空間站頻率軌道使用國際規則研究

毛林全， 李健十， 劉 晉

（1.中國載人航天工程辦公室， 北京 100720； 2.中國空間技術研究院， 北京 100094）

1 引言

隨著航天技術的發展和成熟，尤其是近年來全球商業航天的蓬勃興起，較大規模的低軌通信導航遙感融合衛星星座呈爆炸式發展，進一步加劇了近地軌道頻率軌道資源的競爭態勢，使得不同類型航天器潛在的相互干擾問題日趨凸顯。 因此，載人航天器特別是長期在軌運行空間站，其使用頻率軌道的保護和協調問題顯得愈加突出和重要。 同時，國際有關低軌航天器頻率使用的規則日益完善，使得航天器頻率軌道的設計和使用更加有章可循，所以必須對相關國際規則有充分的了解和掌握，才能有效保護和充分利用日益稀缺的頻率軌道資源。 目前，國內對一般通用的空間頻率軌道使用規則以及無人航天器頻率軌道使用規則研究較多，但缺少對包括空間站在內的載人航天器頻率使用規則的專門研究。

航天器頻率軌道的申請、協調和維護作為一項技術性非常強的管理工作，需要對有關管理機構、管理規則和具體技術問題全面了解和掌握。本文簡要介紹有關頻率軌道管理的國際機構，分析解讀相關規則，并在全面系統整理空間站及其頻率使用國際規則的基礎上，針對空間站的特性提出有關建議，以期對中國空間站建造和運營的頻率使用提供有益參考。

2 管理協調部門相關職能

空間頻率軌道資源作為一種特殊的國際性資源，是空間站建設實施必要的、不可或缺的前提條件，其重要性不言而喻。 因此，得到了包括國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）、空間數據系統咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）、國際標準化組織（International Organization for Standardi?zation，ISO）， 以及空間頻率協調組（Space Frequency Coordination Group，SFCG）等在內的政府間或非政府間國際組織的高度重視。 各類國際組織均針對有關頻率劃分、使用、保護標準、共用條件和分析方法等設立專門的研究部門進行研究，以期實現統一管理，為空間站項目的順利實施創造保障條件和奠定規則基礎。

目前，國際間的頻率軌道規劃和使用協調主要在ITU 的規則框架內進行，各個國家的主管部門在此基礎上結合本國國情制定相應的國家頻率管理法規政策。 同時，在ITU 與各國主管部門之間還有一些國際專門組織結合特定行業特點，根據應用需求在全球范圍內參與頻率軌道資源的管理及協調。 例如由多國空間機構（Space Agency）共同組成的CCSDS 一直在推動空間數據系統的傳輸標準化，目的就是在空間任務中能以統一傳輸頻率的標準化方式進行數據交換和處理；再如依照航天數據通信特點，為了保證空間開放系統互聯，在軌系統通信體制結構設計就必須依從ISO 制定的開放系統互聯標準格式。 在頻率分配方面，ISO 與CCSDS 這兩個國際組織的有關標準也是契合的。

2.1 ITU 的有關職能

ITU 成立于1865 年，是聯合國負責信息通信技術（Information Communication Technology，ICT）事務的專門機構，目前擁有193 個成員國和900 多個成員。 ITU 的無線電通信局（Radiocommunica?tion Bureau，RB）通過《無線電規則》（Radio Regula?tions，RR），實施無線電頻譜和衛星軌道的管理，協調各成員國的行動，避免不同國家無線臺站之間的有害干擾，從而實現ITU 成員國之間的廣泛國際合作、有效和合理使用各種頻率軌道資源。

ITU 中由各領域專家組成的不同研究組階段性開展各有側重的研究工作，共同制定工作框架和研究內容，形成技術標準或指導原則，確保現有和未來各類無線電業務能夠兼容共用。 具有濃厚的國際合作背景的空間站尤其受到各國的高度關注和重視，ITU 第7 研究組是解決空間站頻率相關事務的研究組。

