迎接挑戰：地面無線電對衛星服務干擾
編譯：陳柱文（中國電科36所）
地面無線服務提供商正在努力爭取更多頻譜資源，以滿足移動數據的需求。這將對衛星服務產生什麼影響？相關管理者應當如何解決擁擠頻譜空間內的干擾問題？如何優化頻譜的使用並鼓勵創新，使衛星服務投資獲得相應回報，儘力滿足人們對衛星服務無干擾運作的預期？2018年1月，美國航空航天集團（Aerospace Corporation）太空政策與戰略中心發布《迎接挑戰：地面無線電對衛星服務的干擾》報告，對以上問題進行了探討。該報告全文編譯如下：
一、問題
來自衛星的微弱無線電信號具有獨特的物理特性，因此衛星系統使用的無線電波一直受到美國頻譜使用管理機構——即聯邦通信委員會（FCC）和國家電信及信息管理局（NTIA）——的特別關注。通過對衛星無線電頻譜的精心安排，聯邦通信委員會和國家電信及信息管理局推動了無數太空服務及應用蓬勃發展，但是受到特別保護的日子可能不長了。隨著地面移動無線設備飛速增加，地面無線電頻譜的價值也一飛衝天。在最近的無線頻譜拍賣中，無線提供商投入數十億美元來獲取額外的頻譜以增加容量。
對頻譜的需求在快速增加，新用戶要求與現有用戶「共享」，其中包括衛星系統。但是一方「共享」的想法看起來像「侵蝕」另一方，衛星應用與地面無線電應用雖然不同，但它們之間潛在的干擾卻是真實存在的，而且在日益增加。衛星系統服務商發現自己處於非常不利的位置，因為他們在這場稀缺資源的競爭中可能會被壓倒，不管是在技術層面還是經濟層面。
L頻段受到了廣泛關注，即1000MHz到2000MHz這個範圍。由於頻率相對較低，L頻段的信號一般很容易處理，也不需要昂貴且複雜的設備，而且也不太容易受天氣的影響。L頻段目前主要用於氣象衛星、GPS衛星、移動運營商、飛機監視系統等應用，這些系統為航空安全、氣象跟蹤、洪水控制提供了關鍵支持。
（一）航空安全
航空工業越來越依賴來自GPS及相關係統的天基定位、導航與授時（PNT）信息。在美國境內大約有近4000條基於GPS的飛行線路。GPS也是地面態勢及告警系統（TAWS）不可或缺的一部分，該系統將精確的飛機位置信息與數字地形高度模型結合起來，防止與山體、大型結構、或者其他地面障礙物發生碰撞。必須意識到，對GPS接收機的潛在干擾是重要風險。
GPS也是無人機系統PNT信息的主要來源。對GPS的干擾不僅給無人機產業帶來直接的經濟影響，而且如果造成操作人員失去對無人系統的控制，這還可能帶來安全風險。
此外，聯邦航空管理局（FAA）的下一代空中系統升級項目要求從基於地面的導航輔助過渡到基於GPS的定位導航。對GPS的干擾可能對籌划了十幾年的升級工作帶來嚴重威脅，並可能使公共飛行置於危險之中。作為下一代系統升級項目的一部分，美國的航空公司及飛機運營商現在也開始以很高的成本為飛機安裝相關設備，以滿足聯邦航空管理局規定在2020年1月前安裝自動廣播相關監視（ADS-B）的要求。整個航空工業在飛機上安裝該設備意味著私營企業要投入數十億美元。更重要的是，新設備的GPS接收機很難調整。航空工業進行升級更新以降低干擾的總成本（包括設備的開發及替換）還要再增加數十億美元。此外聯邦航空管理局還需要花時間和資金對新設備進行認證。航空用戶也依賴通過頻譜獲取天氣數據。很多航空公司是通過私有的地面站獲取天氣數據，它們也可能會受到干擾的影響。
（二）天氣廣播
在很多緊急的天氣事件中，天氣預報人員需要及時從國家海洋及大氣管理局（NOAA）的地球靜止軌道環境業務衛星（GOES）獲取信息。這些衛星持續監視西半球，為氣象工作人員、工業屆以及普通大眾提供基本的態勢感知。
有人提議將L頻段的一部分頻段用於共享，即1675MHz至1680MHz。目前的商業提案是共享這段頻譜，用相同頻率用高功率的地面信號來替代，因為來自太空的中繼信號很弱。這樣做會給地球靜止軌道環境業務衛星帶來問題，因為它們正在使用1675MHz至1695MHz的頻段向地球接收機發送天氣數據。
