光平方事件及其對“北斗”系統發展應用的若干啟示

張春海,李洪濤,吳嗣亮

(1.北京理工大學 信息科學技術學院,北京 100081;2.北京衛星導航中心,北京 100094)

1 引 言

隨著美國GPS系統現代化、俄羅斯GLONASS系統振興以及中國“北斗”系統的運行服務、歐盟GALILEO系統的建設,衛星導航系統(GNSS)逐漸成為重要的位置、導航和時間(PNT)基礎設施。近年來,GNSS頻譜保護、干擾監測與減輕等問題越來越受到國際社會的關注,并已經成為國際衛星導航委員會(ICG)的熱點議題之一。2011年發生在美國本土的地面移動通信網——光平方系統干擾GPS系統的光平方事件,是一次典型的GNSS干擾事件,美國政府反應及時迅速,組織機構對其進行測試評估,其管理和技術層面均值得我們參考。

近年來隨著空間、地面系統的不斷發展,頻率資源已經成為一種珍貴的稀缺資源[1],光平方事件的深層原因就是地面移動通信系統與天基衛星無線電導航系統之間的頻率資源之爭,是兩個系統之間的兼容性問題。這對我國第四代移動通信系統的發展也具有啟發意義,由于第四代移動通信系統的頻段緊鄰“北斗”衛星導航系統衛星無線電測定業務(RDSS)下行的S頻段2 483.5～2 500 MHz,其具有對“北斗”系統產生有害干擾的可能性,需要在系統設計時深入分析研究。

1.1 事件回顧[2]

光平方公司(LightSquared)是一個私有公司,其前身是SkyTerra通信有限公司、Mobile Satellite Ventures(MSV)、Motient Services Inc.and American Mobile Satellite Company(AMSC),光平方公司現在持有的L頻段衛星移動業務(MSS)執照是FCC于1989年頒發給AMSC公司的,2001年光平方公司(當時的MSV)向FCC提出申請,計劃使用已經獲得MSS業務授權的1 525～1 559MHz頻段建設一個衛星-地面一體化寬帶無線通信系統。

2002年光平方公司承諾在1 559～1 610 MHz頻段滿足嚴格的功率限值,2003年FCC在部分衛星移動業務(MSS)頻段批注開展輔助地面業務服務(ACT),其中就包括1 525～1 559MHz頻段。FCC對“輔助”具有明確的定義,這種業務必須滿足若干標準,并且必須是集成服務,手持終端必須是雙模服務,既可接入衛星的MSS業務,也可接入地面的ACT業務。2004年,FCC批注光平方公司開展ACT業務,2005年又將其發射功率限值在2003年基礎上提高了8 dB。

2010年3月,FCC批準光平方公司轉讓給Harbinger資本共同基金(Capital Partner Funds),并且附加條件要求光平方盡快建設成為一個覆蓋全國、擁有36 000多個基站的網絡,并擁有上億的用戶。同時FCC也批準了光平方公司在2009年提出的對ACT業務的修改申請,給予了更多的靈活性,包括將每個基站的EIRP限值提高到42 dBW。

2010年11月18日,光平方(LSQ)公司又向美國聯邦通信委員會(FCC)申請批準其ACT網絡中可以只使用地面設備,即不再和衛星通信進行組合。這一事件引起了GPS團隊的高度關注,因為光平方公司如此大規模的地面網絡很有可能干擾到GPS信號的正常接收。2011年1月26日,美國聯邦通信委員會向光平方公司發放頻率許可證,允許其ACT網絡只使用地面設備。由于GPS團隊的高度關注,FCC向光平方發放該許可證時附加一個條件,即要求成立工作組對光平方系統和GPS的兼容性進行評估,由此引發后續的光平方事件。

1.2 光平方系統技術特性[2]

光平方系統的發展計劃分為3個階段:第一階段首先使用1 550.2～1 555.2 MHz的5 MHz作為下行鏈路,1 651.7～1 656.7 MHz的5MHz頻段作為上行鏈路;第二階段計劃使用1 526.3～1 531.3 MHz、1 550.2～1 555.2MHz兩段各5MHz頻段作為下行鏈路,配對的上行鏈路分別為1 627.8～1 632.8 MHz、1 651.7～1 656.7MHz;第三階段則在第二階段基礎上,將上、下行鏈路的帶寬由5 MHz擴展到10 MHz。光平方系統上、下行鏈路詳細的技術參數如表1和表2所示。

