气象辅助系统与静止轨道卫星移动通信系统间的兼容共用分析

韩朝晖，聂晶，林源

1 引言

WRC-15大会之后，我国即将对L频段（下行1 525 MHz—1 559 MHz/上行1 626.5 MHz—1 660.5 MHz）的划分进行修订，将卫星移动业务从次要业务变成了主要业务，以此适应我国发展卫星移动通信系统（以下简称“MSS系统”）的需求。但由于目前该频段内我国气象辅助系统存在大范围的部署和使用，全国分布站点的数量达120个，各站间距约为250 km。如果要推进卫星移动通信系统建设，不仅需要时间的过渡，还需要进行充分的论证。为了更好地分析这两种业务该如何共存，本文结合我国气象探空系统实际情况，围绕两个系统的用频特点开展了兼容性分析，给出了分析结论，希望对国家后续开展这两种业务的接续和过渡有所帮助。

2 气象探空系统应用现状

该系统主要由地面二次雷达与高空探空仪组成（如图1、图2所示），其中，探空仪主要包括气象感应元器件以及二次雷达的脉冲应答器。探空仪由氢气球拖曳升空，随空气风向、风速自由漂升，气球放飞一个多小时后，上升到约30 000 m高空，因空气稀薄而膨胀爆炸，探空仪坠落，探测结束。放球过程中，地面雷达一直跟踪电子探空仪，向探空仪发出一系列询问脉冲。探空仪每接收到一个脉冲信号，立即发出一个回答脉冲信号，从而实时得到一系列的探空仪的方位角和斜距数据，通过信号处理，测得风向和风速数据。同时，高空探空仪将其探测到的温、压、湿传感器信息转换成射频信号，与上述距离信息一同传送至地面二次雷达的接收系统，经后续处理后获取各大气层的气温、气压、湿度等气象资料[3-5]。

图1 L频段探空雷达天线

图2 探空气球升空

探空系统的回传信号采用调幅体制，相对于只有1 200 bit/s的信号速率而言，3 dB的占用带宽高达8 MHz，不仅容易受到地面业务台站引入的旁瓣干扰，还会由于带外杂散较大，对同、邻频段的卫星气象接收系统产生影响。其次，由于探空系统的回传信号携带了角度和测距信息，一旦受到影响，将直接影响到角度信息和测距信息的提取，从而影响到天线伺服系统，对气球跟踪产生偏差，最终导致气球跟丢。探空系统主要用频参数如表1所示[5]。

3 静止轨道卫星移动通信系统

由于目前我国还没有成型的L频段卫星移动通信系统，为了便于MSS系统与其他系统开展兼容性分析，电联研究组对静止轨道MSS系统和非静止轨道MSS系统的技术特性进行了提炼和总结，建议书ITU-R M.1184详细介绍了比较有代表性的频谱参数，从某种程度上说，能够反映出国际主要MSS系统的技术特征[11]，如表2所示。

表1 二次测风雷达-电子探空仪典型参数

4 共用分析

4.1 风险场景分析

在1 668MHz—1 675MHz频段，MSS系统主要是“地对空”链路，气象辅助系统则是“地对空”和“空对地”双向链路应用。根据信号的传输方向以及天线指向特点，MSS系统对探空系统的潜在干扰主要来自全向天线的移动终端对探空气球或者气象接收站的影响。鉴于探空气球的工作原理是接收高功率、雷达脉冲信号的触发，只要满足灵敏度要求，就发射回波脉冲信号，而温湿压传感信号则一直向下发送，并不受触发信号影响，因此，探空气球的应答器基本不受外来信号干扰。如图3所示，干扰主要存在于：一是MSS系统上行信号对探空接收站的影响，二是探空系统上行雷达信号对卫星的影响。

