“北斗”衛星導航頻率保護現狀及對策

溫日紅,申杰敏,葛 俠,原 亮

(北京環球信息應用開發中心,北京100094)

1 引 言

衛星導航系統可發送高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時信息,是當今國民經濟和國防建設不可或缺的重要空間基礎設施。該系統在交通運輸 、電力 、水利 、漁業 、農業 、電信 、測繪 、森林防火以及減災救災等國民經濟眾多領域的應用非常廣泛,已形成龐大的衛星導航產業;在軍事領域中,衛星導航系統是實現武器平臺精確導航定位和制導武器遠程精確打擊的關鍵支撐,是現代高技術信息化戰爭的重要保障。

但是,目前衛星無線電導航業務(RNSS)頻率都是與其他業務共用的。國際電聯(ITU)的研究已經證明,衛星無線電導航業務與其他業務是可以共用的,因此無線電頻率劃分表并未給衛星無線電導航業務劃分單獨使用的頻率,每個劃分頻段都是與其他業務共用;這就表明衛星導航系統在選擇所使用頻率時首先要與其他業務進行協調,避免不同業務之間可能存在的干擾;其次,全球衛星導航系統的迅速發展遠遠超過了國際電聯發布無線電頻率劃分表時對衛星無線電導航業務頻率使用需求的預料,當時僅有美國GPS與俄羅斯GLONASS兩家衛星導航系統,而目前不僅有四大全球衛星導航系統的存在與不斷發展,日本、印度等各國也都在積極地發展各自的區域系統,因此,衛星無線電導航頻率在全球范圍內日益稀缺[1]。

同時,由于衛星導航系統信號本身的特性,其到達地面的信號功率很微弱,到達地面的衛星導航系統信號功率一般在-160 dBW左右;而按輻射源功率0.1 W計算,使用1.5GHz頻率發射則在1 km處的干擾信號功率為-106 dBW,比衛星導航系統到達地面的信號高40 dB(10000倍)以上。衛星導航系統信號微弱,容易受到干擾。其影響將表現為三個方面。

一是用戶機受到干擾后,將直接影響到信號的捕獲、跟蹤、解調等,使用戶機測距精度下降、誤碼率增高,嚴重時將使用戶機無法進行測距、解調,直接影響著用戶機的定位精度與使用。

二是衛星首先需接收地面上行注入信息以完成星地時間同步、導航電文生成等工作,當上行注入頻段受到干擾后,會使衛星的測距精度下降、接收誤碼率增高。嚴重時,還會使衛星無法進行測距、信息解調,直接影響著星地時間同步精度、下行導航電文生成,進而影響該星在衛星導航系統中的可用性。

三是地面運控系統是整個衛星導航系統的核心,主要任務是通過監測接收機等設備采集的原始觀測數據,進行衛星定軌、時間同步、差分與完好性處理,若監測接收機等設備受到干擾將影響原始數據采集的質量,使有效數據量減少,嚴重時將無法進行測距和信息接收,導致衛星定軌、時間同步和差分與完好性處理性能變差,從而影響整個衛星導航系統的服務性能。

上述衛星導航系統頻率及信號自身的特性使得衛星導航系統更加易受干擾,更加需要保護。目前擁有衛星導航系統的國家采取的保護辦法主要包括制定國家級無線電導航衛星系統頻譜管理法規和無線電導航衛星系統干擾探測和減緩計劃及程序。我國尚無衛星導航系統頻譜保護相關政策立法,因此,研究制定“北斗”衛星導航系統頻譜保護政策,對確保我國“北斗”衛星導航系統正常運行,提供連續、穩定、可靠的服務,具有非常重要的戰略意義。

2 國際衛星導航頻率保護的方法措施

有效的頻譜管理是減少因衛星導航系統本身具有的易受干擾性和脆弱性而導致的GNSS運行中斷可能性的有效手段,根據各國衛星導航系統運行經驗表明,實行有效的頻譜管理可以將非故意干擾的威脅消除殆盡。有效的頻譜管理包括三方面的內容:制定管制頻譜使用的法律法規;執行這些法律法規;密切評估新的無線電頻率源,確保其不對全球衛星導航系統產生干擾。

2.1 國際衛星導航系統委員會(ICG)

ICG倡導各國采取衛星導航頻率保護活動:制定國家級的衛星導航頻率保護法律法規與建立衛星導航頻率干擾探測與消除程序。ICG的4個工作組已有3個組將頻譜保護的相關內容列入了議題。工作組A負責兼容性與互操作性問題,對保護頻譜以及探測并消除干擾提出了建議;工作組B負責提高全球衛星導航系統服務性能問題,在工作計劃中添加了在全球衛星導航系統各頻段探測和消除無線電頻率干擾的技術的新項目;工作組D負責參考基準、授時和應用問題,也將對頻譜保護以及干擾探測和消除列入議題,計劃與工作組A、工作組B聯合進行。

