小型衛星頻率使用：從“業余”到專業

李輝 （北京羽尋科技有限公司）

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小型衛星頻率使用：從“業余”到專業

李輝 （北京羽尋科技有限公司）

Small Satellite Frequency: From Amateur to Professional

1　術語約定

以大小為衛星分類是近年來隨著衛星小型化逐步出現的，至今尚無統一的國際標準為其定義。目前，國際社會中有三家機構公布的小衛星分類標準最具有代表性，分別是英國薩瑞大學、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和美國航空航天局（NASA）。三者均依據小衛星的質量級別進行分類，但在具體參數上各有不同。

此外，國際電信聯盟（ITU，以下簡稱國際電聯）的ITU－R WP7B在針對小型衛星頻率使用問題的研究中提出了其對小型衛星的分類標準。

鑒于本文討論的小型衛星用頻問題與國際電聯頻率管理與使用規則關系密切，為便于論述，本文統一使用“小型衛星”的提法。

國際主要機構對小衛星的分類

國際電信聯盟對小型衛星的分類

小型衛星不是新鮮事物。1957年10月4日蘇聯發射的人類歷史上第一顆衛星人造地球衛星－1 （Sputnik－1），在今天的定義看來就是典型的小衛星；中國的第一顆人造衛星東方紅-1同樣是小衛星。20世紀70至80年代以來，隨著空間技術能力不斷提升，衛星載荷質量、功率不斷增大，大型衛星的成本效率更高，很快成為商業衛星發展主流，在那個追求“更高、更大、更強”的太空時代，小衛星“似乎”被人們遺忘了。但是，隨著20世紀80年代中期微電子集成技術的突飛猛進，現代小衛星開始嶄露頭角。質量輕、體積小、研制快、技術更新快、性能好（功能密度高）、生存能力強（可多星編隊或組網運行）等優勢逐漸凸顯。到今天，小型衛星熱潮已經勢不可擋，頗有與傳統大型衛星平起平坐的趨勢。

關于小衛星各種優勢的討論已經很多，本文則更關注小衛星發展中遇到的問題，特別是頻率問題。在傳統大型衛星行業，頻率資源的重要性眾所周知，頻率問題解決不好，輕則引發國際協調沖突，重則出現干擾、被迫關機等顛覆性后果，所有衛星操作者都會投入相當的力量論證、協調、維護其所需的頻率資源，可以說全球范圍內對頻率這一戰略資源的競爭已趨于白熱化。

2　小型衛星用頻的主要問題

小型衛星以其“小”（質量、尺寸及空間能力）為核心優勢，特別是微納衛星，這一特點更為突出。這一特點決定了眾多小型衛星無法使用較高頻段（S頻段及以上），目前大多數此類衛星都集中在甚高頻（VHF，30～300MHz）、特高頻（UHF，300～3000MHz）頻段，主要涉及衛星業余業務頻段、空間操作業務頻段、空間研究業務頻段、衛星地球探測業務頻段、衛星移動業務頻段、衛星氣象業務頻段等。

衛星系統對無線電頻率的使用具有國際性。衛星有所屬國家和操作者，但其運行的地球外空間不屬于任何國家的領土，不能由任何單獨的國家法律管理，同時無線電波的自然特性決定了衛星不會由于任何國家的國境線而停止傳播。因此，對衛星無線電頻率的使用需要在國際規則框架下進行管理，即所謂的“空間無國界”。

國際無線電頻率管理主要按國際電聯《無線電規則》規范執行，這是一部相當于國際法的規則，其中對各種無線電業務進行定義，并對各種業務使用什么頻率、以何種條件進行使用、如何獲得使用權利的程序等做出了明確的規范。

上述小型衛星開展一定類型的無線電業務需要使用相應劃分的無線電頻率，規則本身是清晰的。然而在具體實施過程中，由于小型衛星的種種特點，遇到了很多問題。

違規使用業余業務頻率頻繁

很多小型衛星的載荷選擇使用衛星業余業務頻段，但其承載的業務并非真正嚴格意義上的衛星業余業務。

根據《無線電規則》的定義，衛星業余業務是指“通過衛星實現的，供業余無線電愛好者進行自我訓練、相互通信和技術研究的無線電業務。業余無線電愛好者是指經正式批準、對無線電技術有興趣的人，其興趣純屬個人愛好，而不涉及謀取利潤”。

因此，衛星業余業務頻率資源對全世界的業余無線電愛好者開放，屬于國際共有資源，使用門檻很低（只需國家主管部門頒發的無線電愛好者執照）；該頻段只是業務受保護而不對特定用戶進行保護，所有信息都是公開、共享的，資源使用不存在費用問題。

