Ka频段35.5-36 GHz低轨SAR卫星对地面雷达的干扰特性分析

摘要：针对使用Ka频段的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）的近地轨道（LEO）卫星对我国地面雷达系统的潜在干扰问题开展研究，在梳理国际电信联盟技术建议书和《无线电规则》的基础上，通过理论分析和干扰仿真等手段，对特定搭载SAR载荷的低轨卫星在完整周期内对地面气象雷达的干扰问题进行分析计算。研究结果表明，在SAR卫星与地面气象雷达有重叠部分的频段，考虑雷达部署特性和卫星轨道特性，卫星对地面气象雷达不会产生严重干扰。分析过程和结果对类似场景的星地频率兼容分析提供参考，对Ka频段雷达和SAR的工程预研和应用具有指导意义。

关键词：Ka频段；近地轨道卫星；SAR；地面气象雷达；干扰分析

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.032

中图分类号：TN 92；TN 97 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）07-00-05

Interference Characterization of Ground Radar by Low-Orbit SAR Satellites

at 35.5-36 GHz in Ka Band

GU Shunjie， LIN Lei， LIU Shanshan

（The State Radio_monitoring_center Testing Center， Beijing 100041， China）

Abstract： Research has been carried out on the potential interference of low-Earth orbit （LEO） satellites using Ka-band Synthetic Aperture Radar （SAR） with China's terrestrial radar system. On the basis of sorting out the International Telecommunication Union’s recommendations and Radio Regulations， the interference problem of a specific SAR-carrying LEO satellite on the ground-based meteorological radar during a complete cycle is analyzed and calculated by means of theoretical analysis and interference simulation. The results of the study show that in the frequency bands where there is an overlap between SAR satellites and ground-based meteorological radars， the satellites will not cause serious interference to radars， taking into account the deployment characteristics of the radars and the orbit characteristics of the satellites. The analytical process and results provide reference for satellite-terrestrial frequency compatibility analysis of similar scenarios and are of guiding significance for the engineering pre-study and application of Ka-band radar and SAR.

Keywords： Ka-band; LEO; SAR; ground-based meteorological radar; interference analysis

0 引言

近年来，随着各国星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）卫星技术的进步，多星组网、高宽带、多天线的低轨SAR卫星开始投入使用，使得SAR卫星系统分辨率提升、覆盖范围提升或连续覆盖能力提升，SAR卫星系统能够更快发现、识别、确认、描述目标信息或更准确地判定目标位置。SAR卫星系统具备全天候、全天时对地观测能力，在地图测绘、环境监测、动态监视等领域的作用日益凸显。目前投入使用的低轨SAR卫星使用频段包括L频段、C频段、X频段、Ku频段和Ka频段等。

在上述各频段中，均存在SAR卫星信号与同频地面雷达信号之间的潜在干扰问题。目前国内使用Ka频段的SAR卫星和地面雷达的数量较少，在潜在大规模应用前，对Ka频段SAR卫星和地面雷达的兼容问题进行分析，对后续工程预研和正常使用有重要指导意义。

本文将着眼于Ka频段35.5-36 GHz低轨SAR卫星与地面雷达之间的兼容共用问题，对相关标准和计算方法进行梳理，并通过仿真分析星载SAR对地面雷达的干扰情况，给出分析结论。

1 Ka频段35.5-36 GHz卫星地球探测

业务（有源）频率划分及操作限值

1.1 Ka频段35.5-36 GHz卫星地球探测业务（有源）频率划分

卫星地球探测业务（Earth exploration-satellite service，EESS）是指地球站与一个或多个空间电台之间的无线电通信业务，并可包括空间电台之间的链路。这种业务中，由地球卫星上的有源遥感器（EESS（有源））或无源遥感器（EESS（无源））获得有关地球特性及其自然现象的资料；从航空器或地球基地平台收集、分发给有关系统地球站同类资料、可包括平台询问和所需的馈线链路。