表1 光平方系統下行鏈路(基站到終端)技術參數Table 1 The parameters of LightSqured System uplink(station to user)

說明:

(1)FCC許可證允許光平方系統的基站發射最大EIRP為72 dBm(42 dBW)/通道/基站;

(2)如果高端和低端兩個通道同時發射,基站的EIRP將增加3 dB,即65 dBm;

(3)對光平方系統帶外發射(OOCE)功率譜密度(PSD)的限制為:在1 559～1 610 MHz的衛星無線電導航業務(RNSS)頻段,任何1 MHz內的功率譜密度低于-100 dBW,并且保證任何1 kHz內的功率譜密度低于-110 dBW。

表2 光平方系統上行鏈路(終端到基站)技術參數Table 1 The parameters of LightSqured System downlink(user to station)

FCC對上行鏈路用戶終端帶外輻射(OOCE)限制為:

(1)在相鄰的1 559～1 610 MHz RNSS業務頻段,功率譜密度限值為-90 dBW/1MHz,5年之后,提高到-95 dBW/1 MHz;

(2)對于窄帶限值分別為-100 dBW/1 kHz和-105 dBW/1 kHz。

光平方系統使用的頻段與GPS、GLONASS等衛星導航系統L1頻段之間的關系示意圖如圖1所示。由圖可見,光平方系統使用的頻段1 525～1 559MHz與衛星無線電導航業務(RNSS)頻段(1 559～1 610MHz)之間并不存在頻譜重疊,也就是說光平方事件實際上是相鄰頻段干擾,而不是同頻干擾問題。

圖1 光平方系統與GPS系統頻譜示意圖Fig.1 Sketch map of LightSqured and GPS system spectrum

2 兼容性問題

關于光平方系統與GPS系統的兼容性研究,主要由美國3個官方機構推動:一是FCC頒發許可證時成立的工作組(WG);二是由GPS主管機構國家空基PNT執行委員會推動,由NPEF具體執行的代表GPS方面立場的研究工作;三是聯邦航空管理局(FAA)授權RTCA開展的代表航空用戶的專門領域研究工作。

2.1 FCC工作組(WG)[3]

2011年2月25日,根據FCC DA 11-133命令授權成立工作組(Working Group,WG),專門研究GPS受到光平方系統干擾問題;工作組由光平方公司負責法律事務與公共政策的執行副總裁Jeffrey Carlisle和聯邦GPS工業理事會(USGIC)主席Charles Trimble聯合主持;WG下設一個技術工作組(TWG),成員由GPS領域專家組成,負責向工作組就關鍵問題和干擾評估方法等提出建議,并具體負責對GPS接收機的選擇、測試場景設計、干擾評估方法等的合理性和中立性進行審查;顧問是一個監督機構,由事件相關的股東、設備制造商和專家組成,人數不限,可以對整個評估過程中的各個環節提出意見,或通過聯合主席進行反饋。

工作組(WG)經過調查研究,明確7類GPS接收機代表美國的非軍用GPS接收機:航空、蜂窩移動、大眾定位導航、高精度定位、授時、網絡應用和空間應用等,每一類又包括增強型和非增強型兩種,WG設置7個子工作組,分別對上述7種類型接收機進行測試、評估。

圖2 FCC專門工作組結構Fig.2 Structure of FCC Specific Workgroup

2011年6月30日,工作組(WG)向 FCC提交了300多頁(不含附件)的最終研究報告,總報告實際包含5個子工作組的研究報告,其中高精度定位、定時和網絡應用合并為一個子工作組,各個子工作組的研究試驗結果概況如表3所示。

表3 FCC工作組研究結果概述Table 3 Summarization of FCC Workgroup research results

續表3

2.2 國家空基PNT系統技術論壇(NPEF)[4]

