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本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2017年第9期。

作者：钟声洪，朱云怡，李国松（国家新闻出版广电总局广播电视规划院）

【摘 要】

直播卫星备份星中星9A已经成功定点于东经101.4度，将与中星9号卫星形成异轨热备份。本文介绍了中星9A的频率、轨位和业务覆盖情况，研究了中星9A卫星使用的卫星网络的频率轨位协调，并介绍分析了完成协调的技术手段。

【关键词】

直播卫星，热备份，频率配置，轨位选择，南海覆盖，卫星网络协调

0 引言

广播电视直播卫星中星9号于2008年成功发射，定点于东经92.2度，已经在轨运行快10年之久。近年来我国卫星直播业务快速发展，截止到2017年6月，全国广播电视直播卫星用户已经突破1.2 亿户，成为全球最大卫星直播系统。为确保直播卫星公共服务事业持续健康发展，解决中星9号卫星“单星”运行存在的安全风险和隐患，广播电视直播卫星备份星中星9A于2017年6月发射，定点于东经101.4度，与中星9号卫星形成异轨热备份。

卫星轨道位置和频率资源属于不可再生资源，且是卫星正常发射使用的前提和基础。根据国际规则，合法使用卫星轨道位置和频率资源需要在国际电联（ITU）申报和登记。开展卫星轨位和频率资源申报、协调与登记是一项长期、复杂而又必不可少的重要工作。广播电视规划院受国家新闻出版广电总局委托，根据广播影视科技发展规划和直播卫星备份星应用需求，依据《无线电规则》，设计编制了卫星网络资料、开展了频率轨位协调、履行了国际电联卫星频率轨位登记程序，为中星9A卫星发射和频率轨位应用奠定了基础。

1 中星9A频率配置和业务覆盖情况

1.1 频率配置

中星9号卫星由法国阿尔卡特宇航公司生产， 采用SB4100平台，搭载18 个36MHz Ku卫星广播电视业务（BSS）规划频段转发器；中星9A卫星为我国国产广播电视直播卫星，采用东四平台，搭载24 个36 MHz Ku BSS 规划频段转发器。中星9A卫星转发器下行频率配置如表1所示。

中星9A卫星的18个36MHz转发器的带宽、中心频率、极化等与中星9号卫星的36MHz转发器设置相同。

1.2 业务覆盖情况

中星9A和中星9号卫星下行波束均为中国国土赋形波束，基于两颗卫星采用的卫星网络资料，两颗卫星下行波束业务区如图1和图2所示。

一直以来，南海海域和岛礁上的政府、军队、人民群众正常收看广播电视节目都是大难题。随着我国设立三沙市和我国南海区域的开发，满足居住和海上作业的中国公民收听收看广播电视节目的需要越来越迫切，中星9A为此专门设计了南海波束。今后直播卫星业务将能覆盖我国南海海域，满足提供优质广播电视节目的需求，确保中国主权地区的广播电视覆盖。

由于南海区域降雨、水雾和云层等因素会造成信号衰减较大，中星9A下行波束EIRP能量在我国船舰活动的主要范围内加权，实现南海区域北纬10度以北大部分地区EIRP能达到54dB。

2 中星9A轨道位置选择研究

2.1 卫星备份方式

中星9号卫星定点于东经92.2度，中星9A卫星作为中星9号的备份星，轨位的选择主要由卫星备份方式决定。卫星是一种故障高风险的系统，一旦出现故障几乎无法修复。为保证用户能可靠接收卫星信号，卫星备份是各国通行方法。一颗卫星可能在发射中失效，也可能在运行的过程中失效，备份方式相应包括地面冷备份和在轨热备份。其中在轨热备份又分为同轨热备份和异轨热备份，如何选择需要充分考虑整个直播卫星系统的可靠性、经济性和频率轨位资源使用有效性。中星9A卫星采用的是定点于东经101.4度的异轨热备份方式，且一旦中星9号卫星出现故障，优先考虑中星9A卫星漂移到东经92.2度。

1. 可靠性

主备卫星采用同轨热备份的方式具有鲜明的备份优点，即一旦主用卫星发生故障，地面用户不用调整天线，备份卫星可以马上接替工作，广播电视信号中断时间最短，整个直播卫星系统的可靠性最强。主备卫星采用异轨备份，一旦主用卫星发生故障，要么备份星漂移到主用卫星轨道位置，要么亿万用户必须调整天线，这都将使得广播电视信号中断较长时间，使得整个直播卫星系统的可靠性降低。