2.2 CCSDS 的有關職能

隨著20 世紀60～70 年代航天技術的快速發展，特別是正在逐步進入大眾視野的載人航天，針對其多樣化的科學實驗數據，如仍延用傳統的時分復用技術、多載波或多副載波方式傳輸已無法滿足需求，迫切需要研究尋找一種更簡單、方便的傳輸方式。 同時，科學家及工程技術人員也逐步認識到空間技術比其他技術和工程領域更具有鮮明的國際性，僅僅依靠一個國家的能力來獨立開發遠遠不能適應時代的發展，迫切需要進行國與國之間的合作，通過共同投資、共同操作、共享研究成果，進而分享技術成果和分擔經濟成本。因此，各國空間機構迫切需要通過一個組織來提供數據處理服務，從而促進國際空間項目的共同開發。 故而針對空間數據標準和兼容性接口提出了“交互支持（Cross Support）”概念。 1981 年3月，以NASA 和ESA 為主體組成的工作組（NASA?ESA Working Group，NEWG）首先提出以航天器遙測數據包（Packet Telemetry）和遙控數據包（Packet Telecommand）作為空間數據標準的切入點。 1982 年1 月，在美國舉行的空間數據系統國際講習班上，這一雙邊活動擴大到全世界空間機構，并開始討論與空間信息和數據系統有關的共同問題。 同時，確定了通過創建一個組織使國際空間數據標準化活動正式化。 1982 年10月，在法國召開了CCSDS 的首次會議。

CCSDS 確定了開發各類空間數據系統的4個工作組：遙測、跟蹤和遙控組，信息交換流程組，交互支持操作組以及無線電測量和軌道數據組。到20 世紀80 年代末，CCSDS 的遙測、跟蹤和遙控組在遙測數據包和遙測通道編碼（Telemetry Channel Coding）建議書基礎上發展出先進軌道系統（Advanced Orbiting Systems，AOS）標準，該標準成為了國際空間站（International Space Station，ISS）的數據通信標準基線。

CCSDS 的宗旨定位在各國空間機構交互支持，開發超前的標準化解決方案來應對空間任務數據交換的挑戰，旨在增強未來數據系統標準化的發展，促進空間數據互操作性處理技術的提高。CCSDS 建議書的解決方案和創立最終通過參與機構的集體審議，將用于指導內部各個成員制定標準。

2.3 ISO 的有關職能

ISO 成立于1947 年，致力于推廣全球專有、工業和商業標準，是一個獨立的非政府組織，通過提供國家間的通用標準來促進世界貿易。 目前制定了涵蓋從制成品和技術到食品安全、農業和醫療保健等所有方面的2 萬多個標準。

CCSDS 在1991 年與ISO 達成合作協議，將CCSDS 部分建議書納入ISO 第20 技術委員會（航空器和航天器）的第13 分委員會，發展成為正式的國際標準。

2.4 SFCG 的有關職能

1980 年1 月，ESA 總干事致信NASA 提議創建SFCG，目的是建立一個非正式平臺和靈活的研究環境，通過多邊討論和預協調ITU《無線電規則》所定義的、共同關心的空間研究、空間操作、衛星地球探測、衛星氣象、衛星間等業務，來有效解決各空間機構遇到的頻率管理和使用中棘手的難題。

SFCG 工作成果以決議、建議書及報告形式展現。 各空間機構可以使用這些協議來充分開發分配的業務頻段，確定受影響領域和協調訴求，研究與之相關的潛在解決方案，規避相互產生潛在干擾的風險，促進空間機構間對當前和未來計劃的及早了解。 另外，通過相互諒解和預協調機制，及早采取有效技術措施，推進ITU 層面的實施和應用。

3 主要規則約束

空間站正常工作的可靠和安全的頻率資源主要包括應急通信頻率、數傳頻段和相關科學研究以及航天知識普及的專用載荷頻段。 空間站的頻率使用規劃以CCSDS 為主導研究和開發。

3.1 CCSDS 數據系統組成

CCSDS 通過20 多年磨合和運用實踐，在2003 年對其流程進行精簡、擴充和改進，重新調整了工作機制，將組織架構定位在空間鏈路業務（Space Link Services，SLS）、空間互聯網業務（Space Internetworking Services，SIS）、航天器在軌接口業務（Spacecraft Onboard Interface Services，SOIS）、交互支持業務（Cross Support Services，CSS）、 任務操作及信息管理業務（Mission Operations and Information Management Services，MOIMS）以及系統工程（System Engineering Area，SEA）6 個學科的業務領域（area），如圖1 所示。