2011年2月9日,ESG通過NCO要求NPEF對光平方公司計劃部署的地面寬帶系統對GPS和GPS相關系統和網絡的影響進行評估,要求在2011年5月31日前完成所有的評估工作,并形成報告(公開發行和官方專用兩個版本)。

NPEF將評估工作分成9個子任務,每個子任務的內容分別如下。

(1)子任務1:信號規范和技術特性。明確了分析使用的光平方系統 3個階段(Phase0、Phase1、Phase2)的頻段、EIRP等技術參數,并特別強調FCC給光平方系統的許可發射功率比光平方系統提供用于技術分析的EIRP還要大10 dB;對于GPS接收機,NPEF采用FCC TWG相同的7類典型應用。

(2)子任務2:光平方系統地面網建模。按照每個10 MHz通道支持1 200個活動用戶進行估算,光平方系統基站的密度為:城市人口密集地區0.4～0.8 km,普通城市環境下1～2 km,鄉村地區2～4 km,偏僻地區5～8 km,以此作為后續評估光平方系統影響GPS的基礎。

(3)子任務3:運行場景設計。NPEF使用FCC TWG和RTCA建立的運行場景,其中FCC TWG針對不同類型GPS接收機分別設置了不同的場景。

(4)子任務4:確定接收機性能標準。NPEF提出使用載噪比、偽距測量精度、載波相位測量連續性、AGC特性以及定位定時精度等作為評估GPS系統受影響的指標。

(5)子任務5:對GPS用戶可預見的和潛在的影響分析。

(6)子任務6:仿真活動。

(7)子任務7:工作計劃、測試計劃和外場測試活動。

(8)子任務8:GPS用戶干擾消除措施評估。

(9)子任務9:光平方系統干擾消除措施評估。通過以上分析,可以得到初步結論如下:

(1)由于會對GPS運行產生有害干擾,光平方不能在1 525～1 559 MHz的衛星移動業務(MSS)頻段開展其規劃的商用地面通信業務;

(2)聯邦政府應該對光平方網絡運行可能導致的操作、經濟和安全方面問題進行更加深入的研究,包括:評估光平方系統L頻段MSS業務ATC基站與GPS相關應用的兼容性;光平方當前階段未規劃的信號配置對授時接收機的影響;光平方手持設備對GPS各種應用的影響等。

2.3 航空無線電技術委員會(RTCA)[2]

2011年3月3日,美國聯邦航空局(FAA)要求航空無線電技術委員會(RTCA)開展關于GPS和光平方地面通信網的兼容性研究,RTCA指派第159特別委員會(SC-159)專門對這一問題進行研究。2011年6月 3日,RTCA將研究報告遞交FAA和FCC,其得到的基本結論有:

(1)研究基于光平方公司提供的系統實際參數進行分析,而不是FCC授權的參數(EIRP);

(2)研究認為光平方系統與GPS航空應用是不兼容的;

(3)通過對光平方系統進行一定的改動,可以實現與GPS航空應用的“共存”。

3 光平方事件的發展

由于光平方事件是一個已經取得FCC執照的地面移動通信網對GPS系統產生的實際有害干擾,這一事件涉及光平方公司的巨大經濟利益,同時也涉及GPS系統的安全問題,因此引起了美國政府的高度重視。

3.1 國會聽證

2011年6月,TWG和NPEF將研究報告遞交FCC,但是LSQ和GPS雙方對測試結果(假設、定義、有害干擾門限等)的理解和解釋存在較大分歧。

2011年8月,光平方事件得到美國眾議院委員會的關注,其中House on Science、Space and Technology于2011年8月初進行聽證,海陸空三軍委員會(The House Armed Services Committee)、戰略部隊分委會(Subcommittee on Strategic Forces)也分別對這一事件進行了聽證。

3.2 后續研究工作[5]

根據國會聽證中提出的問題,2011年9月,FCC和NTIA要求進一步進行測試,測試的內容包括:

(1)移動和通用定位導航接收機的干擾測試限制在LSQ只使用低端10MHz頻率的條件下;

(2)FAA和LSQ繼續分析和討論LSQ對航空接收機的影響,考慮可能的路徑損耗模型和確定集總的射頻干擾(RFI);

(3)高精度和定時用戶的測試在考慮LSQ進行嚴格的帶限濾波之后的情況;