顯然，當前很多小型衛星的業務不屬于衛星業余業務，例如很多是用于新技術、新產品、新應用的技術驗證，有些業務載波是加密的，甚至有些用于商業運行目的，這些業務使用分配給衛星業余業務的頻段是違規的。

目前，這種小型衛星大量違規使用業余頻段的局面是多種原因綜合作用長期形成的。最初這種應用很少，而且部分衛星操作者同時的確兼有無線電愛好者的身份。另外，其系統承載的部分業務也確實屬于業余業務的性質，同時也由于業余業務領域的操作者間不涉及利益競爭，因此對這種違規用頻普遍采取默認的態度。但隨著這種應用越來越多，甚至諸多商業運行的項目都卷入其中，業余業務頻率的正常使用已受到影響。

當然，也有部分小型衛星操作者在選用頻段時考慮到使用其他業務頻段將帶來的協調負擔和經濟負擔，同時也難以在投入使用前完成復雜而漫長的協調程序，因此盡管了解衛星業余業務頻率的使用規則，雖然明知自己的業務不屬于衛星業余業務范疇，仍會違規使用衛星業余業務的頻段。

另外，大多皮納級小型衛星項目普遍以采購低成本、成熟的“商用現貨產品”（COTS）器件的方式組裝衛星。由于前面所述原因，當前國際上較為成熟的COTS器件都是采用衛星業余業務的頻段，已形成標準化的貨架產品，價低質優、采購方便，賣方只賣不用，而買方只需要直接購買，根本不需要論證頻段（實際上也難以買到同樣價格的其他頻段的器件）。久而久之，對于使用該頻段器件的衛星開展的業務是否符合業余業務的定義早已無人問津。

可以說，小型衛星對衛星業余業務頻率的違規使用，已經嚴重擾亂了衛星業余業務的用頻秩序。國際業余無線電聯盟（IARU）對此高度關注，并已經開始聯合國際電聯等國際組織，從完善國際法規的角度開展工作，試圖解決這個問題。

非法用頻時有發生

與上述情況類似，另一種非法用頻問題在小型衛星，特別是皮、納衛星系統中比較常見，即，使用地面業務頻率甚至工業、科學、醫療的頻段。

為了確保各種無線電業務系統間的頻率兼容性，《無線電規則》對空間系統、地面系統以及具體各種業務系統用什么頻率，以何種條件使用等都有明確要求。很多情況下空間和地面業務的頻率是共用的，如果不按規定的頻率使用，很可能對按照劃分合法使用的系統造成有害干擾。

小型衛星使用地面業務的頻率，不是很多人想象的那樣只要解決了將地面設備搬上衛星進行工作這么簡單，僅從頻率角度看就存在諸多隱患。這種干擾風險是雙向的，既有可能對原有合法使用的地面業務系統造成干擾，也有可能對非法使用的衛星系統造成干擾，兩敗俱傷。因此，小型衛星使用地面業務頻率行為本身，既非法，又危險。

類似的，衛星系統使用工業、科學、醫療頻段也是非法的。根據《無線電規則》定義，“使用射頻能量的工業、科學和醫療（ISM）應用”指“能在局部范圍內產生射頻能量并利用這種能量供工業、科學、醫療、家庭或類似領域的設備或器械運用，但在電信領域的運用除外”。例如，家庭常用的微波爐就屬于ISM應用。定義中明確提出，ISM不屬于通信業務，衛星系統不能使用為ISM專門劃分的頻率。

形成上述這些非法用頻問題的原因在于：很多小型衛星操作者是大學、民間研究機構甚至個人組織，由于不了解相關國際無線電頻率使用、管理機制，不知道要按規則使用，或不清楚空間、地面業務的含義，誤解工業、科學、醫療的含義等而誤用。

另外，與違規使用業余頻段相似，由于當前能夠購買到的現貨器件就用了這些頻段，地面業務的頻段也好，ISM頻段也好，小型衛星研制團隊往往沒有能力甄別其合法性，只要符合自己項目的需要購買就可以了。同時，衛星制造項目往往基于可靠性、繼承性等考慮，通常會選擇與其他衛星同樣的頻率，購買同樣款型的器件、產品，造成惡性循環。

普遍遇到頻率申報程序困難

通常情況下，使用低地球軌道（LEO）的小型衛星系統開展衛星地球探測業務、衛星氣象業務等，只要根據《無線電規則》第9條、第11條相應程序開展提前公布資料申報、技術協商、通知資料申報即可，所有的大型衛星都在按這些要求履行程序，以此獲得應有的頻率使用權益和地位，應該說規則本身并不存在誤解、歧義和不清晰的問題。

