■侯美亭

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《無(wú)線電頻譜需求增加下的主動(dòng)遙感發(fā)展戰(zhàn)略》評(píng)介

■侯美亭

NAP，2015年

無(wú)線電頻譜（Radio Spectrum）是頻率介于0Hz和300GHz之間的電磁波譜，其中0.3～300GHz范圍的波譜被稱為微波，微波是科學(xué)界主動(dòng)遙感主要使用的頻譜范圍。相比，被動(dòng)遙感使用的波譜范圍更為寬泛，即包括微波波段，也包括頻率大于300GHz的可見光、紅外、熱紅外等波段。同可見光、紅外相比，微波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此微波能夠穿透云層、霧、沙塵等，并且不受大氣散射的干擾，幾乎在所有天氣和環(huán)境條件下都可以檢測(cè)到微波能量。這也是主動(dòng)遙感大都采用微波波段的重要原因。

無(wú)線電頻譜是一種寶貴的資源，在社會(huì)許多行業(yè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值（圖1）。鑒于此，許多國(guó)家都設(shè)有專門的機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管。比如，在美國(guó)，隸屬美國(guó)商務(wù)部的國(guó)家電信和信息管理局（NTIA）管理聯(lián)邦政府頻譜的使用，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）負(fù)責(zé)所有非聯(lián)邦政府的頻譜使用管理；在英國(guó)，設(shè)有專門的電信監(jiān)管機(jī)構(gòu)Ofcom負(fù)責(zé)頻譜的管理。在日益增加的電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信技術(shù)的推動(dòng)下，社會(huì)對(duì)頻譜的需求增長(zhǎng)很快。由其帶來(lái)的無(wú)線技術(shù)的擴(kuò)散對(duì)科學(xué)界主動(dòng)遙感系統(tǒng)的干擾也不斷增加，特別是在L和C波段。因而，如何滿足各界（特別是科學(xué)界）對(duì)頻譜資源的需求，以及如何重新分配和共享頻譜，以便更高效的利用頻譜，也成為各頻譜監(jiān)管部門所面臨的迫切問(wèn)題。

科學(xué)界以及相關(guān)的業(yè)務(wù)部門必須積極參與頻譜分配和部署過(guò)程，確保滿足科學(xué)界對(duì)頻譜資源的需求。

為此，來(lái)自美國(guó)多所高校、研究所及公司的科學(xué)家組成的主動(dòng)遙感對(duì)無(wú)線電頻譜利用調(diào)查委員會(huì)、物理學(xué)和天文學(xué)委員會(huì)以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)院共同發(fā)布了《無(wú)線電頻譜需求增加下的主動(dòng)遙感發(fā)展戰(zhàn)略》（A Strategy for Active Remote Sensing Amid Increased Demand for Radio Spectrum）一書，探討了主動(dòng)遙感利用頻譜資源的有關(guān)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略。該書于2015年由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院出版社（NAP，The National Academies Press）出版，其主要目標(biāo)有3個(gè)：（1）指出主動(dòng)遙感對(duì)于社會(huì)的重要性；（2）介紹目前和未來(lái)主動(dòng)遙感有效利用電磁頻譜所面臨的威脅；（3）為主動(dòng)遙感所需頻譜的保護(hù)和有效利用提供具體的建議。

本書共包括9章：第1—6章介紹了主動(dòng)遙感的重要價(jià)值，并分別闡述了其在大氣、海洋、陸表、空間物理、行星科學(xué)等幾大領(lǐng)域的應(yīng)用情況；第7—9章則闡述了頻譜資源的分配政策、主動(dòng)遙感儀器面臨的射頻干擾問(wèn)題以及緩解干擾的有關(guān)技術(shù)和建議?？傮w上，本書內(nèi)容可以匯總為以下3個(gè)方面。

一、主動(dòng)遙感的重要性

圖1　無(wú)線電頻譜及其應(yīng)用（來(lái)源：New America Foundation,MCT,Howstuffworks.com）

主動(dòng)遙感是指由探測(cè)器主動(dòng)向目標(biāo)物發(fā)射一定能量的電磁波，再由至少一個(gè)接收器接受目標(biāo)物反射或散射電磁波的遙感系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物的反射或散射特性，就可以分辨目標(biāo)物的物理狀態(tài)。在不同領(lǐng)域，主動(dòng)遙感的目標(biāo)物也有所差異。比如在大氣科學(xué)領(lǐng)域，主動(dòng)遙感的目標(biāo)物主要包括地球大氣、海洋和陸地表面，其探測(cè)器平臺(tái)可以在地面、空中和/或衛(wèi)星上。

