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射电宁静天空保护进展

张海燕

张海燕. 射电宁静天空保护进展[J]. 电波科学学报,2024,39(4):595-601. DOI: 10.12265/j.cjors.2024065
引用格式: 张海燕. 射电宁静天空保护进展[J]. 电波科学学报,2024,39(4):595-601. DOI: 10.12265/j.cjors.2024065
ZHANG H Y. Progress in the protection of radio quiet sky[J]. Chinese journal of radio science,2024,39(4):595-601. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2024065
Reference format: ZHANG H Y. Progress in the protection of radio quiet sky[J]. Chinese journal of radio science,2024,39(4):595-601. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2024065

射电宁静天空保护进展

基金项目: 国家自然科学基金(12273067, 12041301)
详细信息
    作者简介:

    张海燕: (1973—),女,山西人,中国科学院国家天文台研究员,博士,研究方向为射电天文学。 E-mail: hyzhang@nao.cas.cn

    通信作者:

    张海燕 E-mail: hyzhang@nao.cas.cn

  • 中图分类号: P161.4

Progress in the protection of radio quiet sky

  • 摘要:

    射电天文业务(radio astronomy service, RAS)通过探测来自宇宙的无线电信号开展天文研究。由于射电望远镜的高灵敏度,极易受到来自望远镜本身的电磁辐射,及移动通信业务和卫星业务等主动无线电业务射频干扰(radio frequency interference, RFI)的影响,因此保护射电宁静天空是支撑射电天文观测研究取得科学成果的重要基础。近期,国内射电天文设施发展迅速,如500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)已取得众多突出成果,新疆奇台110 m射电望远镜正在建设等。与此同时,主动无线电业务的快速增加,导致国内射电望远镜无线电环境逐渐恶化。为保护RAS所需的射电宁静天空,国内开展了相关的技术研究,并采取了频谱管理措施,如射电望远镜电磁兼容(electromagnetic compatibility, EMC)技术研发、评估RAS与主动无线电业务的兼容性、在射电望远镜周边设立电磁波宁静区(radio quiet zone, RQZ)、参与国际与国内频谱管理协调等,本文进行了总结陈述。这些工作,有效地保护了国内射电望远镜周边的电磁环境。

    Abstract:

    Radio astronomy service (RAS) carries out research on astronomy based on the detection of radio signals from the Universe. However, due to its high sensitivity of radio telescope, it is susceptive to radio frequency interference (RFI) from the telescope itself and active radio services like mobile communication and satellite services. Therefore, the protection of radio quiet sky for RAS is fundamental for supporting the achievement of scientific outcome. In China, the radio astronomical facilities have been developed rapidly. For instance, the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) has achieved many outstanding outcomes, and the 110-meter radio telescope is being built in Qitai County, Xinjiang Province. Meanwhile, due to the rapid increase of active radio services, the radio environments around the radio telescopes in China are deteriorated gradually. In order to protect the radio quiet sky of RAS, the technical and spectrum management measures have been studied and developed, for instance, studying the electromagnetic compatibility (EMC) of radio telescopes, assessing the compatibility between RAS and active radio services, establishing Radio Quiet Zones (RQZs), and participating international and domestic activities of spectrum management, which have been summarized in this paper. All of these works support the protection the radio environments around the radio telescopes effectively.

  • 射电天文是基于接收源于宇宙无线电波的天文学,而射电天文业务(radio astronomy service, RAS)是涉及射电天文应用的一种无线电业务[1]。由于宇宙中遥远天体发射的无线电信号非常微弱,要求射电望远镜极其灵敏,因此射电天文观测极易受到主动无线电业务的射频干扰(radio frequency interference, RFI)[2]

    中国近年来RAS发展迅速。现有的射电天文观测台站分布在北京、上海、江苏、青海、新疆、云南、贵州、内蒙古、西藏等省市地区。观测波段从米波到毫米波,研究领域涵盖各天文课题。被誉为“中国天眼”的世界第一大单口径射电望远镜500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST),观测频段为70 MHz~3 GHz,自2020年起正式开始科学观测[3]。迄今,已经探测到800多颗新的脉冲星,在快速射电暴、脉冲星、中性氢研究等领域取得了众多科学成果[4]。位于青海德令哈的13.7 m射电望远镜,则在毫米波段开展观测[5]。中国甚长基线干涉测量网包括密云50 m和40 m、佘山25 m、天马65 m、新疆26 m、昆明40 m等射电望远镜,为中国的月球和火星探测工程提供了重要支撑[6]。同时,一些新的射电望远镜已经被提出并开始建设,例如位于新疆奇台的110 m射电望远镜、云南景东的120 m射电望远镜、吉林与西藏的40 m射电望远等[7-8]。此外,中国还是国际平方公里阵(Square Kilometer Array,SKA)项目的正式成员国,目前SKA第一阶段建设已经启动[9]

