(shí)連續(xù)工作，在實(shí)時(shí)氣象與水文預(yù)報(bào)預(yù)警中起到至關(guān)重要的作用。

2 系統(tǒng)模型研究

2.1 干擾發(fā)生場(chǎng)景

本文假設(shè)有一顆工作在Ka頻段的SAR衛(wèi)星，系統(tǒng)需求帶寬為600 MHz，使用頻率范圍為35.5-36 GHz。衛(wèi)星使用太陽(yáng)同步軌道，軌道高度為500 km，軌道傾角97.03°。通過(guò)分析此SAR衛(wèi)星對(duì)地面雷達(dá)的干擾情況，判斷Ka頻段低軌SAR衛(wèi)星與地面雷達(dá)的兼容情況。

2.2 干擾評(píng)估方法

EESS（有源）業(yè)務(wù)的對(duì)地面業(yè)務(wù)的干擾保護(hù)，通常考慮到地功率通量密度（pfd）和受擾臺(tái)站的干擾噪聲比（I/N）。

2.2.1 到地pfd

RR中對(duì)35.5-36 GHz的EESS（有源）業(yè)務(wù)并未規(guī)定pfd限值，可酌情參考9 900-10 400 MHz的限值。第21.16.8款中給出了計(jì)算公式。

（1）

式中，為SAR衛(wèi)星天線輸入端的射頻峰值功率（dBW）；為SAR脈沖寬度（μs）；PRF為SAR脈沖重復(fù)頻率（kHz）；δ為衛(wèi)星垂直平面內(nèi)地面上方的仰角（°）；為SAR發(fā)射帶寬（MHz）；為SAR衛(wèi)星垂直平面所考慮仰角為δ時(shí)的發(fā)射天線增益（dBi）；為對(duì)于所考慮的仰角δ，衛(wèi)星與地面之間的距離（m）。

2.2.2 I/N

根據(jù)建議書M.1461-2[9]，無(wú)線電測(cè)定雷達(dá)的減感效應(yīng)與干擾強(qiáng)度有關(guān)，并給出干擾計(jì)算方法如下：

（2）

式中，I/N為用于維護(hù)可接受性能標(biāo)準(zhǔn)的所須檢測(cè)器輸入（中頻輸出）的干擾-噪聲比值（dB）；N為接收機(jī)固有噪聲電平（dBm）。采用I/N作為干擾判別指標(biāo)，其中：

（3）

式中，為接收機(jī)中頻帶寬（MHz）；NF為接收機(jī)噪聲指數(shù)（dB）。

（4）

式中，I為接收機(jī)輸入的干擾信號(hào)峰值功率（dBm）；為干擾源發(fā)射機(jī)的峰值功率（dBm）；為在所分析雷達(dá)方向上干擾源天線增益（dBi）；為干擾源方向上接收機(jī)天線增益（dBi）；為發(fā)射機(jī)插入損耗（dB）；為雷達(dá)接收機(jī)插入損耗（dB）；為發(fā)射和接收天線間的傳播路徑損耗（dB）；為接收機(jī)中頻選擇性曲線在干擾發(fā)射光譜上產(chǎn)生的頻率失諧抑制（dB）。

根據(jù)建議書SM.337[10]關(guān)于FDR的定義，對(duì)于脈沖信號(hào)，可以近似計(jì)算為：

（5）

（6）

式中，OFR為頻率失諧抑制；OTR為調(diào)諧抑制；為干擾發(fā)射機(jī)的3 dB帶寬（Hz）；為被干擾接收機(jī)的3 dB帶寬（Hz）。

2.3 干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 到地pfd

由表2計(jì)算可得Ka頻段35.5-36 GHz星載SAR波束到地pfd，該計(jì)算值可以作為干擾情況評(píng)估的參考。

2.3.2 I/N

經(jīng)參考相關(guān)規(guī)定，本文采用干擾噪聲比及對(duì)應(yīng)

時(shí)間百分比相結(jié)合的方式，評(píng)估EESS（有源）系統(tǒng)是否對(duì)地面無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)臺(tái)站造成有害干擾，具體標(biāo)準(zhǔn)為：

在一個(gè)軌道重復(fù)周期內(nèi)，單顆衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，在地面無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)臺(tái)站接收機(jī)輸入端產(chǎn)生的I/N大于-6 dB的時(shí)間百分比不超過(guò)0.002%時(shí)，則判定該衛(wèi)星不會(huì)對(duì)地面無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)臺(tái)站造成有害干擾。

3 干擾仿真及分析

3.1 仿真參數(shù)選取

仿真采用Visualyse 7.9.10.6軟件，仿真步長(zhǎng)0.01 s，仿真時(shí)長(zhǎng)11天，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡在仿真時(shí)間內(nèi)能夠經(jīng)過(guò)臺(tái)站所在區(qū)域，可確保星載SAR載荷對(duì)任意位置1次以上的重訪機(jī)會(huì)。