表2 GSO MSS业务链路（上行）

图3 MSS系统与探空系统共用场景示意图

4.2 干扰保护标准依据

（1）MSS系统

按照ITU规定的MSS系统的单入干扰保护门限标准：I/N=-12.2 dB，在此种情况下，接收机的噪声温度提高了6%[11]。

（2）气象探空系统

按照ITU建议书RS.1165，气象探空系统的性能指标如表3所示，反映出系统的(S/N)min或(C/N)min门限值，以及特定受扰条件[12]。

表3 气象辅助业务系统的性能标准

按照ITU建议书RS.1263，集总干扰门限I0采用下面的公式进行计算[13]：

其中，MdB为实际系统的链路余量，一般由C/N-(C/N)min得到；q为允许干扰吃掉余量的百分比，一般q长期取1/3，q短期取1。当多个干扰源存在时，还需对干扰源数量n进行预测，单入干扰门限则为I0/n，用dB值表示为I0(dB)-10lg(n)。

4.3 传播模型选用

整个干扰场景中主要包括三类台站：空间台站（卫星）、高空台站（探空气球）、地球表面台站（包括探空接收系统地面台站和卫星地球站）；三类传输路径：地球表面台站之间的传输，高空平台与地球表面台站之间的传输，空间台站与地球表面台站之间的传输。

（1）地球表面台站间的传输损耗

指卫星移动通信地面终端与探空系统接收机之间的传输，主要参照P.452《0.1GHz以上地球表面两个台站之间的传输损耗预测》[14]。

（2）高空平台与地表台站间的传输损耗

高空平台主要是指探空气球，它升空的极限高度约为30 km。根据大气层的分布特点，18 km以下为对流层，18 km～50 km之间为平流层（其中，18 km～30 km之间是平流下层，又称为同温层）。因此，在探空气球放飞期间，将要分别经历对流层和同温层。传播模型主要参考P.1409《在约1 GHz以上频率使用高空平台台站和平流层其它高空台站的系统的传播数据和预测方法》以及P.619《空地台站之间干扰评估所需的传播数据》[16-17]。

（3）空间台站与地表台站间的传输损耗

主要是指卫星平台至地表台站之间的传输损耗，通常采用自由空间传播模型，参见P.525《自由空间损耗》以及P.619《空间和地表台站之间干扰评估所需的传播数据》[15-16]。

4.4 兼容共用分析

（1）MSS终端对探空站的干扰

1）基础前提

当无线电探空仪处于距地最高点时，此时通常探空仪与接收机之间的倾距最大，气象探空系统在斜距最大时，链路余量处于最小，容易受到干扰[5-6]。我国探空气球大约升至30 km发生高空爆炸，达到最大探测斜距约200 km，此时天线主波束仰角约9°。由于探空气球随风飘移，地面跟踪天线在方位向可0°～360°旋转。MSS系统手持终端的部署位置不固定。因此，对于两类位置和方位均不固定的系统而言，按照最恶劣情况，MSS终端正好位于探空站接收主波束的方位向上（如图4中OL延长线上）。尽管气球飘移轨迹不定，但地面上分布的MSS终端较多，上述这种状况随时可能发生。MSS业务覆盖面积大，与气象探空系统之间主要形成的是长期干扰，而不是短期增强干扰，因此，以大概率干扰分析为主。

图4 MetAids站与MSS移动终端共用场景示意（下行）

2）分析计算及结论

要想避免MSS终端对探空接收站产生干扰，必须保持两者之间具备一定的保护距离，使落入接收机的干扰信号能量满足一定限值（即可允许的集总干扰门限I0），而这个限值I0又与探空系统的链路余量相关。因此，我们将依据限值I0推导出距离保护标准。集总干扰门限I0采用式(1)进行计算。