根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》[1]与国际电信联盟（ITU）《无线电规则》[2]（Radio Regulations，RR），在26-40 GHz频段，我国的频率划分与国际电联3区的频率划分基本一致。本文中的Ka频段SAR卫星使用35.5-36 GHz的EESS（有源）进行探测。

在Ka频段，与EESS（有源）同为主要划分的有气象辅助、无线电定位、空间研究（有源）等业务。相关脚注如表1所示。与其他频段不同，在Ka频段，除对地功率通量密度的限制外，规则并未强调EESS（有源）对地面业务的保护。此频段内，RR规定了EESS（有源）为主要业务的频段为35.5-36 GHz。

1.2 Ka频段无线电定位业务相关保护标准

ITU报告RS.2094[3]对星载SAR与雷达、固定业务间的同频干扰进行了分析，认为地面典型雷达对星载SAR的影响较小，星载SAR对地面雷达可能具有干扰，与雷达的扫描模式、减扰技术和中频处理增益相关，很难单纯通过I/N判断对雷达系统退化的影响。报告讨论了星载SAR的功率通量密度（pfd）限值，并对干扰的I/N进行了研究。

ITU建议书RS.1280[4]给出了干扰计算方法。M.1849-3[5]认为，对于恒定干扰，地基气象雷达干扰保护标准应采用I/N=-10 dB；同时认为脉冲干扰和时变干扰需要逐个案例进行分析，要考虑到动态的仿真结果，且目前为还没有开发出适用于时变干扰保护标准的一般性公式，应针对具体案例、根据动态仿真结果进行分析。

M.1796[6]认为干扰信号功率与雷达接收机噪声功率电平的比值（I/N）为-6 dB应被视为8 500-10 680 MHz无线电测定雷达所要求的保护电平。

M.1640[7]认为在连续（非脉冲）干扰下，-6 dB的干扰信号功率与雷达接收机噪声功率电平之比I/N应作为通常用于共用研究的无线电定位系统所需的保护电平。

1.3 合成孔径雷达卫星

合成孔径雷达（SAR）是一种星载相干侧视雷达系统，利用卫星的飞行路径模仿超大型电子天线或孔径，生成高分辨率的遥感图像。

ITU-R RS.2043-0[8]对星载SAR的操作模式描述包括以下几种：带状图模式下SAR天线指向平台轨迹的一个固定方向；扫描模式下，SAR可通过将天线扫向不同位置，照射若干子扫宽；聚光灯模式是获得最高分辨率的方式，其通过电子方式调整雷达波束方向以对准目标，形成时间更长的合成孔径。

考虑到聚光灯模式中干扰功率和时长是最为严重的，故本次仿真采用聚光灯模式。

1.4 地面雷达

在Ka频段35.5-36 GHz与EESS（有源）重频的地面雷达主要是气象雷达。

RR中，雷达不是一个独立的业务，其被归入无线电测定或无线电导航业务，取决于雷达载体和具体如何使用。

地面气象雷达是用于气象预报、大气研究以及航空和海事导航的雷达，通常24小时连续工作，在实时气象与水文预报预警中起到至关重要的作用。

2 系统模型研究

2.1 干扰发生场景

本文假设有一颗工作在Ka频段的SAR卫星，系统需求带宽为600 MHz，使用频率范围为35.5-36 GHz。卫星使用太阳同步轨道，轨道高度为500 km，轨道倾角97.03°。通过分析此SAR卫星对地面雷达的干扰情况，判断Ka频段低轨SAR卫星与地面雷达的兼容情况。

2.2 干扰评估方法

EESS（有源）业务的对地面业务的干扰保护，通常考虑到地功率通量密度（pfd）和受扰台站的干扰噪声比（I/N）。

2.2.1 到地pfd

RR中对35.5-36 GHz的EESS（有源）业务并未规定pfd限值，可酌情参考9 900-10 400 MHz的限值。第21.16.8款中给出了计算公式。

（1）

式中，为SAR卫星天线输入端的射频峰值功率（dBW）；为SAR脉冲宽度（µs）；PRF为SAR脉冲重复频率（kHz）；δ为卫星垂直平面内地面上方的仰角（°）；为SAR发射带宽（MHz）；为SAR卫星垂直平面所考虑仰角为δ时的发射天线增益（dBi）；为对于所考虑的仰角δ，卫星与地面之间的距离（m）。

