太空安全研究揭示无线电频谱资源有限

卫星在轨运行，要想向地面发送信息，必须依靠携带的电台，以某一定频段上的频率向地面设备发出无线电信号，地面控制系统也需要通过无线电向卫星发出指令。但是，随着卫星发射升空越来越多，卫星频谱的资源也越来越有限，成为限制卫星发展的瓶颈，成为太空安全的直接或间接的威胁——卫星频率之间相互干扰，影响卫星功能的正常发挥。

一、无线电简介

电磁波谱指的是物体所发射或吸收的电磁辐射(又称电磁波)的特征频率分布，也就是通常所说的电磁波频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光和射线的集合。每个物质的频率段是不同的。根据这些物质传播的频率分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线和宇宙射线。电磁波波谱波长有长到数千千米，也有短到只有原子的一小段。短波长的极限被认为，几乎等于普朗克长度，长波长的极限被认为，等于整个宇宙的大小。原则上，电磁波波谱是无限的，而且连续的。无线电波谱只是整个波谱的一部分，是一种自然资源。见电磁波谱范围分类表(表2-1)。

表2-1 电磁波谱范围分类

资料来源:维基百科“电磁波普”条目。说明:1000皮米(pm) =1纳米(nm);1000纳米(nm) =1微米(μm);1000微米(μm) =1毫米(mm)。

电磁波在真空中传播的速度等于光速，在空气中的传播速度近似光速。电磁波的频率等于振荡电流的频率，即每秒钟内电流振荡的次数，常用f表示。频率的单位是赫兹(Hz)，简称赫，常用单位还有千赫(k Hz)和兆赫(MHz)、吉赫兹(GHz)，还有THz、PHz、EHz。1千赫兹(KHz) =1000赫兹(Hz)，1兆赫兹=1000千赫兹(KHz)，1吉赫兹(GHz) =1000兆赫兹(MHz)，依此类推。电磁波的波长就是电流每振荡一次电磁波向前传播的距离，用λ表示，它的单位是米(m)。电磁波的传播速度(波速)，就是指1秒钟内电磁波传播的距离，波速的符号是v，单位是米每秒(m/s)。波长与频率成反比，波长越长，频率越低;反之，频率越高，波长越短，其乘积是一个常数即光速。另外电磁波的能量与频率成正比，系数为普朗克常数。即频率越高，波长越短，能量越大。

按照波长长短，从长波开始，电磁波可以分类为电能、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。人类眼睛可以观测到波长大约在400纳米和700纳米之间的电磁辐射，称为可见光。

国际电联将3000GHz以下的电磁频谱称之为无线电电磁波频谱，含无线电电波和微波。各频段见“频(波)段划分表”(表2-2、表2-3)。此外，在微波频段还流行着一种基于波长划分频段的方法。最初，这种划分是基于军用雷达保密的需要而制定，只谈及雷达的工作频段，不是指其具体的工作频率。其后又将微波元器件的工作频率范围与这种划分进行了某种形式的挂钩①。因为各个频率有着各自的特点，有着各自的无线电业务，也就是说，每个波段只能用于特定的“作业”，见“各频(波)段无线电波的主要用途表”(表2-4)。

表2-2 频(波)段划分表

① 杨凡:“电磁波的频谱(一)——概述”，中国电子标签网，http://www.chinarfid. com.cn/JSZL/20061821266080.htm。

表2-3 微波频段的名称对照

表2-4 各波段无线电波的主要用途

就无线电频谱的特性而言，它具有如下特征:

首先，无线电频谱资源是有限的，具有很强的技术依赖性。包括红外线、可见光、伽马射线在内的电磁波的频谱是相当宽的，而无线电通信使用的频谱资源，最低可为3KHz，最高达3000GHz。更高的电磁频谱当然不限于这一频率。以目前的技术我们还无法利用超过400GHz的频率。随着人类技术的发展，人类是可以扩大对频率的利用的。

其次，无线电频率的非消耗性。它不同于水、土地、矿产等资源，既非再生资源，也非不可再生资源，但是可以被利用但不会消耗掉，因为当某种无线电业务停止使用时，它所占用的无线电频谱同时被释放出来，可以再提供其他无线电业务使用，所以无线电频谱是一种非消耗性的资源。因此，无线电频谱如果得不到充分利用而大量闲置，是一种资源浪费;同时，无线电频谱若使用不当会造成无线电业务之间的严重干扰，会给无线电应用带来极大危害，这是一种更大的资源浪费[1]。