2.2 美國衛星導航頻率保護方法措施

在美國,GPS衛星導航系統已經成為關系美國國家安全與經濟利益至關重要的關鍵基礎設施之一,無線電頻譜由國家電信與信息管理局(NITA)和聯邦通信委員會FCC共同管理,并擁有比較完善的無線電頻譜監測程序。

美國聯邦政府和國會強力支持和維護GPS在全球范圍內的應用和推廣,并認為發展GPS對美國國家安全和經濟利益至關重要,其他頻段用戶的頻譜對GPS信號發射頻帶的集總噪聲增大會對GPS信號形成相當大的威脅,甚至危及美國的國家安全和經濟安全。1999年和2000年的國防部撥款法案要求國防部長向國會提交GPS頻譜保護策略報告,并指示國防部啟動頻譜協調研究,提交GPS頻譜協調報告,作為對GPS頻譜保護資金撥款的依據。

2010年12月18日,美國總統簽署了《國家和商用空間項目》立法,對空間立法進行匯編。其中第50112節“推廣美國GPS標準”明確規定,為支持與維持GPS有效服務于美國國家安全、公共安全、科學與經濟利益,國會支持總統向商務部副部長提供電信與信息的發展方向和充分資源,以便副部長能夠對GPS頻譜的取得和維持進行有效管理;保護GPS頻譜不受毀壞和干擾。

為防止GPS服務中斷給美國的國家安全和經濟安全造成嚴重危害,2007年8月,美國國土安全部制定了具體的干擾探測與消除計劃。該計劃對所有干擾事件進行收集、分析、存儲和發布,目的是增強美國國內對GPS及其增強系統干擾源的辨別、分析、定位、歸因以及消除的協調能力。采取的主要行動為:在發生損壞或拒絕接入GPS信號事件時,增強確保GPS連續運行的能力、程序與技術;進行常規性民用意外事件應對演習。

隨著GPS與美國國家、經濟安全關系日益緊密,美國政府越來越重視對濫用頻率的現象的遏制,以保護GPS的用頻。2011年,美國聯邦通信委員會(FCC)批準美國無線寬帶運營商光平方公司(Lightsquared)建立結合衛星的4G-LTE地面通信網絡。但因其使用的原有移動衛星業務頻段與GPS頻段鄰近,其強大功率的信號對地面基站附近微弱的GPS接收機信號產生有害干擾,40000個地面基站大多設立在GPS多用戶地區,將可能導致GPS無法正常使用,以致危及美國的經濟及國家安全,因此遭到GPS產業協會及供應商與用戶的抗議,美國國會要求FCC重視光平方公司對GPS干擾的問題。FCC要求光平方公司在圓滿解決GPS擔心的干擾問題之后,才能著手進行其地面通信網絡的商業運營。

綜上,在GPS發展之初,美國政府制定各種政策法規大力發展和推廣GPS,在其形成一個龐大的產業,并且在國家關鍵領域中占據了重要的地位之后,美國政府意識到必須加強對無線電頻率的管理,遏制濫用頻率的現象,加強對衛星導航頻率的保護。

3 我國衛星導航頻率的保護現狀

3.1 “北斗”實驗系統運行中出現的被干擾情況

“北斗”實驗系統在運行過程中多次出現被干擾情況,主要為出站S頻段干擾、入站C頻段干擾。

3.1.1 出站S頻段干擾

2009年,內蒙古某地區出現“北斗”實驗系統用戶機工作異常情況,經測試發現存在下行S頻段干擾,經排查確定干擾源為該地區廣播電視局農村電視網絡全向發射天線由于64 MHz帶寬不足以傳輸8路信號,故意違反國家頻率劃分規定將使用頻段下移進入“北斗”實驗系統衛星下行S頻段內,從而對“北斗”用戶終端造成嚴重干擾。

3.1.2 上行L頻段轉發的C入站頻段干擾

“北斗”實驗系統運行過程中,曾發現過如圖1所示類型的干擾,分析認為此類型干擾是L頻段上行干擾信號,通過“北斗”衛星L/C轉發器轉發后對入站C頻段形成干擾。

圖1 上行L頻段轉發的C入站頻段干擾頻譜情況Fig.1 Interference spectrum in C band transmitted by L band

3.2 “北斗”衛星導航系統一期運行中出現的干擾情況

3.2.1 主控站受干擾情況

2010年,發現主控站L頻段1.2 GHz兩處頻點出現干擾,一處經查找確定為某企業的無線視頻傳輸系統所致;另一處已影響到系統設備(監測接收機)的正常工作,曾引起系統監測接收機無法正常鎖定下行導航信號,但目前還未找到干擾源。確定干擾源的干擾頻譜見圖2。

圖2 L頻段1.2 GHz干擾頻譜Fig.2 Interference spectrum in L band(1.2 GHz)