但是，小型衛星由于其不同于傳統大衛星的特點，在上述程序執行過程中遇到很多問題，主要包括：

（1）搭載衛星預先不能知道軌道參數，無法提前申報

很多小型衛星都采用搭載形式發射。特別是有些小型衛星對運行軌道并無特殊要求，可以根據搭載發射的主載荷的要求入軌，甚至不需具備軌道機動能力，以減少衛星系統的代價。

但是，ITU衛星網絡資料申報程序中，對非地球靜止軌道的衛星系統而言，其軌道高度、傾角、周期等參數是必須填寫的項目。對于搭載發射的小型衛星，通常只有在確定主載荷發射計劃時才能準確獲知其衛星的軌道參數，離衛星發射往往只有幾個月的時間，完全不足以完成在ITU的資料申報程序。

（2）項目周期短，來不及完成申報、登記程序

小型衛星的建設周期短，通常幾個月到一年時間即可完成整個衛星的研制工作并發射，對于采用COTS器件的皮納衛星有的僅需2個月即可完成，這是小型衛星的巨大優勢所在。

但為了完成國際電聯協調程序，通常從提前公布資料的申報到申報通知資料，至少需要6個月時間，如果其中涉及到資料的審核，國家內部、不同國家間的協調等情況，1～2年的時間完成相應程序是完全正常的。這與小型衛星追求“快”的特點完全不適應。

（3）項目成本低，成本回收費用和協調費用難以承擔

小型衛星項目在成本方面壓縮到非常低的水平，當前很多小型衛星，特別是皮納級衛星，是由大學、研究所等非專業團隊完成的，往往項目經費比較受限。

而完成國際電聯衛星網絡資料的申報、協調、登記過程通常是有代價的，特別當涉及到非業余業務的頻率使用時，可能需要繳納相應費用，進行協調的費用也必須考慮。而這些費用，對很多小型衛星操作者來說還是比較大的負擔。這些負擔已成為很多小型衛星操作者刻意規避，甚至違規使用頻率的原因之一。

（4）缺省軌道機動、功率控制等配置，不能保證干擾控制機制的有效性

為減輕衛星系統設計負擔，很多微納衛星沒有軌道機動能力、功率控制能力、載荷開關機功能等。這些功能對小型衛星項目的功能本身并非必須，但對頻率協調機制、有效控制干擾卻是必不可少的。例如，目前我國要求所有非地球同步軌道（NGSO）衛星具有載荷開關機功能，即飛離業務區要求關機；又例如，為保護太陽同步軌道（SSO）這種高價值的軌道減少太空垃圾的影響，大多數衛星都會設計離軌裝置，以便在衛星壽命末期能夠推離運行軌道。這些裝置一方面是干擾、安全控制機制要求的，另一方面會給小型衛星的系統設計帶來較大的負擔。如何權衡，是擺在小型衛星研制面前的一個難題。

總之，小型衛星系統產業的強大生命力在于其周期短、投入少、門檻低、系統相對簡單等，如果納入嚴格的國際頻率申報、協調管理機制中，恰恰束縛了這些優勢的發揮。但如果不納入統一管理協調機制，又無法確保其用頻安全性和整個無線電頻率使用秩序。這一矛盾是當前小型衛星操作規則方面遇到的最大問題。

系統間頻率兼容性論證缺失

統一設計、“一箭多星”或搭載發射是小型衛星不同于傳統大衛星的鮮明特點。例如，按立方體衛星（CubeSat）標準統一進行衛星接口、尺寸、頻率設計，選用成本低廉、供貨周期短的商用現貨產品器件，可以使搭載發射（通常“一箭多星”可達數十顆）更容易。

然而，從無線電頻率資源使用和協調兼容的角度卻存在很多實際操作中的困難，主要體現在技術和規則兩個層面。

1）技術層面。這種“一箭多星”的模式，當衛星載荷間的頻率相近甚至相同時，可能引發系統內和系統間的頻率干擾。當前，國內對發射過程中和衛星彈射出去自主運行過程中不同衛星彼此間的頻率兼容性的分析工作非常薄弱，只在有經驗的衛星操作者間進行非正式磋商，干擾評估方法、干擾保護標準、干擾減緩措施的研究都十分薄弱，亟待開展研究。

2）規則層面。多星、共運載、近軌道、鄰頻甚至同頻、同時發射狀態下的干擾模式比較復雜，協調關系也難以界定，當同時發射的各衛星不屬于相同的操作者時，申報衛星網絡資料的主體責任、衛星網絡資料的所屬權和使用權、一旦出現干擾如何甄別、干擾消除機制等，在當前的管理模式下都十分模糊，需要小型衛星操作者密切配合國家管理部門，在合法操作的前提下需要逐步探索。