2. 经济性

直播卫星系统的经济性需要从两方面考虑，一是故障未发生时，另一个是故障发生时。卫星未发生故障时，主备卫星采用同轨备份，主备卫星只能同时发挥一半的能力，双方要么分频使用，要么分覆盖区域使用，这都使得卫星空间段成本大大增加；主备卫星采用异轨备份，主备卫星可以同时满负荷互不干扰工作，用户如购买双馈源天线还可同时接收两颗卫星的广播电视节目。但是一旦故障发生时，主备卫星采用异轨备份，备份卫星需要消耗燃料漂移到主用卫星轨道位置，将减少卫星使用寿命；如果备份卫星不采用漂星的方案，则需要亿万用户调整天线或者要求用户最开始都使用双馈源天线，结合目前国情，这都需要投入巨大经费。

3. 有效性

主备卫星采用异轨热备份的方式最大的优点就是提高频率轨位资源的使用有效性。频率和轨道位置都属于不可再生资源，随着需求的增加，频率和轨道位置已经成为产业发展的制约因素。主备卫星采用异轨备份，能够激活我国已经申报的新网络资料，对我国频率资源占用和业务扩容都极为有益，更能保证我国广播电视卫星业务的可持续发展。

2.2 卫星轨道位置选择

目前，我国已经在5个轨道位置共申报了5套广播卫星业务卫星网络资料，轨道位置分别为东经62度、92.2度、101.4度、125.7度和134度。由于备份方案采用异轨热备份，并充分考虑了未来漂星的可能，所以结合轨位间隔、用户接收仰角和漂星后波束变形情况等因素，中星9A选择了定点于东经101.4度轨位。

1. 轨位间隔

一旦中星9号发生故障，中星9A需要能够实现快速漂星方案。中星9A定点于东经101.4度，使得漂移弧长只有9.2度，既能实现快速漂星，又能最大程度的减少卫星燃料损耗。另一方面，如果用户需要使用一副双馈源天线同时接收两颗卫星节目，则两颗卫星间轨位间隔不宜大于25度，而9.2度的轨位间隔也能确保主备卫星不会相互干扰。

2. 用户接收仰角

一般情况，卫星转发器在同等功率下，接收仰角越高，所需的接收天线尺寸越小。我国幅员辽阔，需要充分考虑我国边境地区的接收最小仰角。在假设定点于东经62度和134度情况下，中星9A卫星在部分地区的最小接收仰角为5度和10度，所以选择东经101.4度和125.7度轨位更为适宜。

3. 波束变形情况

由于卫星在不同轨位下，同一地区的投影会产生变化。特别是中星9A下行波束使用的是赋形波束，覆盖区为中国国土。所以一旦中星9A 采取漂星方案后，天线覆盖性能和原有覆盖性能相比存在一定的不同。经过覆盖仿真分析可知，中星9A从东经101.4度漂移到92.2度后，赋形波束变形较其它轨位情况下更小，且还能较好的实现对我国国土的覆盖。

3 中星9A频率轨位协调研究

3.1 频率轨位协调基本概念

由于无线电波的传播特性，其不会在国家的边界停止传播，这就使得各国在使用空间无线电频谱资源时，很容易出现相互干扰。这就要求国际电联各成员国必须都遵守《无线电规则》，按照《无线电规则》中规定的条款开展卫星频率轨位协调工作，以保障空间资源的有序使用。

国际电联把空间无线电频谱资源分为两种：规划频段卫星网络和非规划频段卫星网络。其中规划网络是国际电联预先将一部分频率和轨位资源分配给各个成员国，使得所有成员国都能平等拥有一定的空间无线电频率资源。规划的实质，是为发展中国家预留卫星频率和轨位资源，保障发展中国家在将来有能力时，有最低限度的卫星频率和轨位资源可用。规划网络具有最高的优先保护地位，且作为预分配的资源长期有效，非规划网络想要进入频率总表必须与受影响的规划网络完成协调。而非规划网络则是各个成员国按照“先登先占”原则，自行向ITU申报登记。对于非规划网络，先登记的网络具有优先地位，后登记的网络必须采取有效措施，保证不对地位优先的网络产生有害干扰。非规划网络具有7年有效寿命，7年内必须启用，如果不能启用将失效而被国际电联删除。

《无线电规则》中对卫星网络频率轨位协调的规定非常复杂，概况起来主要是三个阶段：国际电联判定是否需要协调、协调双方开展协调、协调双方完成协调并通知国际电联。

1. 判定是否需要协调

由于被干扰系统的噪声温度随干扰发射电平的增加而增加，因此国际电联把因为外部干扰引起的卫星网络系统噪声温度的增加与其自身噪声温度的比值ΔT/T作为评估卫星网络间是否需要启动协调的依据。在《无线电规则》附录8中规定的ΔT/T门限值为6%，如果两个对地静止轨道（GSO）卫星系统的ΔT/T超出了这个门限值，则必须根据《无线电规则》启动相应的国际协调程序。