3.2.2 L頻段電磁環境測試干擾信號情況

在各地對RNSS L頻段頻譜情況進行測試時,發現多地都存在不同形式的信號,圖3～9為其中一部分信號頻譜圖。

圖3 西北部1.5GHz電磁環境測試信號頻譜Fig.3 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-West(1.5 GHz)

圖4 西部1.2 GHz電磁環境測試信號頻譜Fig.4 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the West(1.2 GHz)

圖5 北部1.2 GHz電磁環境測試信號頻譜Fig.5 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North(1.2 GHz)

圖6 東北部1.5GHz電磁環境測試信號頻譜Fig.6 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the North-East(1.5 GHz)

圖7 西南部1.5 GHz電磁環境測試信號頻譜Fig.7 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-West(1.5GHz)

圖8 南部1.2GHz電磁環境測試信號頻譜Fig.8 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South(1.2 GHz)

圖9 東南部1.5 GHz電磁環境測試信號頻譜Fig.9 Electromagnetism circumstance test signal spectrum in the South-East(1.5 GHz)

上述信號頻譜圖描述了RNSS L頻段在不同地點、不同時間存在的不同程度的干擾,也說明了我國境內衛星導航頻率電磁環境比較惡劣。

3.3 我國衛星導航頻率保護面臨的主要問題

目前國內制定了一系列的無線電管理規定,包括1999年制定的《無線電管理條例》、2010年最新實施的《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》、《無線電頻率使用的規定》,從一定程度上對無線電頻譜進行了保護。但從我國衛星導航系統的實際運行情況來看,對衛星導航頻率的保護并不盡如人意。自我國衛星導航系統建成并開通使用以來,已在不同地區多次發現各類干擾。通過對干擾情況的分析主要反映出兩方面的問題:一是一些單位不遵守國家規定,用頻的法規意識淡薄,隨意用頻;二是缺乏對用頻的監管,不能對非法用頻的情況做到及時發現、及時處理。若任憑上述現象發展下去,將嚴重影響我國衛星導航系統的正常運行,給國家造成損失。

4 衛星導航頻率保護措施建議

4.1 建立專門的協調管理機構

目前的管理監測和對干擾的處理效率比較低,雖然目前對系統的影響還不明顯,但與以后的系統發展不相匹配;對各種新問題的協調解決程序與協調機構也需要盡快有明確的規定。因此,建議逐步探索并建立專門的國內衛星導航頻率協調管理機構,由該機構專門負責衛星導航頻率使用干擾情況的處理,以及運行與應用過程中有關問題的協調解決。

4.2 制定衛星導航頻率保護相關的法律法規

從國家一級的政策法規層面對下列與衛星導航頻率保護相關的問題進行明確的規定。

(1)“北斗”衛星導航系統的重要地位

國家應制定相應的政策法規,明確“北斗”衛星導航系統在我國國家安全與經濟安全中的重要地位,闡明“北斗”衛星導航系統是我國關鍵基礎設施的一部分,是實現國家安全與經濟安全的重要工具,其應用涉及到各個領域,也是關系我國國家安全和經濟安全的關鍵技術,應確保“北斗”衛星導航系統不受任何人為干擾,并保持穩定正常運行。

(2)支持并鼓勵“北斗”衛星導航頻率的保護

國家應制定政策法規支持“北斗”衛星導航頻率需求及保護研究活動,鼓勵研發保護“北斗”衛星導航系統頻率的各項技術措施,以及開發新的頻段,以滿足“北斗”衛星導航系統建設與發展的頻率需求。

4.3 加強干擾保護標準的研究

確定如接收機靈敏度惡化、最低干擾門限、有害干擾的判定標準,信號、告饒保護比和最小可用場強以及相關的干擾計算方法等,明確系統或接收機正常工作、受到容許干擾、受到有害干擾,或喪失服務功能以及系統產生誤導信息等的干擾保護標準,使得“北斗”衛星導航頻率的保護具有可評估性和可操作性。

4.4 加強干擾的監測和排查

要定期對導航頻段的電磁環境進行監測普查[2]和重點排查,建議配備專業車載干擾定向監測設備;建立并完善“北斗”衛星導航頻率干擾探測與消除程序。

4.5 加大頻率保護執法與宣傳力度

加大頻率保護執法的力度,嚴格執法震懾、預防和減少非法用頻行為。增強設備制造商的頻率保護意識,并讓公眾了解“北斗”衛星導航系統及其頻率保護的意義。

[1]International Telecommunication Union.Radio Regulations[M].Geneva,Switzerland:ITU,2008.

[2]朱慶厚,劉家儒.頻譜管理中無線電干擾的應用[J].電訊技術,2010,50(12):121-124.ZHU Qing-hou,LIU Jia-ru.Applications of RF Jamming in Frequency Management[J].Telecommunication Engineering,2010,50(12):121-124.(in Chinese)