再次，无线电频率传播不受空间限制，但要受到控制。无线电波有其固有的传播特性，它不受行政区域、国家边界的限制。正是这一特征，决定了任何一个国家、一个地区、一个部门甚至个人都不得随意地使用，否则会造成相互干扰而不能确保正常通信。为了充分、有效、合理地使用频谱资源，防止国际间相邻或相同频谱干扰，国际电联通过区域性的短波频率协调将相互间的干扰降到最低限度。一个国家也需要对其管辖的地域进行无线电频率的管理。从这个意义上讲，无线电频谱的使用受到地域的限制。

最后，无线电频谱资源容易受污染。无线电频谱容易受到人为噪声与自然噪音的干扰，一旦受到干扰，使得信号传输失真或者根本无法传送信息。比如，就自然干扰而言，存在雨衰、电离层闪烁等的干扰。雨衰，是指当电波在传输过程中穿过降雨区域时，雨滴会对电波产生吸收和散射造成衰减。电离层闪烁，是指当电波穿越电离层时，由于电离层结构的不均匀性和随机时变性，造成信号的振幅、相位、到达角等特性短周期变化，形成电离层闪烁。电离层闪烁与工作频率、地理位置和太阳活动情况有关。为保证用户的通信质量，需要根据无线电各频率的工作特点，确保其覆盖其所要服务的地区，要对频率进行科学的指配，防止频率相互干扰，使频率得到最大限度的利用。

二、国际电联对卫星频率使用的规定

因为电磁波是在全球传播的，跨越了国界，如果没有一个国际组织负责协调，往往会导致频率之间相互干扰，因此国际电信联盟应运而生。为了顺利实现国际电报通信，1865年5月17日，法、德、俄、意、奥等20个国家的代表在巴黎签订了《国际电报公约》，因此国际电报联盟(International Telegraph Union，ITU)也宣告成立。随着电话与无线电的应用与发展，ITU的职权不断扩大。1906年，德、英、法、美、日等27个国家的代表在柏林签订了《国际无线电报公约》。1932年，70多个国家的代表在西班牙马德里召开会议，将《国际电报公约》与《国际无线电报公约》合并，制定《国际电信公约》，并决定自1934年1 月1 日起正式改称为“国际电信联盟”(International Telecommunication Union，ITU)。经联合国同意，1947年10月15日国际电信联盟成为联合国的一个专门机构，其总部由瑞士伯尔尼迁至日内瓦。

国际电联的使命是使电信和信息网络得以增长和持续发展，并促进普遍接入，以便世界各国人民都能参与全球信息经济和社会并从中受益。自由沟通的能力是建设更加公平、繁荣与和平的世界的必不可少的前提。为使该愿景成为现实，国际电联帮助调动所必要的技术、财务和人力资源。

为完成这个使命，除了设有总秘书处(General Secretariat)外，国际电信联盟设有三个主要部门:电信标准局(Telecommunication Standardization Sector，ITU-T)、电信发展局( Telecommunication Development Sector，ITU-D) 和无线电通讯局(Radiocommunication Bureau，ITU-R)。电信标准局，就是致力于电信的标准化工作，简化工作方法，采用更为灵活的协作方式，满足日趋复杂的市场需求。来自世界各地的行业、公共部门和研发实体的专家定期会面，共同制定错综复杂的技术规范，以确保各类通信系统无缝的相互操作。电信发展局帮助普及以公平、可持续和支付得起的方式获取信息通信技术，将此作为促进和加深社会和经济发展的手段。国际电信联盟的无线电通讯局是该组织的核心部门。国际电联《组织法》规定，国际电联有责任对频谱和频率指配，以及卫星轨道位置和其他参数进行分配和登记，“以避免不同国家间的无线电电台出现有害干扰”。因此，频率通知、协调和登记的规则程序是国际频谱管理体系的依据。ITU-R的主要任务包括制定无线电通信系统标准，确保有效使用无线电，并开展有关无线电通讯系统的发展。

国际电联既吸收各国政府作为成员国加入，也吸收运营商、设备制造商、融资机构、研发机构和国际及区域电信组织等私营机构作为部门成员加盟。无论是通过制定用于创建基础设施以便在全球范围内提供电信服务的标准，还是通过对无线电频谱和卫星轨道进行公平管理以便将无线业务推广到世界每个角落，国际电联开展的所有工作均围绕着一个目标，即，让所有人均能够以可承受的价格方便地获取信息和通信服务，从而为全人类的经济和社会发展做出重大贡献。

国际电信联盟的核心工作之一就是对频谱和频率的管理与指配。根据科学的不断发展，ITU的无线电频率的划分不断改变。在历史上，关于频谱分配的会议已有多次，如:1906年柏林、1912年伦敦、1927年华盛顿、1932年马德里、1938年开罗、1947年大西洋城和1959年日内瓦会议等等。1977年国际电信联盟对世界频率进行了划分，分为3个频率区:(1)第一区包括非洲、欧洲、俄罗斯的亚洲区和过蒙古、伊朗边界以西的国家;(2)第二区包括南北美洲;(3)第三区包括亚洲的大部分和大洋洲(见图2-2国际电信联盟频率分区)。中国在第三区。