不同領(lǐng)域的主動(dòng)遙感技術(shù)對(duì)科學(xué)和社會(huì)的重要影響，具體包括：1）大氣主動(dòng)遙感可以提供對(duì)風(fēng)暴、全球大氣環(huán)流的深入了解；2）海洋領(lǐng)域，主動(dòng)微波傳感器可提供洋流、波浪和風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量，是被動(dòng)微波、可見光和紅外測(cè)量的重要補(bǔ)充。其對(duì)全球天氣預(yù)測(cè)、風(fēng)暴和颶風(fēng)預(yù)警、波浪預(yù)測(cè)、沿海風(fēng)暴潮、船舶航線、商業(yè)捕撈等具有重要應(yīng)用價(jià)值；3）主動(dòng)遙感測(cè)量雷達(dá)，包括真實(shí)孔徑雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)（SARs）和散射計(jì)，能為土地利用、環(huán)境管理等提供必要的數(shù)據(jù)；4）電離層的主動(dòng)遙感對(duì)于理解其附近空間區(qū)域的物理特征、以及預(yù)測(cè)空間天氣事件對(duì)電力、通信等行業(yè)的影響直觀重要；5）行星雷達(dá)天文學(xué)中的主動(dòng)遙感技術(shù)，有助于人類提高對(duì)太陽(yáng)系的理解、制定衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃以及跟蹤和表征可能威脅到地球的近地小行星。

二、 主動(dòng)遙感所需頻譜的有效使用在當(dāng)前和未來(lái)面臨的威脅

主動(dòng)遙感使用的頻率基本決定于所研究的物理現(xiàn)象。對(duì)于每種測(cè)量類型，很難把其所使用頻段轉(zhuǎn)換到其他頻段。因此，對(duì)于那些對(duì)社會(huì)發(fā)展非常有必要的主動(dòng)遙感測(cè)量，必須保證它們所需的頻譜資源。

主動(dòng)遙感傳感器面臨的頻譜問(wèn)題主要有兩類：1）與被動(dòng)傳感器一樣，主動(dòng)傳感器也受到了其他無(wú)線電服務(wù)的射頻干擾（Radio-frequency Interference，RFI）；2）與被動(dòng)系統(tǒng)不同的是，主動(dòng)遙感系統(tǒng)也發(fā)射信號(hào)，因此可以根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)整，以確保它們不會(huì)干擾其他服務(wù)。隨著對(duì)頻譜資源不斷增長(zhǎng)的使用和需求，這兩個(gè)問(wèn)題越來(lái)越影響到主動(dòng)傳感器當(dāng)前和未來(lái)的發(fā)展。

當(dāng)前和未來(lái)RFI問(wèn)題，具體例子如下：

1）在一些情形下，對(duì)主動(dòng)傳感器的傳輸限制大大阻礙了其收集科學(xué)數(shù)據(jù)的能力，如對(duì)歐空局BIOMASS衛(wèi)星計(jì)劃在某些區(qū)域上空的傳輸限制，因?yàn)锽IOMASS對(duì)U.S.DOD SOTR（美國(guó)國(guó)防部空間對(duì)象跟蹤雷達(dá)）系統(tǒng)存在干擾。在一些波段保守的干擾標(biāo)準(zhǔn)使科學(xué)操作變得困難，對(duì)超高頻（UHF）和L波段的限制也隨著時(shí)間不斷提高。

2）部分波段的RFI環(huán)境正日益惡化。對(duì)于大量使用并得到充分研究的L波段的1215～1300MHz部分，世界范圍內(nèi)觀測(cè)到的RFI的量正不斷增加，特別是在北美、歐洲和東亞尤為嚴(yán)重（圖2）。歐空局稱，在C波段，RFI 也在增長(zhǎng)。

3）近期，商業(yè)服務(wù)計(jì)劃在地球探測(cè)衛(wèi)星分配頻譜中的擴(kuò)張將威脅到具有高附加值的C波段的科學(xué)雷達(dá)測(cè)量。例如，擬議的5350～5470 MHz無(wú)線局域網(wǎng)（RLAN）服務(wù)將嚴(yán)重限制歐空局的Sentinel-1星座（哥白尼計(jì)劃）和加拿大的Radarsat-2和RadarSat星座任務(wù)（RCM）。RLAN發(fā)射器的寬波段、噪聲狀特性很難或無(wú)法得到減輕。

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4）雖然有多個(gè)波段被分配到地球探測(cè)衛(wèi)星主動(dòng)頻譜上，然而僅有部分波段正在使用，或根本不被使用。由于容納新的服務(wù)的不斷壓力，在未來(lái)可能更難在這些波段上建立新的科學(xué)任務(wù)。