(4)評估LSQ手持設備的影響。

2011年10月,聯邦PNT協調辦公室(NCO)代表ESG授權NPEF進行對光平方系統對GPS干擾問題進行如下測試評估:

(1)對通用定位導航設備進行測試;

(2)主要考慮光平方系統第一階段(1 526～1 536 MHz)信號,并且仿真LSQ手持設備的影響;

(3)對于移動設備測試,繼續對TWG測試無結果的設備進行試驗,對NTIA直接主持、NPEF未參與的測試進行核查;

(4)所有測試必須要LSQ和GPS雙方代表同時參加;

(5)使用NTIA的標準定義和規范進行干擾評估,包括干擾門限、傳輸模型、天線特性和手持終端部署假設等。

3.3 最新動態

在2012年3月進行的關于光平方系統頻率問題的質詢中,聯邦通信委員會表示計劃撤銷頒發給光平方公司的有條件的頻率許可證,這將是對光平方公司的致命打擊,意味著其前期巨額投入將血本無歸。光平方公司執行副總裁Carlisle在給FCC的申辯信中聲稱“沒有科學有效的證據表明,哪怕1%的GPS接收機受到了來自光平方系統的干擾”。目前還沒有正式報道關于FCC對該事件的最終決定,但是總的來看,光平方公司的頻率許可證被撤銷的可能性是非常大的。

4 光平方事件對“北斗”系統的啟示

4.1 光平方事件小結

縱觀這次發生在美國本土的光平方事件,可以得到如下幾個結論。

(1)光平方事件的深層原因解析

光平方事件表面上是兩個系統之間的兼容性問題,而引發這一事件的深層次原因可理解為:隨著第四代移動通信(LTE)的發展,衛星-陸地一體化移動通信已經成為未來陸地移動通信系統發展的一個亮點之一,各國移動通信系統建設運行商都在尋求可用的頻率資源來建設自己的系統,而其中國際電聯(ITU)無線電規則中,原本劃分給衛星移動業務(MSS,即通常衛星移動通信系統使用業務)的頻段具有天然的優勢,也成為移動通信系統關注的重點,在缺乏充分的兼容性分析條件下,美國的主管部門(FCC)給光平方系統發放了許可證。也就是說光平方事件不是偶然的,如果不吸取教訓,未來類似事件還有可能在其他頻段、其他國家出現(例如后面分析的S頻段2 483.5～2 500 MHz頻段)。

(2)光平方系統與GPS的兼容性問題

關于光平方系統與GPS的兼容性問題,目前雙方仍各持一詞,爭持不下,概括以上3份研究報告的不同觀點,可以將這一問題分為4個層面進行分析。

1)光平方系統L頻段高端與GPS兼容性問題

關于光平方系統基站使用L頻段高端(1 550.2～1 555.2 MHz、1 545.2～1 555.2 MHz)發射問題,3份研究報告中都有堅實的論證和試驗結果,表明這一頻段的發射將嚴重影響GPS用戶,無法實現與GPS的兼容,光平方公司或者也認可這一結論,在后續的爭持中,并未就該頻段的問題進行過多堅持。

2)光平方系統L頻段低端與GPS兼容性問題

關于光平方系統基站使用L頻段低端(1 526.3～1 531.3 MHz、1 526～1 536 MHz)發射與 GPS兼容性問題,研究表明只有在特定的情況下,才會對某些特定的GPS應用產生有害干擾,或者具有產生有害干擾的可能性(仿真結果表明)。對于這一頻段的評估結論,光平方公司代表認為GPS采用載噪比1 dB下降作為存在有害干擾的判決標準過于苛刻,由于GPS系統多數應用都有足夠的載噪比裕量,光平方系統使用這一頻段不會實際影響到GPS應用。