2.2.2 I/N

根据建议书M.1461-2[9]，无线电测定雷达的减感效应与干扰强度有关，并给出干扰计算方法如下：

（2）

式中，I/N为用于维护可接受性能标准的所须检测器输入（中频输出）的干扰-噪声比值（dB）；N为接收机固有噪声电平（dBm）。采用I/N作为干扰判别指标，其中：

（3）

式中，为接收机中频带宽（MHz）；NF为接收机噪声指数（dB）。

（4）

式中，I为接收机输入的干扰信号峰值功率（dBm）；为干扰源发射机的峰值功率（dBm）；为在所分析雷达方向上干扰源天线增益（dBi）；为干扰源方向上接收机天线增益（dBi）；为发射机插入损耗（dB）；为雷达接收机插入损耗（dB）；为发射和接收天线间的传播路径损耗（dB）；为接收机中频选择性曲线在干扰发射光谱上产生的频率失谐抑制（dB）。

根据建议书SM.337[10]关于FDR的定义，对于脉冲信号，可以近似计算为：

（5）

（6）

式中，OFR为频率失谐抑制；OTR为调谐抑制；为干扰发射机的3 dB带宽（Hz）；为被干扰接收机的3 dB带宽（Hz）。

2.3 干扰保护标准

2.3.1 到地pfd

由表2计算可得Ka频段35.5-36 GHz星载SAR波束到地pfd，该计算值可以作为干扰情况评估的参考。

2.3.2 I/N

经参考相关规定，本文采用干扰噪声比及对应

时间百分比相结合的方式，评估EESS（有源）系统是否对地面无线电测定业务台站造成有害干扰，具体标准为：

在一个轨道重复周期内，单颗卫星发射的无线电信号，在地面无线电测定业务台站接收机输入端产生的I/N大于-6 dB的时间百分比不超过0.002%时，则判定该卫星不会对地面无线电测定业务台站造成有害干扰。

3 干扰仿真及分析

3.1 仿真参数选取

仿真采用Visualyse 7.9.10.6软件，仿真步长0.01 s，仿真时长11天，卫星运动轨迹在仿真时间内能够经过台站所在区域，可确保星载SAR载荷对任意位置1次以上的重访机会。

设置I/N统计门限为-6 dB。

仿真分析使用干扰源SAR卫星的频率轨道及雷达相关参数如表3所示。

根据建议书M.1640-1[11]，部分部署在35 GHz附近频率的典型系统的技术特性如表4。

3.2 星载SAR载荷发射天线的仿真建模

根据SAR卫星参数，在卫星单侧，取卫星方位角范围35°、俯仰角范围45°，此指向范围内，载荷发射天线增益均设置为最大值，其他角度增益为0，通过扩大最大增益值的覆盖角度（而非使用SAR天线的波束宽度），可以对覆盖范围内的受扰台站等效为受到聚光灯模式照射。

3.3 受扰系统参数

本文假设Ka频段35.5-36 GHz受扰地面台站为民航气象雷达。

根据M.1849-3，在无法得到实际天线方向图的情况下，可选用代表性的天线代替。考虑最严重的假设场景，仿真中使用F.699《用于100 MHz-86 GHz频率范围内协调研究和干扰评估的固定无线系统参考天线辐射方向图》中的模型进行分析，载波特性使用3.1节中的典型参数。

受扰台站布置位置为A机场，使用非跳频雷达的典型参数（雷达1）。为直观展示不同仰角的受扰情况，本报告设置雷达站分俯仰角（-2°、5°、10°、40°、60°、90°）进行分别仿真，并保持受扰站方位扫描，扫描速度为36°/s。