圖1 CCSDS 研究領域分類Fig.1 Classification of research areas in CCSDS

3.2 S 和X 頻段頻率使用規范

隨著大量空間任務的地對空和空對地鏈路發展，使用S 和X 頻段傳輸導航數據和測控指令需求不斷增長，為了保證多國合作的空間任務中航天器上和地面設備的一致性，1987 年1 月，CCSDS 在《無線電頻率和調制系統第1 部分－地球站和航天器建議標準》的第2.6.1 節首次明確提出設備從上行S／X 頻段轉換為下行S／X 頻段的變頻比標準（Transponder Turnaround Frequency Ratios，TTFRs），具體見表1。

表1 空間站S 頻段和X 頻段的TTFRs 要求Table 1 TTFRs requirements for the S and X bands of the space station

3.3 空間站應急通信頻率

為了保障載人航天器與地球站控制中心之間的通信保持連續和可靠，需要為整個載人航天器飛行任務期間分配緊急通信頻率資源。 一旦載人航天器飛行過程中發生緊急情況，可以通過獨立于測控鏈路之外的跨國國際合作系統快速建立緊急通信鏈路。 緊急通信頻率范圍設定為：

1） 除2293 ～2297 MHz 頻段外的2290 ～2300 MHz頻段，該頻段可直接或通過數據中繼衛星間接與地球站快速建立通信聯系；

2）反之，地球站對載人航天器的緊急情況處置指令可采用頻率2025 ～2110 MHz 頻段直接或通過數據中繼衛星發送至載人航天器；

3）在上述2 個給定頻段內開展特定應急通信服務時，需要各空間機構及早在SFCG 層面提出和協調。

同時，2.0 GHz 地球站的上行發射的旁瓣要求按照ITU?R SA. 509 號建議書設計。

3.4 空間站數傳頻率

為了規范23 GHz 頻段前向數傳鏈路的使用，2005 年10 月SFCG 通過了第14－1R2 號決議，一致要求所有空間機構所屬主管部門要避免除中繼星系統以外，使用22.55 ～23.55 GHz 頻段用于衛星間鏈路。 同時，就仍堅持一定使用此頻段作為非中繼星系統的衛星間鏈路的問題，各國達成了在確保非中繼星系統和射電天文業務之間的兼容性前提下，只能使用22.55 ～22.81 GHz 頻段的一致意見。

此外，就使用26 GHz 頻段數傳鏈路的情況，SFCG 也提出相應的要求，并在2002 年10 月做出最初決定，預留25.25 ～25.60 GHz 和27.225 ～27.5 GHz 頻段作為保護帶， 允許 25.25 ～27.5 GHz頻段用于近低軌通信。 但隨著研究進程的深化，2010 年7 月修訂并再次通過第29－1號建議書。 根據ITU 的共用標準和協調框架，認為ITU?R SA. 609 號建議書的26 GHz 頻段保護標準遠遠不能有效地保證空間站航天員和空間站的安全，因此明確指出26 GHz 頻段與地面固定移動業務和空間中繼星的共用原則不能作為空間站涉及安全的保護標準。 但如果航天器不涉及安全的有人或無人空間站信息數據的傳輸，則可以引入ITU?R SA. 609 號建議書保護標準進行協調，即：

1）所有干擾源信號不得超過集總電平，I／N超過－6 dB 的時間不超過0.1%；

2）到達地面的功率通量密度應該在－115 ～－105 dB（W／（m·MHz））范圍內；

3）產生的功率通量密度在靜止軌道中繼衛星處不得超過－133 dB（W／（m·MHz））。

但對于涉及空間站航天員和空間站安全的用頻問題，目前SFCG 仍在研究中。

4 國際規則發展概況

縱觀世界載人航天的發展歷史，空間站的建造和使用無疑是人類從對空間探索、研究和認識到開發、利用和改造的更高階段的產物。 空間站就其基本功能來講就是為人們在空間軌道上提供一個適合人類生活、發揮人的主觀能動性而進行高效工作的場所。

