【战略前沿】关于增加主动遥感无线电光谱需求战略

摘　　要

　　委员会就主动遥感使用无线电光谱方面开展了一项调查，其任务是：（1）记录主动遥感的重要性，尤其在服务于社会需求方面；（2）记录当前和未来对有效使用主动遥感所需电磁光谱的威胁；（3）为保护并有效使用主动遥感所需的光谱提供具体建议。

　　主动遥感的定义是，使用发射器和至少一台接收器来测量（或感知）媒介在无线电光谱方面的透射或散射特性。这些测量方法通过信号穿过媒介时是透射或散射来判断媒介的物理状态。我们感兴趣的媒介包括地球的大气（包括电离层）、海洋和地表，还包括地外物体。

　　本报告集中讨论的主动遥感无线电光谱，从0赫兹到300千兆赫的这部分电磁光谱。在该范围内的测量有直接的社会效益。主动遥感的测量方法要么是传输测量，通常这种情况下发射方和接收方的天线互相指向对方；或者是散射测量，这时传输信号被媒介反射并被一个与发射器协同定位的天线捕获到（后向散射模式），或被一个非协同定位的接收器接收（双基模式）。主动遥感由地面、机载或星载平台组成，或天空地一体化组合而成。

　　先进而价格实惠的电子技术和移动无线技术激发了对光谱需求的迅猛增长。无线技术的激增也意味着对主动遥感系统带来了越来越多的影响，尤其是L-波段和C-波段。

　　监管机构采用重新分配、光谱共享以及提高光谱效率来满足对光谱的强烈需求。

　　无线通信系统已经展示了分享光谱的能力。尽管目前尚未实现，它很有可能使地球主动遥感系统在现有通讯波段运营。虽然存在一定的局限性，它仍然可以为科学家提供改进的观测并由此推进我们对地球的了解。

　　为了表示无线电波段内部或相邻波段的子波段，本报告使用字母代号来表示相应的波段：HF波段（3-30 MHz）；VHF波段（30-300 MHz）；UHF波段（300 MHz-1 GHz）L-波段（1-2 GHz）；S-波段（2-4 GHz）；C-波段（4-8 GHz）；X-波段（8-12 GHz）；Ku-波段（12-18 GHz）；K-波段（18-27 GHz）；Ka-波段（27-40 GHz）；V-波段（40-75 GHz）；W-波段（75- 110 GHz）以及毫米波波段（110-300 GHz）[1]。

主动遥感的重要性

　　主动遥感技术是用于研究和预测地球环境－大气、海洋、地表－以及近地环境短期和长期变化的主要工具。所有这些观测对了解陆地气象、气候变化、固体地球过程、空间气象灾害、太空碎片的数量与跟踪以及小行星威胁必不可少。主动遥感测量对社会也大有益处，正如我们追求技术文明发展，力争经济可行，而且保持我们的生活质量。

　　不同类型的主动遥感测量对科学及社会重要性的具体案例包括：

？    大气主动遥感可拯救生命并保护财产免受剧烈风暴影响，也为科学家提供对上层大气风和全球循环更深的了解。

？    主动微波传感器提供关于洋流、海浪、风速与风向的测量，与被动微波与可见光及红外（IR）测量方法形成互补。应用于包括全球天气预测、风暴和飓风预警、海浪预报、沿海风暴潮、船舶气象导航、商业捕鱼以及沿海水流和海浪监测。这些应用对美国的利益至关重要。

？    星载、机载和水面操作的雷达主动遥感测量，包括真实孔径雷达、合成孔径雷达（SARs）和散射计，为我们了解全球变化和环境管理、气象预报等提供非常重要的土地利用及冰方面的基础数据，所有这些在科学、商业、国防领域诸如城市规划、农业、林业、水资源管理、地形、海冰制图、地震及火山研究、灾后评估以及空间智能等方面都得到广泛的应用。

？    电离层主动遥感对了解近空区域的基本物理现象很重要，而且对预测空间天气事件对我们这个依赖电力的社会的影响也很重要。

？    通过行星雷达天文学，主动遥感持续为我们了解太阳系、规划到达地外物体的空间任务，尤其是追踪并描述对社会可能造成威胁的近地小行星等做出重要贡献。

　　然而，这些益处多数并不容易完全内化到市场体系中，所以主动遥感的价值很难与商业遥感系统比较。比如，得益于先进的天气预测可能很难内化，以至私人企业不会大量投资于预测系统。同样，这类基础研究发展知识，这是一种公共利益，又很难完全内化于市场体系。此外，科学发现可导致许多不同类型的社会效益。

当前和未来有效使用主动遥感所需光谱面临的威胁

　　在所有情况下，主动遥感使用的频率取决于正在研究的物理现象。频率经过精心挑选以能最好的揭示物理机制，在大多数情况下，数量可观的开销已用于精选这些频率的设备和技术上。针对每种类型的测量，很难将操作运行应用至其他频段。因此，考虑到持续进行的主动遥感测量对保护未来社会的必要性，必须确保这些测量有效获得其所需要的光谱。