图2-2 国际电信联盟频率分区(www.xing528.com)

由于太空活动的开展，卫星通信系统成功建立了起来。随着人们对射电天文兴趣的增加，用于无线电导航和定位的雷达需要更多的频谱，船载电传和传真系统的需要达到了顶点，在1959年和1963年日内瓦无线电大会将划分表扩展到40GHz。1971年日内瓦空间业务无线电大会将频谱划分表扩展到275GHz，增加了大量新的卫星业务，无线电业务已达41种。1974年日内瓦水上移动业务无线电大会对划分表也作了修改。1977年日内瓦广播卫星大会对有关业务频段作了修改。1978年日内瓦航空业务大会对航空业务频段作了修改。1979年世界无线电行政大会，对划分表作了全面修改，将频段扩展到300GHz[2]。1982年新的国际频谱划分表出版。此后，多次专题会议和世界无线电通信大会都对频谱划分做修改，最近两次的世界通信大会分别在2003年和2007年召开的。2012年，在日内瓦召开新一届大会。每次专题大会和世界无线电通信大会做出修改，不是对上述分区的修改，而是对频率用途的修改和调整。

1979年世界无线电通信大会对卫星频谱做了规定，在原规则基础上编写了卫星通信业务——卫星广播电视业务、卫星固定业务和卫星移动业务——可使用的无线电频率，并以表格形式给出。卫星广播电视业务，是指利用太空电台发送或转发信号，以供一般公众直接接收的无线电通信业务。卫星固定业务，是指利用一个或多个卫星在处于给定位置的地球站之间的无线电通信业务; 该给定位置可以是一个指定的固定地点或指定区域内的任何一个固定地点。在某些情况下，这种业务包括也可运用于卫星间业务的卫星至卫星链路;卫星固定业务也可包括其空间无线电通信业务的馈线链路。卫星移动业务是指在移动地球站和一个或多个空间电台之间的无线电通信业务，或在这种业务所利用各空间电台之间的无线电通信业务; 或利用一个或多个空间电台在移动地球站之间的无线电通信业务。该业务也可以包括其运营所必需的馈线链路[3]。

根据《无线电规则》第二章第5条“频率划分”:太空业务频率划分，低端涉及2501KHz的空间研究业务，高端涉及275GHz的卫星固定(地对空)业务。ITU确定的卫星频谱段主要在于C、L、S、Ku、Ka等段，也就是在微波波段。例如，国际电信联盟确定的卫星电视广播频率在三个频率区作为分配表(见表2-5)。低于2.5GHz的L频段(1GHz～2GHz)和S频段(2GHz～4GHz)大部分用于静止卫星的指令传输及特殊卫星业务如卫星导航等;大多数卫星固定业务使用C频段(4GHz～8GHz)和Ku频段(12GHz～18GHz);Ka频段(18GHz～40GHz)作为星际链路频率已开始应用。

表2-5 卫星广播电视业务频率范围表

资料来源:“卫星频段分配与频道划分”，http://imefan.com/tvro/tvro_247.html。

三、卫星频谱资源的有限性

如同前述，无线电频谱资源是有限的，只占人类所认识的频率中的极少部分，3000GHz以下为无线电频率，但是目前人类所利用的频率的最高上限为400GHz，实际上还没有技术能够利用这个频率，也就是说人类所利用的频率只占无线电频率的10%左右。尽管使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和编码四种方式进行频率的复用，但就某一频段和频率来讲，在一定区域、一定时间和一定条件下使用频率是有限的。每一无线电波都有其自己的频率，因此，根据一定标准划分的通信信道在自然界也是唯一的。这种频段单一存在的特性就体现为全球三个频率区中的每一个用频区中存在的单一性[4]。

如同前述，国际电信联盟确立的卫星业务所使用的频段主要是微波，也就是集中在L段、S段、C段、Ku段、Ka段、Q段和E段等上。而目前，主要集中于前4段利用上，对Ka段也只进行了部分使用，也就是Q段和E段利用尚待进一步探索和开发。这样卫星频谱资源的利用又进一步受到限制。

虽然，国际电信联盟确定了上述频段为卫星业务频谱，但是并不是所有的频率都可以用来作为卫星频谱资源，因为频率没有间隔就会出现干扰。为避免这种情况，在各自频段内的各个带宽中划分出一个保护带。例如，在使用卫星电视业务上，为了充分利用各频段内的无线电频率，而又防止相互间干扰，通常将频段内的频带分为若干个频道，对每个频道划分也作出了规定。下面表2-6、表2-7是国际电信联盟对C波段和Ku波段分别在全世界和第二、三区进行的频道划分[5]。