設(shè)置I/N統(tǒng)計(jì)門限為-6 dB。

仿真分析使用干擾源SAR衛(wèi)星的頻率軌道及雷達(dá)相關(guān)參數(shù)如表3所示。

根據(jù)建議書M.1640-1[11]，部分部署在35 GHz附近頻率的典型系統(tǒng)的技術(shù)特性如表4。

3.2 星載SAR載荷發(fā)射天線的仿真建模

根據(jù)SAR衛(wèi)星參數(shù)，在衛(wèi)星單側(cè)，取衛(wèi)星方位角范圍35°、俯仰角范圍45°，此指向范圍內(nèi)，載荷發(fā)射天線增益均設(shè)置為最大值，其他角度增益為0，通過(guò)擴(kuò)大最大增益值的覆蓋角度（而非使用SAR天線的波束寬度），可以對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的受擾臺(tái)站等效為受到聚光燈模式照射。

3.3 受擾系統(tǒng)參數(shù)

本文假設(shè)Ka頻段35.5-36 GHz受擾地面臺(tái)站為民航氣象雷達(dá)。

根據(jù)M.1849-3，在無(wú)法得到實(shí)際天線方向圖的情況下，可選用代表性的天線代替?？紤]最嚴(yán)重的假設(shè)場(chǎng)景，仿真中使用F.699《用于100 MHz-86 GHz頻率范圍內(nèi)協(xié)調(diào)研究和干擾評(píng)估的固定無(wú)線系統(tǒng)參考天線輻射方向圖》中的模型進(jìn)行分析，載波特性使用3.1節(jié)中的典型參數(shù)。

受擾臺(tái)站布置位置為A機(jī)場(chǎng)，使用非跳頻雷達(dá)的典型參數(shù)（雷達(dá)1）。為直觀展示不同仰角的受擾情況，本報(bào)告設(shè)置雷達(dá)站分俯仰角（-2°、5°、10°、40°、60°、90°）進(jìn)行分別仿真，并保持受擾站方位掃描，掃描速度為36°/s。

I/N結(jié)果根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合干擾計(jì)算方法，考慮系統(tǒng)間的脈沖失諧抑制。

3.4 干擾仿真結(jié)果

對(duì)于衛(wèi)星SAR信號(hào)，脈沖重復(fù)速度或占空比表征信號(hào)發(fā)射的頻次，衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的脈沖重復(fù)速率為6 kHz，信號(hào)占空比為10%。在Visualyse仿真中，假設(shè)衛(wèi)星SAR信號(hào)是常發(fā)狀態(tài)，即占空比為100%，得到I/N的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，再乘以實(shí)際占空比，得到最終對(duì)連續(xù)波雷達(dá)I/N的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；對(duì)脈沖系統(tǒng)的干擾，根據(jù)M.1461，計(jì)算FDRIF需考慮雙方系統(tǒng)的脈沖寬度和工作帶寬，得到最終對(duì)雷達(dá)I/N的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3.5 結(jié)果分析

對(duì)單顆衛(wèi)星SAR載荷對(duì)Ka頻段35.5-36 GHz民航典型氣象雷達(dá)的干擾進(jìn)行分析，針對(duì)受擾系統(tǒng)在俯仰角為-2°、5°、10°、40°、60°等情況，方位角進(jìn)行36°/s掃描，統(tǒng)計(jì)I/N數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，雖然在35.5-36 GHz范圍內(nèi)，星載SAR對(duì)地面雷達(dá)存在干擾，但干擾概率較小，在11天的仿真中，SAR系統(tǒng)單顆衛(wèi)星對(duì)地面雷達(dá)的干擾不超過(guò)在0.002%時(shí)間占比下I/N=-6 dB的干擾限值，干擾符合本文采取的保護(hù)要求，雙方系統(tǒng)可以兼容共用。此外，上述仿真結(jié)果是采用聚光燈模式的SAR載荷進(jìn)行干擾的。如果SAR載荷使用掃描或條帶工作模式，將會(huì)進(jìn)一步降低干擾時(shí)間占比。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從Ka頻段35.5-36 GHz衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)（有源）頻率劃分及操作限值入手，梳理了星載SAR對(duì)同頻地面業(yè)務(wù)臺(tái)站的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法，并對(duì)干擾場(chǎng)景和仿真建模進(jìn)行了分析研究?；贙a頻段星載SAR典型參數(shù)，通過(guò)仿真方式驗(yàn)證了其對(duì)國(guó)內(nèi)典型參數(shù)的同頻民航氣象雷達(dá)的干擾情況。仿真結(jié)果表明，星載SAR對(duì)地面雷達(dá)系統(tǒng)的干擾在保護(hù)限值范圍內(nèi)，對(duì)地面雷達(dá)系統(tǒng)未造成有害干擾，雙方能夠?qū)崿F(xiàn)兼容共用。在未來(lái)的研究中，可進(jìn)一步擴(kuò)大SAR衛(wèi)星系統(tǒng)和地面雷達(dá)系統(tǒng)的規(guī)模，探討集總干擾下的兼容共存情況。

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