5）目前，RFI 已不再是行星雷達(dá)天文學(xué)觀測(cè)的一個(gè)重要障礙。然而，隨著對(duì)近地小行星圖像高空間分辨率的需求，導(dǎo)致了對(duì)帶寬需求的增加，將來(lái)RFI可能會(huì)是一個(gè)大問(wèn)題。為方便獲取近地小行星高空間分辨率影像，需要分配60～120MHz的帶寬。比如，NASA JPL Goldstone雷達(dá)目前擁有 200MHz的帶寬，其中心頻率為8.600GHz。

應(yīng)該指出的是，例行報(bào)告通常指出了其他非科學(xué)來(lái)源傳感器對(duì)主動(dòng)科學(xué)傳感器的干擾，而科學(xué)傳感器似乎很少會(huì)干擾其他服務(wù)。其原因之一是通信系統(tǒng)可以抵抗具有窄脈沖波形與低占空比的雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，窄脈沖波形與低占空比正是科學(xué)和業(yè)務(wù)雷達(dá)的典型特征。而不同的主動(dòng)科學(xué)傳感器之間可能會(huì)存在干擾，比如NASA CloudSat上的雷達(dá)可以干擾射電天文測(cè)量雷達(dá)。

當(dāng)前，RFI 緩解技術(shù)可以在UHF、L和C波段上顯著地降低干擾對(duì)科學(xué)傳感器的影響，C波段以上頻率進(jìn)行的科學(xué)測(cè)量基本上已經(jīng)不再受到RFI問(wèn)題的影響。因此，主動(dòng)遙感能夠更有效地與一些服務(wù)分享頻譜，這取決于干擾信號(hào)的性質(zhì)。

圖2　Aquarius L波段觀測(cè)到的射頻干擾（RFI）（來(lái)源：NASA/JPL-Caltech）

此外，表征RFI影響主動(dòng)遙感空間儀器的困難之一是當(dāng)前世界范圍內(nèi)主動(dòng)遙感信號(hào)發(fā)射器信息不夠全面，以及RFI環(huán)境的特性隨時(shí)間推移不斷演變。同時(shí)，目前尚缺乏一種好的指標(biāo)，以量化各種主動(dòng)遙感科學(xué)測(cè)量?jī)x器（如散射計(jì)、高度計(jì)、SARs、干涉儀等）的退化信息。這使得準(zhǔn)確地量化RFI對(duì)特定主動(dòng)傳感器的影響、如何減輕RFI以及如何共享頻譜變得困難。

三、 保護(hù)和有效使用主動(dòng)遙感所需頻譜的建議

1）科學(xué)界的行動(dòng)

科學(xué)界以及相關(guān)的業(yè)務(wù)部門必須積極參與頻譜分配和部署過(guò)程，確保滿足科學(xué)界對(duì)頻譜資源的需求?？茖W(xué)界也應(yīng)提供更多信息，使監(jiān)管部門更好地意識(shí)到主動(dòng)遙感的價(jià)值。這種價(jià)值包括減少自然現(xiàn)象對(duì)社會(huì)產(chǎn)生不利影響的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以及來(lái)自科學(xué)研究的非經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2）政府層面的行為

政府相關(guān)部門應(yīng)積極支持主動(dòng)遙感的發(fā)展，監(jiān)督頻譜分配。例如，NASA應(yīng)提高影響主動(dòng)遙感的RFI環(huán)境的表征，其他機(jī)構(gòu)（如NOAA、NSF等）也應(yīng)積極參與其中。另外，應(yīng)增加對(duì)科學(xué)界主動(dòng)遙感的頻譜分配。

3）通信業(yè)可以采取的行動(dòng)

短波中小型基站通信中毫米波頻率的使用,將大大增加網(wǎng)絡(luò)容量(達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí))，從而減少對(duì)頻譜和主動(dòng)遙感用戶的壓力。無(wú)線產(chǎn)業(yè)應(yīng)考慮利用微型基站方法，通過(guò)發(fā)展發(fā)射塔和網(wǎng)絡(luò)，增加毫米波頻率在6G通信和通信標(biāo)準(zhǔn)中的使用。

4）尋找頻譜共享的機(jī)會(huì)

多功能相控陣?yán)走_(dá)為頻譜共享提供了可能。比如，NOAA的多功能相控陣?yán)走_(dá)項(xiàng)目（MPAR），旨在使用單個(gè)相控陣天氣雷達(dá)，同時(shí)執(zhí)行飛行器跟蹤、風(fēng)廓線和天氣監(jiān)測(cè)等多種任務(wù)。FAA（美國(guó)聯(lián)邦航空局）和NOAA也正在合作發(fā)展能執(zhí)行這兩個(gè)機(jī)構(gòu)不同任務(wù)的單個(gè)的S波段多功能雷達(dá)。此外，建議開展頻率再利用技術(shù)的調(diào)查，以減少對(duì)整個(gè)S波段的頻譜需求。

（作者單位：中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院）