此外，《无线电规则》附录5还规定了一些频段的协调弧。如果一个卫星网络的空间电台位于另一个卫星网络的标称轨道位置的协调弧内，则需要启动相应的国际协调程序。目前，一些协调中常见的频段的协调弧如表2所示。

2. 开展协调

在开展卫星频率轨位协调工作中，协调双方主要是对相关卫星网络之间就电磁兼容问题进行协调。在复杂的国际电联规则和建议书体系中，有3个重要的技术指标经常被用于卫星频率与轨道位置资源共用分析和卫星网络间协调。

1）载波与干扰的比值（C/I）

当通过ΔT/T或协调弧判定两个卫星网络之间需要协调时，相关主管部门应利用C/I来评估对每个频率指配的有害干扰程度。ITU-R S.740建议书给出了C/I的计算方法，需要注意的是，由于ΔT/T是按最坏情况进行评估计算的，没有考虑干扰载波具体的频谱特性，所以当计算出的ΔT/T超过6%的限值时,不一定都会产生不可接受的C/I的计算结果。

2）上行偏轴有效全向辐射功率(EIRP) 密度

为了防止固定卫星业务（FSS）的地球站发射载波对邻近卫星形成干扰，《无线电规则》对其载波的上行偏轴辐射功率谱密度提出了限制性要求。此限制条件是对功率谱密度的限制，与发射功率、天线旁瓣增益包络、载波信号带宽等参数都有着密切的关系。ITU-R S.524-9建议书给出了卫星固定业务中6GHz、13GHz、14GHz 和30GHz频段发射的对地静止卫星网络相关联的地球站不能超过的最大上行偏轴EIRP密度。

3）下行功率通量密度（PFD）

《无线电规则》规定了空间通信系统在地面产生“功率通量密度”的国际标准，以防止对地面微波通信等地面业务的干扰。空间电台对地面业务的干扰控制，是通过对空间电台最大PFD的限制实现的。在《无线电规则》第21条、第22条及其他特别限制条件规定中，都对具体的技术限制条件做出了界定。

3.2 中星9A卫星网络协调情况

中星9A启用的卫星网络有CHNBSAT-101.4E(AP30)、CHNBSAT-101.4E(AP30A)、CHNBSAT-K-101.4E(CR/C)和CHNBSAT101.4E-TTC（AP30-30A/F/C），分别是BSS业务频段网络、馈线链路频段网络和测控网络。

1. CHNBSAT-101.4E(AP30/30A)

CHNBSAT-101.4E(AP30) 和CHNBSAT-101.4E(AP30A)卫星网络资料同时在2012年6月7日被国际电联接收，其中下行频段为11.7-12.2GHz，上行频段为17.3-18.1GHz和14.5-14.8GHz。根据国际电联判定，CHNBSAT-101.4E(AP30) 下行卫星网络需要和缅甸、荷兰、印尼、日本、菲律宾、俄罗斯、泰国、越南8个国家的18卫星网络开展协调；CHNBSAT-101.4E(AP30A) 上行卫星网络需要和荷兰的3个卫星网络开展协调。CHNBSAT-101.4E(AP30/AP30A) 卫星网络需要协调的卫星网络情况如表3和表4所示。

缅甸、菲律宾和泰国未提出协调需求，根据电联规则，无需开展协调；荷兰在东经95度、108.2度有实际卫星，在东经100度、104度没有实际卫星；日本在东经109.85度有实际卫星，且日本在110度有规划网络；俄罗斯卫星网络资料将于2017年到期；印尼和越南虽然无实际卫星，但是受影响网络是规划网络，CHNBSAT-101.4E(AP30) 网络的南海波束必须采取技术措施规避。综上，荷兰、日本、印尼和越南为重点协调对象。

2. CHNBSAT-K-101.4E(CR/C)

CHNBSAT-K-101.4E(CR/C) 卫星网络资料在2014年5月26日被国际电联接收，其中包含的C频段测控频率有3600-4200MHz 和5850-6725MHz。根据ITU判定，结合C频段7 度协调弧的规定，CHNBSAT-K-101.4E(CR/C) 卫星网络C频段测控需要和俄罗斯、卢森堡、荷兰、印尼、阿联酋、越南、英国、法国、塞浦路斯、阿塞拜疆、日本、马来西亚、挪威13个国家的33个卫星网络积极开展协调。具体协调情况如表5所示。