目前，空間站（Space Station）和空間實驗室（Space Lab）的類別劃分并不是十分清晰，籠統地講，空間站就是長期運行的空間實驗室，空間實驗室就是短期運行的空間站。

4.1 國外空間站的發展和頻率申報情況

從1971 年迄今，世界上已成功發射了12 個空間站。 其中，蘇聯／俄羅斯一共獨立建造和運營了8 個空間站，它們是1971 年至1982 年發射的禮炮1 號（SALUT－1）至禮炮7 號（SALUT－7），以及1986 年發射的和平號（Mir）空間站；美國獨立建造和運營了1 個空間站，即1973 年發射的天空實驗室（SKYLAB）；之后，美國和俄羅斯歷經波折，排除困難，倡導并開創了國際合作的模式，吸納日本、加拿大、巴西和ESA 包括的11 個成員國（法國、德國、意大利、英國、比利時、丹麥、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士）在內的16 個國家參加，共同建造和運營了人類最大規模的國際空間站（ISS）。 ISS 從1998 年開始在軌組裝建造，到2010 年完成并逐步轉入正式運營。

從ISS 的發展歷程可以清晰地看出，國際合作的數據交互、聯動測控勢必帶來各成員國設備的互聯互通，因此為測控業務頻率設計統一標準提出了要求，目的是減少交互帶來的數據格式不一致，后期接收處理數據繁瑣等問題，并滿足各參加國空間探索活動和國際科研合作活動的多樣化需求。 20 世紀90 年代初，ITU 建立了衛星網絡登記和協調電子數據庫源，根據最新公布的衛星網絡數據庫周報（截止2021 年4 月6 日，IFIC 2943期），對目前登記的所有1000 多份非同步衛星軌道（Non?Geostationary?Satellite Orbit，NGSO）網絡資料分類梳理，從ISS 軌道傾角51.6°、參與國家和軌道高度在340～450 km 等多個維度分類統計申報衛星網絡情況，梳理出基于ISS 申報的衛星網絡名稱及申請使用頻段情況，如表2 所示。

綜合表2 和ISS 的相關情況，可以看出ISS 有兩大部分組成，一部分是俄羅斯負責運營的俄羅斯軌道段（Russia Operational Segment，ROS），另一部分是多個國家共享的美國軌道段（United States Operational Segment，USOS）。 而從ISS 頻率使用來看，一部分是俄羅斯和美國為主的，維系空間站正常運行的星地測控、數據回傳使用的S 頻段和通過數據中繼衛星的測控及實時數據信息交換的高低速率使用的S、Ku 和Ka 等頻段；另一部分是其他空間機構圍繞著各自多學科基礎和應用科學研究的空間實驗領域，以及科普教育使用的X 數傳和UHF 業余無線電等頻段。

表2 國際空間站申報衛星網絡情況統計表［14］Table 2 Statistics on the declaration of satellite networks by ISS［14］

4.2 中國空間站的發展和頻率申報情況

中國在總結和借鑒俄羅斯載人航天循序漸進和美國爭先跳躍發展方式的基礎上，形成了具有中國特色的“三步走”載人航天發展戰略：第一步，以飛船為起步，發射無人和載人飛船，將航天員安全送入太空，進行適量的對地觀測和科學實驗；第二步，在第一艘載人飛船發射成功后，突破航天員出艙、航天器交會對接的關鍵技術，研制空間實驗室，實現航天員中期駐留，開展一定規模空間應用；第三步，獨立研制空間站，開展較大規模和全方位的空間應用。

中國在2010 年9 月正式批準實施空間站工程，到目前為止已獨立建造和運營了2 個實驗性質的空間站（亦稱空間實驗室），它們分別是2011 年發射的天宮一號和2016 年發射的天宮二號。 此外，以2021 年4 月29 日發射的天和核心艙為標志，中國已正式步入建造自己真正的空間站時代，計劃2022 年完成。