聯邦機構使用地球靜止軌道環境業務衛星的數據來支持航空安全，保護電力網應對太陽風暴，引導飛機遠離輻射源和火山灰，給當地社區發出龍捲風來襲警告，控制美國港口和航道的水上交通，等等。來自地球靜止軌道環境業務衛星的數據可以生成颶風活動報告，發現越演越烈的野火，為消防戰士提供環境報告，傳遞水位信息，增強對龍捲風和極端天氣的告警能力。私營企業的氣象工作人員也可以使用地球靜止軌道環境業務衛星的數據來創造有附加價值的產品，為具體的工業部門提供本地告警及安全信息。
不同的GOES信號使用不同頻率來發射，它們可能面臨來自地面強大的
信號源干擾的威脅
在颶風及其他災難性天氣情況下，地球靜止軌道環境業務衛星數據為緊急管理人員提供關鍵的信息。提前預告可以幫助相關管理者事先做好應對準備；在事件（如颱風）發生時及發生後，實時數據也可以幫助他們應對和恢復。發生災難時，地球靜止軌道環境業務衛星的地面接收機可能是緊急管理人員獲取天氣信息的唯一渠道，而這些接收機使用的是電池驅動的小型天線，若受到干擾可能給生命及財產安全帶來嚴重影響。
國家科學基金會與國家海洋及大氣管理局2011年資助的一項研究為評估當前及改進的天氣預報信息打下基礎。這份研究顯示，因天氣變動給美國經濟活動帶來的損失大約為4850億美元，這是2008年國民生產總值（GDP）的3.4%，其中有一部分是可以通過改善天氣預報來避免的。在另一份相關研究中，國家天氣服務機構評估了天氣知識的經濟價值（如果完全貨幣化的話約為130億美元）以及繁榮的私營天氣業的經濟價值（大約70億美元），它們為企業及其他客戶提供定製的產品來實現這種價值。相比之下，提議拍賣的1675MHz至1680MHz預計產生的收益在未來10年也僅有6億美元。
來自地面信號源和衛星信號源的接收功率的巨大差異給相同或相鄰頻段的無線電服務兼容性帶來巨大的擔憂。當想要的信號和不想要的信號的功率差別足夠大時，接收機內較弱的信號會被淹沒
（三）水災控制及水監控
水災告警也使用1675MHz至1680MHz來傳輸數據，水災可能由洪水造成，也可能由颶風帶來的暴風雨造成，這可能導致數十億美元的損失。在颶風「桑迪」期間，人們通過使用這個頻段的地球靜止軌道環境業務衛星，近實時地獲得曼哈頓炮台公園洪水水位的消息。堤岸的安全通道以及通過測量手段獲得的佛羅里達州跨州洪水信息也用地球靜止軌道環境業務衛星來中繼。預報人員和緊急管理人員可以獲得所需的指標來及時發送告警信息，這有助於減少洪水造成的死亡人數。
水監控也可以擴展到監控乾旱及其影響。因為乾旱會提高野火的風險，消防領導需要利用地球靜止軌道環境業務衛星中繼的數據做出及時的決策，在動態條件下確定如何部署資源和消防戰士。
地球靜止軌道環境業務衛星由於射頻干擾出現掃描斷層
水庫管理也需要地球靜止軌道環境業務衛星中繼的水位信息來進行指導。希望共享部分L頻段的請求書已經引起大量使用地球靜止軌道環境業務衛星數據的用戶做出反應，包括世界氣象組織、美國氣象學會、地球觀測組、美國天氣及氣候工業協會、國際緊急管理者協會、國家水務告警委員會、水質量跨州委員會。可以看到，這些數據用戶代表的是一個複雜且重要的生態系統，他們依賴及時可靠的信息傳輸來監控水資源。大約28000個站點的氣象數據收集平台支持著地球靜止軌道環境業務衛星的數據收集系統。位於這些站點的感測器收集著各種測量數據，例如溶解氧、濁度、溫度、水位、降雨量等。氣象、環境以及公共安全都依賴於及時傳輸這些數據，而這些數據通過地球靜止軌道環境業務衛星網路進行傳輸。緩解措施，例如升級這個巨大感測器網路的接收機，需要大量的時間和成本。此外，如果衛星用戶與地面用戶使用相同頻率，那麼通過安裝濾波器來緩解干擾也並非可行的方案，因為濾波器會同時削弱想要的信號和不想要的信號。
二、未來發展
共享此前分配給太空應用的頻段，地面高功率發射機干擾太空服務的相鄰頻段，這些會給很多重要的國家安全、導航、天氣、水監控系統帶來風險。