3)光平方系統采取技術措施實現L頻段低端與GPS兼容性問題

對于使用L頻段低端頻率指配,光平方公司仍然抱有一線希望,并且也表示愿意在基站發射端采用一定的技術手段,例如增加專門濾波器來減小在1 559～1 610 MHz頻段內的帶外發射(OOCE),以求實現與GPS的兼容,拿到部分頻段的使用許可證。但GPS方面對這一問題并沒有絲毫讓步的空間,在研究報告的多處聲明,GPS的用戶量巨大,在10～15年內無法實現對每臺用戶的技術升級改造,以求實現與光平方系統的兼容性,并且指出,即使光平方單方面在基站采取濾波措施,仍然不能實現與某些寬帶、高性能接收機的兼容性。由此說明,GPS方面的態度非常堅決,決不允許光平方公司使用1 525～1 559 MHz頻段MSS業務劃分建設和發展地面移動通信網。

4)光平方系統上行鏈路(用戶到基站)與GPS兼容性問題

由于光平方上行鏈路(移動設備到基站)頻段1 627.8～1 637.8MHz也緊鄰1 559～ 1 610 MHz頻段,因此GPS方面提出還需要評估未來數以億計的光平方用戶手持設備帶外發射對GPS應用的干擾。由于目前仍無可用的光平方手持設備可供測試,因此2011年6月前的兼容性分析中,并未對光平方上行鏈路與GPS的兼容性進行測試,GPS方面要求在后續的研究中開展這一問題的仿真,既是對兩系統兼容性的擔心,也是對光平方施壓的一種策略。

(3)GPS方反應迅速,試驗分析充分,并且多方施壓,逼迫FCC作出讓步

光平方系統引起GPS團體關注之時,已經初步獲得了FCC的附加條件的許可證,并且FCC于2011年1月底明確要求2011年5月給出研究報告,也就是說如果GPS方無法在短短4個月的時間內證明光平方系統會對GPS應用產生有害干擾,光平方系統很可能會順利拿到最終的頻率許可證。

在此情況下,GPS方面迅速調動和召集百余名業內一流技術專家,充實到FCC的TWG、NPEF和RTCA研究隊伍中,2011年2月底確定測試評估方案,并迅速調動各種設備和場地(各種類型GPS接收機、儀器儀表、微波暗室等),確保了大部分研究分析工作在其后的3個月內完成,做了大量的實驗室試驗、外場試驗和仿真分析,形成千余頁(含附件)的技術分析報告,確鑿地證明了光平方系統對GPS多種應用產生有害干擾的事實。

GPS方在開展技術研究的同時,發動聯邦航空管理局(FAA)就航空應用進行了深入的專題研究,并由FAA和RTCA直接將研究報告遞送FCC。2011年6月,在研究結果比較明確時,發動國際民用航空組織(ICAO)秘書長Raymond Benjamin先生和總裁Roberto Kobeh Gonzalez直接寫信給FCC主席Julius Genachowski先生,就光平方事件可能已經影響到美國政府2007年向ICAO重申的保證GPS在全球航空中應用的承諾發起質疑,其實是對FCC施壓。

4.2 對“北斗”系統建設發展的幾點啟示

(1)建立完善國家PNT政策及相關法律法規

我國無線電頻率管理方面的法律法規主要是國家無線電管理局頒布的《無線電管理條例》和國際電聯制定的《無線電規則》,在按照無線電規則頻率劃分使用RNSS業務頻段鄰近頻率時,也不需要進行對衛星導航系統的干擾評估測試,因此存在其他鄰近頻段系統干擾“北斗”或其他GNSS系統的可能性。

近年來,全球衛星導航系統國際委員會(ICG)的各個系統供應商在供應商論壇就干擾檢測與減輕問題設置了專題,并建議通過各國以及國際規章制度來保護衛星無線電導航業務的頻譜,必要時供應商和ITU及其成員可共享GNSS頻譜保護方面的信息。

(2)密切關注國內4G移動通信的兼容性問題

我國“北斗”衛星導航系統的建設分為三步走[6],其中2 483.5～2 500MHz頻段衛星無線電測定(RDSS)業務(空對地)是我國“北斗”試驗系統下行鏈路(衛星到用戶)實際使用的頻率和業務類型[7]。在剛剛結束的2012年世界無線電大會(WRC-12)上,2 483.5～2 500MHz頻段RDSS業務(空對地)劃分服務區全球擴展剛剛獲得通過(在2007版無線電規則中,該頻段RDSS業務只有在2區是主要業務,在1、3區均為次要業務,其中1區次要業務還是腳注附件劃分)。