中國空間站的頻率申請工作是伴隨著工程研制進度同步展開的。 2008 年6 月優先啟動并完成設計成熟的神舟載人飛船（SHENZHOU）頻率申報工作，此份網絡資料的頻率設計立足保證載人飛船在軌安全和在軌少量實驗數據直接對地或通過中國數據中繼衛星系統（CTDRS）實時回傳。2010 年，在國家批準空間站工程立項后，為規模更大的空間實驗室或空間站運送貨物和在軌推進劑補加的貨運飛船，對用頻提出了新的要求。 由此，2014 年 11 月啟動了天舟貨運飛船（TIANZHOU）頻率資源的申報工作，考慮到貨運飛船與空間實驗室或空間站在交會對接前后的狀態，頻率設計時還適當兼容空間實驗室和空間站實際用頻情況。 此后，為配合中國空間站核心艙的建設，在確定空間站核心艙工作軌道后，于2019 年1 月啟動了空間站核心艙的申報工作；在全面梳理前期已申報頻率軌道資源的基礎上，按照中國空間站的設計特點，在完成天宮核心艙（TIANGONG）內實驗設備的電磁兼容評估基礎上，為核心艙重新申報了一份網絡資料。 中國空間站申報衛星網絡情況如表3 所示。

表3 中國空間站申報衛星網絡情況統計表Table 3 Statistics on the declaration of satellite networks by China Space Station

5 討論和建議

中國空間站即將完成在軌建造，在考慮國際合作的同時，需要探索一條具有中國特色的測控通信體制道路，即不僅要保證與現有傳輸體制兼容，又要有利于中國載人航天工程的未來發展。綜合對國際發展態勢和頻率軌道協調規則的研究，從資源申報、頻軌協調、國際合作等方面對中國空間站未來運營期間頻率申報提出以下發展建議，以供參考。

1）在頻軌資源申報方面，可考慮參考美國、俄羅斯等ISS 參與國的做法，多管齊下、小步快跑進行頻率軌道資源申報：①在空間站中計劃有用頻需求的研究項目，應同下行落地的不同國家／地區同時申報網絡資料，以避免在申報流程及各國管理政策上的壁壘和差異；②在空間站未來有關實驗系統設計方面，應成熟一部分就立即直接啟動該部分資源申報協調工作，進而發揮及時聯動調整和頻軌資源滿足需求的優勢。

2）在頻軌協調方面，為滿足中國空間站發展的頻率需求，支撐空間站的穩定安全運行，建議進一步加強空間站與其他空間系統和地面系統的同頻和鄰頻兼容性研究，增強開發兼容分析和頻率復用技術基礎研究的力度，提前謀劃，逐步形成一套完備的干擾規避解決方案，確保空間站的用頻安全。

3）隨著越來越多的國家和企業謀求通信導航等功能的全球、全時覆蓋，低成本衛星發射技術逐漸成型而帶來的軌道資源大規模消耗問題的出現，給空間站開發和發展帶來了前所未有的挑戰，積極鼓勵參與空間站工程的用戶根據科學實驗設備具體用頻情況，及早謀劃向ITU 申請頻率軌道資源，對開展科學研究、構建太空命運共同體有促進作用。

4）空間站開展的航天醫學、空間生命科學、流體物理與燃燒科學等領域的前沿研究，急需包括頻率在內的配套應用資源。 做好頻率資源的超前謀劃和開展研究，有助于開展國際合作。 積極參與相關國際組織的活動，與國際相關組織通力合作，才能穩步有效推進實驗工作的開展。

6 小結

從ISS 發展歷程和ITU、CCSDS 以及SFCG 有關職能及研究工作來看，空間站無論在技術復雜程度還是工程經濟規模上，由單一國家獨立承擔都將是很困難的，因此需要開展國際空間機構之間的合作，由此也帶動了空間傳輸系統標準的發展。 目前，國內外普遍采用的測控體制和傳輸標準也是空間站發展的必然產物。

總之，借鑒ISS 頻率方面的發展經驗，以及有關空間頻率軌道管理協調機構的規則制定和技術研究成果，為中國空間站運行管理中頻率設計、使用提供參考依據，必定會有利于后續在國際合作中與不同國家統一用頻和電磁兼容工作的開展，這方面需持續不斷、適度超前地進行有關研究。