　　影响主动式传感器的主要有两种光谱。和被动式传感器一样，主动式传感器可以受到来自其他无线电设备的射频干扰（RFI）。相反，与被动式传感器不同的是，主动式传感器也传输信号，因此它服从于操作限制并确保不会干扰其他服务。随着对光谱使用的需求激增，关于成功运行当前以及计划使用的主动式科学传感器，这两类光谱问题正引起关注。

　　当前及未来潜在干扰的具体案例包括：

？    在某些情况下，强加于主动科学传感器上的传输限制阻碍其收集所需科学数据的能力（如加在欧空局（EAS）的BIOMASS任务上的运行限制一样），使科学数据退化（搭载在航空平台上GeoSAR传感器所需的深频谱波形缺口就是一个例子），或者大幅上涨的成本（就如美国宇航局（NASA）土壤与湿度主被动遥感任务）。在某些波段，保守的干扰标准会给科学操作带来困难。随着时间推移，加于低频UHF波段和L-波段的限制条件将会越来越多。（调查结果8.2）

？    在某些波段，已观测到越来越糟糕的RFI环境。在大量使用并经过充分研究的频率在1215-1300兆赫的L-波段，观测到的RFI数量随着时间推移也在大量增加。这一趋势已被日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）自1992-2011年运行的一系列SAR观测到。ESA也报告了他们在C-波段发现的RFI增加情况。（调查结果8.4）

？    由于地球勘测卫星主动服务频谱分配计划扩张其商业服务，已建立的、高价值的C-波段科学雷达测量近期面临威胁。拟议的5350-5470兆赫无线本地访问网络（RLAN）服务，将严重限制ESA哨兵1号星座（哥白尼计划）以及加拿大雷达卫星2号和雷达卫星星座计划（RCM）星座科学平台的性能。RLAN发射器本身宽波段、类似噪音信号的属性很难或不可能减轻。（调查结果8.7）

？    给地球勘测卫星主动服务分配了多重波段，当中仅有部分波段被使用，或这一波段根本就没有使用。随着为提供更多新服务而持续带来的压力，未来在这些波段内建立新科学会更困难（调查结果8.10）。

？    海洋传感雷达系统，与全球通讯和雷达设施共同运行了近40年。最近，有多起关于通讯和导航系统C-波段以及低频波段主动式传感器的RFI事件发生。迄今为止，在世界大部分地区，导致传感器性能退化或数据损失的影响已通过激进的RFI减除技术得到控制（第3章“调查结果与建议”）。

？    截止目前，RFI尚未对行星雷达天文学观测形成重大阻碍。然而，由于对近地小行星高分辨率图像需求的增多，带宽需求也会增加，未来，RFI可能会成为一个重大问题。为便利获得近地小行星高空间分辨率影像，频率分配的带宽需要在60—120兆赫之间。NASA喷气推进实验室（JPL）Goldstone雷达目前有200兆赫的任务被集中在8.600千兆赫（调查结果6.2）。

　　然而，应当注意的是，主动式科学传感器定期报告来自其他非科学源的干扰，而科学传感器似乎很少干扰其他服务。唯一有文件记录而引起委员会关注的情况是一个主动式科学传感器实际干扰了NSAS云探测卫星任务雷达的一项其他操作服务，这将妨碍射电天文学测量（另一项科学服务）。

　　造成这种来自主动遥感用户方干扰缺乏的原因之一是，通讯系统在窄脉冲波形和低占空比的情况下，能够抗拒来自雷达系统的干扰，这种情况是科学与运行雷达的典型特性。

　　当前的RFI减除技术工作最适合稀疏谱或短暂占用的干扰信号，比如，一种接近于连续波或有短而疏散分布脉冲的信号。这种类似宽频白噪声的信号源越多或聚集的越多，利用现有技术减少干扰就越困难。因此，主动遥感能否比其他测量方式更有效地共享服务，取决于干扰信号的属性。到目前为止，当前的RFI减除技术在科学层面上，可在UHF、L-和C-波段极大减少干扰产生的影响，而且，少数关于RFI的问题，通常来说，已经在频率高于C-波段的范围内实验过了。

　　还应该指出的是，描述主动遥感设备关于RFI影响属性的一处困难是对当前全球范围内发射器的相关信息不全面，同时，RFI环境的属性也会随着时间推移而进化。目前缺乏适合各种类型主动遥感（比如散射仪、测高计、合成孔径雷达、干涉仪以及发声器）科学测量退化的良好定量指标。这就很难对一个给定的主动传感器可能会受到RFI、RFI可能缓解的方式以及可能共享的范围等进行准确量化。

保护并有效使用主动遥感所需光谱的建议

　　保护并有效使用主动遥感所需光谱的建议可分为以下几类：（1）科学界的行动；（2）联邦机构的行动；（3）电信行业可能的行动；（4）光谱共享机遇；以及（5）为科学用途主动遥感增加光谱配置的建议。

科学界的行动

　　优点并不能确保科学界获得所需的光谱。科学利益必须积极参与到光谱分配和部署过程中，以确保满足科学需求（调查结果7.2）。这将需要持续不断的努力，以确保监管过程中主动遥感在各利益相关团体间达到平衡，并确保获取更多关于主动遥感价值的信息：