俄罗斯在东经96.5度、103度，阿联酋在东经98.5，印尼在东经107.7度、108度、108.2度有实际卫星。特别是俄罗斯和阿联酋的相关卫星网络与CHNBSAT-K-101.4E(CR/C)卫星网络轨位间隔在3 度以内，为重点协调对象。需要注意的是香港卫星操作者亚洲卫星公司在东经100.5 度和105.5度左右也有相关卫星网络和实际卫星，双方卫星网络间最小轨位间隔仅为0.7度，协调难度非常大，亚洲卫星公司具体协调网络如表6所示。

3. CHNBSAT-101.4E-TTC（AP30-30A/F/C）

CHNBSAT-101.4E-TTC（AP30-30A/F/C） 卫星网络资料在2015年12月15日被国际电联接收。根据电联判定，依据无线电规则第9.7 条款，CHNBSAT-101.4E-TTC（AP30-30A/F/C）网络需要和法国、英国和荷兰的相关卫星网络协调；依据无线电规则第AP30A#7.1条款，考虑到轨道间隔8度左右的情况，CHNBSAT-101.4E-TTC（AP30-30A/F/C） 网络主要需要和缅甸、英国、荷兰、印度、日本、俄罗斯和泰国的相关卫星网络协调。具体协调对象如表7和表8所示。

3.3 完成协调的技术手段

1. 轨位隔离

如上文所述，协调弧是国际电联判定是否触发网络之间协调的一个条件，且在《无线电规则》附录5中规定了一些频段的协调弧。目前实际协调过程中，在C、Ku 和Ka频段内，即使同频同覆盖，只要双方卫星网络间轨位间隔大于等于协调弧，从技术角度上来说都是可以完成协调的。特别需要注意的是，WRC-15大会上已经进一步缩小了一些频段的协调弧，这也说明随着技术的进步，卫星系统特性的提高，大轨位间隔的卫星之间更容易消除干扰。虽然国际电联没有对L、S和X等频段设定协调弧，但使用轨位隔离的方法仍是开展卫星协调工作中最先使用的方法，使用本方法才能大幅的减少一个卫星网络的协调工作量，使得技术人员能集中精力解决更为实际的干扰。

2. 频率隔离

通常在卫星网络申报时，申报者都会基于资源储备的考虑选择全频段申报。当两个卫星轨道位置非常近时，分频使用就是双方解决实际干扰时常用的技术手段，这也是双方比较理想的共用状态。但是频谱资源属于不可再生资源，随着需求的增加，特别是地位优先的一方会更多的考虑未来发展，双方往往很难轻易通过分频完成卫星网络资料间的协调。对于实际卫星间的协调，各操作者需要通过各种渠道长期积累，知晓协调对象真实的频率使用情况和使用计划，在一定条件下才能和对方就实际卫星操作达成一致。

3. 地理隔离

当两个轨道位置很近的卫星同频使用时，通过地理隔离实现系统兼容也是一种常用方法。协调双方需要提供各自的卫星波束覆盖图，如果双方重叠频段的波束业务覆盖区不重合，则可以实现双方系统共存。但需要注意的是，如果双方业务区紧密相邻，则需要通过链路计算分析具体的C/I来确定干扰程度。通常，地位落后的一方需要采取降低发射功率和实现快速滚降等技术措施来满足地位优先的卫星网络的正常使用要求。

4. 极化隔离

通常如果两个卫星网络的天线极化方式不同时，也能够有效降低干扰，从而实现系统共存。但需要注意的是，在实际干扰分析时，协调双方不一定能够对极化隔离的效果达成一致。可以作为一个参考例子的是，在《无线电规则》附录30附件3中，国际电联认为如果干扰业务采用线极化，而BSS业务采用圆极化或者相反的线极化时，极化鉴别值为3dB。

参考文献

[1]. 国际电信联盟. 无线电规则[M]. 日内瓦： 2016.

[2]. 朱云怡. 蔡晓梅. 李熠星等. 广播卫星频率/ 轨道资源申报与应用研究[J]. 广播与电视技术. 2011, 增刊.

[3]. 朱云怡. 直播卫星备份星的轨位频率方案分析[C] 中国新闻技术工作者联合会2013 年学术年会论文集，2013.

作者简介

钟声洪，男，1987年10月，硕士，工程师，主要研究方向为卫星广播业务轨位频率申报协调和卫星广播业务技术准则、程序规则等方面。

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