表2-6 C波段频道划分表

表2-7 第二、三区Ku波段频道划分表

各相邻频道间需留有一定的间隔，间隔越小，可用频道数目就可增多，广播卫星所占用的轨道位置数也可减少，卫星轨道位置间的间隔就可加大，这样同频道干扰就可以减小。但是，邻频干扰却会增大。所以相邻频道的间隔必须合适。一般规定为18—20MHz，每个频道的频带为27MHz。另外，为了保护相邻频段的卫星通信业务不受干扰，必须留有一定的保护带，上沿保护带11MHz左右，下沿则为14MHz左右。以Ku波段在二、三区为例来说明这个问题。根据国际电信联盟的规定，Ku频段在第二、三区频率范围为11.7—12.2GHz，总带宽为500MHz，每个电视频道传输所要求的带宽为27MHz。下沿保护带为13.98MHz，上沿保护带为17.88MHz，然后24个频道均匀地分配剩余频带，频道间隔为19.18MHz[6]。每个保护带和频率间隔所占用的频率，使得每个频段上的可用频率进一步减少。

因为目前技术的限制，导致某一频段过度使用，更加导致这一频段资源的短缺，甚至极度稀缺。我们以C频段和Ku频段为例来说明这个问题。根据全球轨道网站的介绍，C频段和Ku频段的卫星密度很大，这两个频段的卫星，在西半球的地球同步轨道卫星共有235颗(东半球有125颗、西半球有110颗)[7];C波段上的在轨通信卫星114颗、Ku频段146颗[8]。以上仅仅是罗列了有限的卫星类型或地球同步轨道上的卫星数量。实际上，这两个频段上的卫星数量最多。如此高密度集中本身说明了资源的有限与稀缺。

如果说上述频谱资源因为用于民事(如气象、灾害评估)和经济方面出现稀缺，也许并不是坏事，因为这样的卫星对全世界公民的福祉有着促进作用。但是完全出于军事目的而挤占关乎经济和民事的卫星频谱资源，则更加导致了卫星频谱资源的紧张。目前，出于军事目的对无线电频率的需求也在急剧增加。为保持对敏感地区的监视以及为应付可能的紧急事态、战争，以美国为首的西方国家大力发展军事卫星，以便对军事力量进行快速的投送、快速打击，不惜全力抢占宝贵的频谱资源。根据格兰斯(Peter Galance)的观点，“伊拉克战争和阿富汗战争正在吞噬大量卫星带宽，以支持联合军事行动。2002—2007年，军方使用所产生的收入占所有卫星服务收入的46%”[9]。其他国家为反制美国此种太空军事化、武器化的能力也大力发展军事卫星，尤其是俄罗斯全面重振军事卫星计划，也在大力占用卫星频率资源。这意味着，民事和商业使用的无线电频率更加有限，加重了频谱资源的稀缺。

[1] 参见国家无线电管理局科普知识。见国家工业与信息产业部网站。

[2] 苗颖:《无线电频谱资源用益物权法律问题研究》，北京邮电大学硕士学位论文2009年，第11页。

[3] 裴斗生、陈道明:“卫星通信业务用无线电频率”，《微波与卫星通信》1999年第3期。

[4] 苗颖:《无线电频谱资源用益物权法律问题研究》，北京邮电大学硕士学位论文2009年，第9页;希玉久:“频谱定义及频谱资源的特性”，《电子世界》2000年第4期。

[5] 两个图表的来源见李瑞成:“卫星电视的频段与频道”，《电视技术》1996年第1期。也可以参见“卫星频段分配与频道划分”，2008年2月16日。http://www.imefan.com/tvro/tvro_247.html。

[6] 李瑞成:“卫星电视的频段与频道”，《电视技术》1996年第1期。也可以参见“卫星频段分配与频道划分”，2008年2月16日。http://www.imefan.com/tvro/tvro_247.html。

[7] 参见Global C/Ku Satellite Listings With Footprints. http://www.geo-orbit.org/default. html#anchor11129;http://www.geo-orbit.org/easthemipgs/easthemp.html#anchor215454.该网址详细介绍了每颗卫星的各种数据，包括发射时间、设计、转发器、带宽、轨道位置和倾角。

[8] 程建军:“关于卫星频率轨道资源管理的思考”，第4—5页，《第六届卫星通信新业务新技术学术年会》(2010年3月)提交的论文。

[9] Ram Jakhu，“Legal Issues of Satellite Telecommunications，The Geostationary Orbit， and Space Debris，”Astropolitics，Vol.5，No.2，2007，p.179.