3　研究動態

國際

國際電聯無線通信部門是管理無線電頻率有序使用的具體執行機構，每3～4年組織召開一屆世界無線電通信大會（WRC），研究無線電頻率使用方面的熱點問題并對《無線電規則》進行修訂，是有立法權的大會。早在WRC－2012，小型衛星用頻問題就引發了普遍關注并確立成為WRC－15的正式議題，3年時間內對小型衛星用頻問題進行了梳理、研究，形成了2份新報告；剛剛結束的WRC－15最后法案確定將設立WRC－19的新議題，研究為壽命小于3年的衛星（典型的小型衛星）在1GHz以下劃分專用測控頻率的可能性。

從上述過程可以看到，小型衛星的用頻問題在國際電聯連續兩屆大會都設立專門議題，充分說明了這些問題的普遍性和重要性，一方面印證了小型衛星迅猛發展的態勢絕非局部、短期現象；另一方面也說明小型衛星用頻的特殊需求與現行規則的沖突已經積累到一定程度，必須從完善規則方面盡快加以規范，否則可能引發更多的亂象。

國內

中國頻率主管部門高度重視小型衛星頻率問題，在積極參與國際電聯相關議題研究的同時，對國內小型衛星項目在具體頻率申報、協調程序中遇到的問題給予指導和規范。

以著名的QB50項目為例，該項目由歐盟出資確定，計劃采購50顆衛星并通過一枚火箭同時發射，衛星將在太空組網，這將是目前世界上參與國家和地區最多的微小衛星國際合作項目，也是一次發射衛星最多的項目。更重要的是，這些衛星將主要由來自全球30多個國家和地區的大學生們研制完成，哈爾濱工業大學、西北工業大學、國防科學技術大學、南京理工大學、北京航空航天大學、浙江大學、上海科技大學等7所中國高校入選，充分顯示了中國高校在該領域的技術實力和國際合作能力。

在QB50項目頻率問題上，國家主管部門專門召集會議對相應頻率申報、協調程序進行宣貫和培訓，并幫助作為牽頭單位的西北工業大學進行衛星網絡資料的編制、審核、協調和申報工作。目前，該項目的網絡資料已報送國際電聯，為小型衛星規范用頻樹立了一個典范。

事實上，我國目前在小型衛星研制、發射和應用領域已出現轟轟烈烈的發展熱潮，備受各界矚目，2015年成功發射的“一箭二十星”、吉林－1組星等，以及很多尚在研制、規劃階段的項目都屬于小型衛星范疇。很多項目在頻率問題上普遍遇到本文所述的各種問題實屬正常，關鍵要看衛星操作者對頻率問題的認識和重視程度。

4　總結和建議

根據上述分析，總結小型衛星用頻問題的本質，就是“守法”。

1）守法意識。衛星小未必責任相應小。在頻率問題上更是如此，每個衛星操作者不分大小，都需要樹立基本的守法意識，規范使用無線電頻率既是權力也是義務，維護整個無線電頻率使用的健康、有序、安全的環境，就是維護自己的權益。

2）守法能力。無線電頻率的合法、安全、有效使用是一項比較專業的工作，很多情況下，小型衛星操作者對于如何合法申報、使用無線電頻率了解十分有限，不具備相應的知識和經驗，完全可以通過咨詢國家主管部門和專業的技術機構獲得相關幫助。

3）違法成本。守法是有代價的。只有當違法成本高于守法代價，才能讓操作者真正從自身利益出發自覺守法。這里所說的違法成本，可以包括那些未按照規則進行必要的頻率申報協調而導致衛星系統受到干擾影響正常使用的情況，顯然，這種代價是任何衛星操作者都不希望付出的。

4）監管手段。這一條本該是提給主管部門的，并且可以想見，從當前的隨意使用到規范化使用，短期內對小型衛星的發展必然是有制約的；但從建立良好的用頻秩序角度，規范化的、從實際使用需求出發的管理機制是確保產業長遠、健康發展的必要條件。因此，有遠見的小型衛星操作者應該從這一角度出發，與主管部門高度配合，規劃產品方向、研究關鍵技術。今天投入的些許代價，將是明天的最大受益者。

WRC－19已設立的關于“短壽命衛星測控專用頻率可行性”的新議題，對小型衛星的長遠發展有可能產生深遠影響，建議小型衛星操作者積極參與該議題，為維護自身的發展權益開展研究。

祁首冰/本文編輯