表4列出了探空站与MSS系统共存场景下，探空气球在不同升空阶段、区域内分布不同数量的MSS终端时，探空站所需的保护距离[3]。从表中可以看出：◆探空接收站指向气球的仰角越小，就越易遭受影响。因此，MSS终端距离探空站的保护距离越大。随着倾角的增大，探空站旁瓣泄露进来的干扰越小，MSS终端距离探空站的保护距离也逐渐减小。◆随着区域内MSS终端分布数量的增多，探空站的链路余量将被多个系统吃掉。因此，为了确保达到探空站的集总干扰不变，每个MSS终端距离探空站的保护距离比单个干扰源存在时的保护距离更大。

（2）探空站上行雷达信号对卫星的干扰

1）基础前提

卫星移动业务主要是小波束覆盖，小区和小区之间呈无缝衔接。每个小区内，卫星覆盖的eirp值可以看成是恒定的，即每个小区都位于小波束的主波束内。气象探空站布站间距大约为250 km，探空站基本处于卫星移动业务小区内，或者位于某两个小区的重叠部分，如图5所示。

气象探空站天线仰角的变化范围是0°～90°。在MSS业务小区内，当探空天线主波束指向卫星时，卫星遭受的干扰概率最大。通常情况下，随着气球的飘移，探空站主波束指向卫星的状态将改变。但是，当“东西向”风速与“南北向”风速相当时，升空气球将一直位于指向卫星的波束内，此时卫星将遭受持续干扰。

2）分析计算及结论

由于卫星移动业务一般由上百个小波束提供，每个波束的张角大约在0.6°，根据计算结果可以看出，小区中的任何一点到达卫星的斜距，R≈H(36 000 km)，如图6所示。因此，无论探空站位于小区中心，还是小区边缘，脉冲雷达信号到达卫星的衰减值可看作相同。由于小区内气象探空站的部署数量（或密度值）决定了对卫星的影响程度，当在最恶劣情况下，探空站按等边三角形分布，每个站的间距按要求最小是250 km，此时分布密度最高。而每个MSS小区（覆盖直径是376 km）中，最多能容纳三个探空站，如图6所示。假设当这三个探空站同时放飞气球，每个气球均位于卫星与探空站的视线上，此时三个探空站的天线均处于高仰角发射，而且是最大指向，此时卫星遭受的集总干扰最大。

表4 不同升空阶段、不同数量干扰源下，探空站所需的保护距离

图5 气象探空站站与MSS移动终端共用场景示意（上行）

图6 MSS小区探空站情况

通过计算目标接收机性能开始恶化时的IT（即最低干扰门限值），比较I和IT，如果I＞IT，则无法兼容，有：

鉴于雷达脉冲发射功率、天线主波束增益都比MSS终端的数值要大得多，当探空站天线指向卫星时，单入干扰I/N达32.41 dB，远远大于电联规定的门限值-12.2 dB，对MSS上行单载波信号造成严重影响。随着气球的漂移，探空站发射天线也随之转动，最大波束指向偏离卫星，干扰情况会有一定改善，如图7所示。但若要降至-12.2 dB的门限值，还需待气球漂移一段时间后，才能使探空天线波束最大增益28.3 dB降至-16.32 dB。

图7 探空站对卫星天线指向变化

按照《无线电规则》附录8中所示的天线旁瓣特性，可推算出-16.32 dB增益对应的偏轴角：当偏轴角大于48°时，偏轴增益小于-16.32 dB，可以使干扰程度降低。也就是说，当探空站天线的主波束偏离卫星达到48°，就不会对卫星产生干扰。但是在偏离的过程中，即探空站天线跟踪气球的过程，脉冲信号依然会对卫星产生干扰。

5 结论

气象探空站工作在低仰角时较易受到来自MSS终端的干扰，且其工作状态跟当时的气象环境密切相关，具有较强的不确定性。二次雷达体制的探空站由于其发射信号功率大，在跟踪气球的过程中，无论是主波束或者旁瓣波束都会对卫星造成干扰。若MSS系统和气象探空系统均采用上述传统的使用和部署模式，系统的互扰风险无法避免，必须充分考虑分阶段、分区域逐步实施推进MSS系统的区域性建设试验以及气象探空系统的更新换代。