？    科学界应增加其参与国际电信联盟（ITU）、国家电信和信息管理局（NTIA）以及美国联邦通信委员会（FCC）光谱管理过程。这包括密切监测所有光谱管理问题关注的领域提供早期预警。还需要定期依照管理程序和会议向决策者们备案。这将为科学界建立信誉并确保在与光谱相关的决策方面占有一席之地并对科学界产生影响。（建议7.1）

？    为使光谱管理过程有效，科学界、NASA、国家海洋与大气管理局（NOAA）、国家科学基金会（NSF）以及美国国防部（DOD）也应明确表达对基于科学用途的射频光谱的价值。这些价值既包括经济价值，通过促进商业或减少自然灾害带来的不利经济影响，也包括来自科学研究的非经济价值。（建议7.2）

？    下一次太阳系空间物理及地球科学10年调查应当提出科学社区未来对光谱的需求。（建议7.4）

联邦机构的行动

　　那些负责支持科学利用主动遥感以及监管光谱分配的联邦机构的行动包括：

　　NASA应当领导开展一项工作，以显著提升对影响主动遥感测量的RFI环境的特性描述。这项工作还应包括参与主动遥感的其他机构，包括NOAA、NSF、也许还有DOD，也包括监管这些行动的机构－FCC和NTIA－并且包括以下几方面的应用：（1）建模；（2）专用的地基与空基遥感特性描述活动；（3）当前科学传感器条件下的数据挖掘。在某种程度上，这项工作应当与全球其他空间与科学机构协同开展。（建议8.1）

？    NASA应当领导社区努力构建一套量化指标，针对曾经遇到过的各类RFI环境，以及主动遥感所用仪器的每个主体层面在科学性能方面受损的量化指标。（建议8.2）

？    NASA和NSF应开展一项空间物理研究社区调研，以确定未来的光谱需求。（建议5.3）

？    NOAA应对近期举办的2012世界无线通讯大会（WRC）中有关地基高频雷达的结论进行充分评估，确保能够满足拟议的扩建美国高频超视距雷达观测系统的需求。（建议3.1）

？    海岸海洋动力学应用雷达（CODAR）将受益于分配带宽高于25千赫，频率在4.438-4.488兆赫附近。FCC应当为CODAR恢复一项实验许可流程，允许其用于未来工程研究进展以及探索前沿科学。（调查结果3.2以及建议3.2）

？    雷达系统满足具体的标准脉冲重复，最大脉冲宽度，而且，忙闲度应由FCC或NTIA允许其作为二级用户操作，这种情况有可能把对通讯操作的干扰降到最低。（建议9.3）

？    科学与技术政策办公室应当裁定在ESA BIOMASS计划和DOD空间对象跟踪雷达（SOTR）系统之间共享时间和频率的可能性。（建议4.1）

？    考虑到立方体卫星计划对发展航天领域劳动力人才教育方面的重要性，以及小卫星技术的发展，NSF、NASA、FCC以及NTIA应当承担协调和协同工作，消除在光谱分配过程中的困难，而光谱分配过程正是当前立方体卫星教育意义成功体现的障碍。（建议7.3）

电信行业可能的行动

　　为了电信行业自身利益以及主动遥感用户方的利益，电信行业应当考虑采取一些行动：

？    用于短波小型蜂窝基站[2]通讯的毫米波频率可以使网络容量显著扩容到一个数量级，从而减少光谱需求的压力并因此也减少主动遥感用户方的压力。（调查结果9.3）

？    无线通讯产业应考虑通过开发发射塔、网络的方法努力追求实现小型蜂窝基站，增加用于6G通讯以及高于通讯标准的毫米波频率的使用量。（建议9.2）

光谱共享机遇

　　科学界可以采取行动，促进光谱共享：

？    从高效利用光谱的角度出发，主动式传感器社区将受益于整合的L-、C-波段，而且，NOAA和FAA的S-波段雷达资产成为一个单一的多功能S-波段雷达，也就是被提议的多功能相控阵雷达项目。（调查结果9.1）

？    委员会建议开展空间频率重用技术调查（比如，7对1空间频率节余），来减少S-波段的总需求。应维持现有的L-波段光谱数量，供地球成像雷达使用。（建议9.1）

为科学用途主动遥感增加光谱配置的建议

　　一些温和的增加科学主动遥感光谱分配方式将大有益处：

？    FCC和NTIA应当支持海洋科学遥感观测提取最佳海洋相关信息所需的频段。（建议3.3）

？    海岸海洋动力学应用雷达（CODAR）将受益于分配带宽高于25千赫，频率在4.438-4.488兆赫附近。FCC应当为CODAR恢复一项实验许可流程，允许其用于未来工程研究进展以及探索前沿科学。（调查结果3.2以及建议3.2）

？     如果天文学界认为值得，如果NSF认为合适，NSF应当为所提议的绿色银行以及升级的Arecibo（望远镜）雷达系统寻求相关波段的分配方案，以帮助获取近地小行星的高空间分辨率影像。（建议6.1）