由于該頻段早已經在全球作為主要業務劃分給衛星移動業務(MSS),美國全球星系統就工作在這一頻段,并且緊鄰的上端頻率2 500～2 690 MHz已經劃分給 IMT-2000使用[8]。在歐洲,根據 ECC/DEC/05文件,2 500～ 2 570 MHz(共70 MHz帶寬)作為IMT的上行鏈路(用戶到基站)使用,采用頻分復用(FDD)的方式,每個信道寬度為5MHz,共安排14個信道。

“北斗”試驗系統存在衛星軌道高、數據速率高、鏈路裕量較小等問題,因此我國第四代移動通信系統在頻率選擇時,需要考慮充分保護“北斗”試驗系統已經使用的頻率,首先需要最大限度的事先頻率的隔離,同時也需要嚴格規范基站和移動終端帶外發射的限制,以免出現在局域范圍內干擾“北斗”試驗系統正常工作的問題。

(3)復雜電磁環境下多系統電磁兼容性問題需要引起高度關注

衛星導航已經成為世界各國的PNT基礎設施,國內很多電子設備不重視發射信號帶外抑制問題,經常出現無據可依、有據不依的問題,為降低成本、減小插損未進行發射濾波,對帶外無用發射的抑制程度不夠,在復雜電磁環境工作環境下,會出現通信電臺、大功率雷達等大功率電子設備的帶外發射干擾衛星導航系統信號正常接收的問題。

5 結束語

美國光平方事件引發了國際衛星導航領域對GNSS頻譜保護、干擾監測與減輕問題的熱烈討論和高度重視。我國“北斗”衛星導航系統正處于從區域到全球的過渡階段,區域系統即將在亞太地區正式服務,全球系統的系統結構和信號體制設計也已告一段落。在我國PNT政策尚不完善,高效協調機制缺乏的條件下,需要統籌規劃,做好技術儲備,防患于未然,密切關注“北斗”系統業務頻率鄰近頻率的規劃和使用問題,及時發現問題,將可能的風險在萌芽階段發現、處理,以免造成重大損失。其中,需要密切關注亞太周邊國家第四代移動通信的頻率設計和信號體制問題,特別是在“北斗”系統服務區范圍內國家的情況,做好潛在干擾和風險的評估。

6 聲明與致謝

本文所述僅為論文作者個人觀點,進行學術探討,不代表任何組織和機構的觀點。本文在寫作過程中,北京衛星導航中心劉志儉博士、趙曉東博士給出了很多有益的見解和意見,在此表示感謝。

[1] 譚述森.衛星導航定位工程[M].2版.北京:國防工業出版社,2010.TAN Shu-sen.Satellite Navigation Project[M].2nd ed.Beijing:National Defence Industry Press,2010.(in Chinese)

[2] RTCA.Assessment of the LightSquared Ancillary Terrestrial Compenent Radio Frequency Interference Impact on GNSS L1 Band Airborne Receiver Operations[R].Washington DC:RTCA,2011:154.

[3] TWG.TWG Final Report[R].[S.l.]:TWG,2011:318.

[4] NPEF.Assessment of LightSquared Terrestrical BroadBand System Effects on GPS Receiver and GPS-dependent Applications[R].[S.l.]:NPET,2011:190.

[5] Bunce.LightSquared-Interference Issue[R].Bunce,2011:18.

[6] 中國衛星導骯系統管理辦公室.北斗衛星導航系統發展報告(藍皮書)2.0[M].北京:中國衛星導骯系統管理辦公室,2011.China Satellite Navigation Office.Report on the Development of BeiDou Navigation Satellite System(Version 2.0)[M].Beijing:China Satellite NavigationOffice,2011.(in Chinese)

[7] 譚述森.廣義RDSS全球定位報告系統[M].北京:國防工業出版社,2011.TAN Shu-sen.Generalized RDSS Global Positioning and Report System[M].Beijing:National Defence Industry Press,2011.(in Chinese)

[8] ITU-R.Additional frequency bands identified for IMT,vol.Resolution 223[M].Geneva:ITU-R,2007:4.(in Chinese)