I/N结果根据系统参数，结合干扰计算方法，考虑系统间的脉冲失谐抑制。

3.4 干扰仿真结果

对于卫星SAR信号，脉冲重复速度或占空比表征信号发射的频次，卫星SAR系统的脉冲重复速率为6 kHz，信号占空比为10%。在Visualyse仿真中，假设卫星SAR信号是常发状态，即占空比为100%，得到I/N的统计结果，再乘以实际占空比，得到最终对连续波雷达I/N的统计结果；对脉冲系统的干扰，根据M.1461，计算FDRIF需考虑双方系统的脉冲宽度和工作带宽，得到最终对雷达I/N的统计结果。

3.5 结果分析

对单颗卫星SAR载荷对Ka频段35.5-36 GHz民航典型气象雷达的干扰进行分析，针对受扰系统在俯仰角为-2°、5°、10°、40°、60°等情况，方位角进行36°/s扫描，统计I/N数据。结果表明，虽然在35.5-36 GHz范围内，星载SAR对地面雷达存在干扰，但干扰概率较小，在11天的仿真中，SAR系统单颗卫星对地面雷达的干扰不超过在0.002%时间占比下I/N=-6 dB的干扰限值，干扰符合本文采取的保护要求，双方系统可以兼容共用。此外，上述仿真结果是采用聚光灯模式的SAR载荷进行干扰的。如果SAR载荷使用扫描或条带工作模式，将会进一步降低干扰时间占比。

4 结束语

本文从Ka频段35.5-36 GHz卫星地球探测业务（有源）频率划分及操作限值入手，梳理了星载SAR对同频地面业务台站的干扰保护标准及计算方法，并对干扰场景和仿真建模进行了分析研究。基于Ka频段星载SAR典型参数，通过仿真方式验证了其对国内典型参数的同频民航气象雷达的干扰情况。仿真结果表明，星载SAR对地面雷达系统的干扰在保护限值范围内，对地面雷达系统未造成有害干扰，双方能够实现兼容共用。在未来的研究中，可进一步扩大SAR卫星系统和地面雷达系统的规模，探讨集总干扰下的兼容共存情况。

参考文献

[1] 中华人民共和国无线电频率划分规定[Z]．2023．

[2] ITU Radio Regulations （edition 2020）[M]. Switzerland， 2020：137-139.

[3] Studies related to the compatibility between Earth exploration-satellite service （active） and the radiodetermination service in the 9 300-9 500 MHz and 9 800-10 000 MHz bands and between Earth exploration-satellite service （active） and the fixed service in the 9 800-10 000 MHz band[R]. ITU-R RS.2094-0， 2007.

[4] Performance criteria for satellite passive remote sensing[R]. ITU-R RS.1280-2， 2003.

[5] Technical and operational aspects of ground-based meteorological radars[R]. ITU-R M.1849-3， 2023.

[6] Characteristics of and protection criteria for radars operating in the radiodetermination service in th4owVL4giKJZN89Y3/KMPsxwoYwIkwFVSpMRYgn3cnxQ=e frequency band 8 500-10 680 MHz[R]. ITU-R M.1796-3， 2022.

[7] Characteristics of， and protection criteria for sharing studies for radars operating in the radiodetermination service in the frequency band 33.4-36 GHz[R]. ITU-R M.1640-1， 2018.

[8] Characteristics of synthetic aperture radars operating in the Earth exploration-satellite service （active） around 9 600 MHz[R]. ITU-R RS.2043， 2014.

[9] Procedures for determining the potential for interference between radars operating in the radiodetermination service and systems in other services[R]. ITU-R M.1461-2， 2018.

[10] Accuracy of frequency measurements at stations for international monitoring[R]. ITU-R SM.337， 2007.

[11] Characteristics of， and protection criteria for sharing studies for radars operating in the radiodetermination service in the frequency band 33.4-36 GHz[R]. ITU-R M.1640-1， 2018.