頻譜利用自由化通常被視為鼓勵創新的一種手段，但創新在現有機構和新來者兩邊都可以發生。新來者可能獲得的潛在收益應當與L頻段現有衛星用戶的完全貨幣化的收益進行公平對比。現有用戶是一個複雜且龐大的利益相關集團，它們為公共利益而運作。隨著專用頻段被不斷侵蝕，天基系統的運營商和用戶不能再享有聯邦通信委員會和國家電信及信息管理局曾保障的無干擾運作。應對工作和緩解措施將非常耗時、昂貴，而且可能根本無法阻止服務降級或中斷。所有的天基系統及其用戶，包括導航、天氣、國家安全、情報界等，必須「迎接挑戰」。
最理想的情況是聯邦通信委員會及其頻譜政策的決策者全面考慮導航定位授時、航空、天氣等領域已經進行的投資，以及這些投資產生的社會價值。這種考慮應當包括無線電及無線應用之間的技術差異、制度問題的價值優先以及突然改變數十年前精心規劃的傳統頻譜分配方案所帶來的後果。制度決策應當考慮天基服務相較地面無線電服務的獨特物理屬性，包括在接收信號功率方面可能存在巨大的差異。
對頻譜共享或重新分配的研究應當遵循管理及預算辦公室對成本-收益分析的指導，而且不能僅考慮頻譜許可持有者的近期收益。這些研究應當考慮所有持有者（尤其是美國納稅者）的直接和間接成本及收益。這些研究至少應當考慮：
現有衛星服務的經濟收益。衛星服務對國家經濟有著重要的直接和間接貢獻，為無數地面應用提高效率，例如航空、天氣及農業。因此任何研究都應當考慮重新分配頻譜產生的社會收益。
緩解地面干擾的技術可行性。儘管有人為天基應用提出一些緩解措施，例如地理上進行隔離以及無線電頻率濾波器，但是這些解決方案並非適用所有的情況。有的地面站不能移動，有的站太小、或電力不足、或無法接近以便翻新。緩解的技術可能會給原始設備造成不可逆的性能下降。更重要的是，很多地面干擾可能等發現時已經太晚了，因為很多廠商可能並不會主動跟蹤規章問題。
技術緩解措施的成本。一個重要的問題是，「誰為緩解地面干擾買單」？聯邦通信委員會2003年對在移動衛星服務（MSS）分配頻段（47 CFR 25.255）內運作的輔助地面設備（ATC）進行了規定，這似乎給出了清晰、明確的指導：「如果移動衛星服務輔助地面設備的運作給其他服務帶來有害的干擾，這些輔助地面設備的運營者必須解決任何這類干擾。」如果採用某些解決方案能夠解決導航定位授時、天氣、水監控等任務被新的相鄰頻譜用戶造成頻譜侵蝕的問題，公共利益相關者可能需要在設計及運作上做出高成本的改變。這些成本可能大於各種地面頻譜新應用預測帶來的社會及經濟收益。
開發、測試、形成及應用緩解措施的時間。過渡到新的、不同的技術和系統需要時間、投資、訓練及其他額外成本。從這點來看，公共利益相關者需要制定合理的時間表，同時聯邦通信委員會也要與受影響的利益相關者就過渡期達成一致。例如國家海洋及大氣管理局首批新的地球同步氣象衛星剛投入運作，這項工作花費了十幾年的時間以及100億美元的撥款，這些衛星在考慮進行共享的頻段內至少運作到2036年。現在就決定共享全部或部分1675MHz至1695MHz頻段，這無疑使國會在這項關鍵的新氣象衛星系列的投資大打折扣。
上述分析研究可能需要很長時間，在這期間導航定位授時、天氣、水監控等還需繼續提供關鍵的信息。了解這些成本和時間要求有助於確定重新分配L頻段相鄰頻率是否會帶來社會福祉。
如果研究表明最終沒有凈收益，那麼聯邦通信委員會為新申請者發放許可就不是為了公共利益。如果成本-收益分析表明有積極的社會收益，那麼完全有理由說聯邦通信委員會確定將GPS及地球靜止軌道環境業務衛星相鄰的頻率分配給地面用戶是有益的，應該將頻譜許可授予新申請者，同時要給公共頻譜利益相關者留出充足的準備時間。一個穩妥的方法是聯邦通信委員會與國家電信及信息管理局聯合起來，鼓勵高價值的無線創新，同時全面考慮在滿足生命安全方面已經投入的大量巨額投資。
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