    然而,随着无线电业务,如移动通信及卫星等系统的迅猛发展,国内各射电天文台站受到RFI的影响持续增加,因此对射电天文宁静天空保护工作的需求也更加迫切[10]

    为此,各射电天文台站积极开展了电磁环境保护研究。以FAST为例,作为国家重大科技基础设施,实现了我国在前沿科学领域的多项重大原创突破。而FAST电磁兼容(electromagnetic compatibility, EMC)研发、设立并运行FAST电磁波宁静区(radio quiet zone, RQZ),在保障望远镜正常运行和科学产出方面发挥了不可替代的重要作用[11]

    RFI引起的风险可能会对RAS产生多方面的影响。例如,有的RFI甚至比天文源强109倍,这可能会掩盖天文学家感兴趣的宇宙信号;对于瞬变源或地外生命探测,RFI可能会误导观测结果。由于RFI,射电天文观测时间或数据可能会损失,增加了观测成本。强RFI还可能会使高灵敏度的接收器饱和,并降低仪器的探测能力。对于观测者来说,由于数据中的RFI等原因,导致数据处理分析困难。因此,保护RAS的射电宁静天空是支持取得科学成果的重要基础[12]

    随着无线电通信业务和社会经济的快速发展,射电望远镜周边的电磁环境日趋恶化。近期,一些主动无线电业务的应用可能会给RAS带来严重的问题,如卫星业务、移动通信业务、高空平台系统等[13]。对于星链和一网这样的巨型卫星星座系统,从地球上的任何位置都可以“看到”至少一颗卫星。联合国和平利用外层空间委员会正以“暗夜与宁静天空”为题对此开展讨论。为此,国际天文学联合会(International Astronomical Union, IAU)成立保护暗夜与宁静天空免受卫星星座干扰中心(IAU center for the protection of dark and quiet sky from the satellite constellation interference, CPS),组织系列黑暗与宁静天空研讨会,提出了减轻卫星RFI对RAS干扰的建议[14]。目前,非对地静止卫星轨道(non-geostationary satellite orbit,non-GSO)系统给天文学造成的潜在影响已经得到确认,在国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)2023年世界无线电通信大会(World Radiocommunication Conferences 2023,WRC-23)上,各国代表同意设立WRC-27大会议题,研究必要的技术和规则,保护在特定无线电宁静区和全球划分给作为主要业务的RAS,免受non-GSO系统引起的集总RFI[15]。国际天文界敦促,在进行任何拟议空间活动环境影响评估时,须考虑空间活动对射电天文学的潜在影响。同时,天文学家们和ITU还正在开展月球背面射电天文观测及频谱保护的研究[16]

    为减少RFI,保护射电宁静天空,技术研发、频谱管理等部门与天文学家协作,研究RFI缓解技术,例如开展望远镜EMC、RFI监测系统、滤波器等的研发;发展RFI识别、标记、切除、有源补偿等软件[17]。在频谱管理方面,通过参与ITU相关研讨,进行WRC RAS相关议题研究,修订无线电规则(Radio Regulation, RR),制订或更新ITU射电天文工作组RAS建议书、报告、手册等,促进对RAS频谱资源的保护。目前,国际上已经建立了数十个RQZs,来保护射电望远镜周围的电磁环境,并通过修订国家无线电法规和制定标准等方式保护当地的RAS[18]

    在中国,射电天文学家也同样面临着RFI的挑战。为减轻射电望远镜本身的RFI,国内已在望远镜的规划、设计、建设和运行各阶段应用了各种EMC性措施,如屏蔽和滤波等。同时,为保护射电望远镜的宁静电磁环境,国内各台站积极开展干扰监测和缓解技术研发,并通过与相关部门和地方政府协商,设立RQZ为我国射电天文学的可持续发展预留了空间。

    本节将简要概括近期我国保护射电宁静天空相关研究的进展情况。

    电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。要解决系统的EMC性问题,须在三个因素即电磁干扰源、耦合途径、敏感设备方面采取措施,而电磁干扰抑制的主要措施包括接地、滤波和屏蔽[19]

    对于射电望远镜,敏感设备为高灵敏度接收机,而望远镜系统的主要电磁辐射干扰源可以分成两类:一是信息技术设备等弱电设备,如计算机、控制器等;二是电机、变压器等强电设备。强电设备工作频率较低,但由于其功率较大,如果产生电磁辐射,其干扰值将比较大。为抑制来自电子、电气设备的干扰,各射电望远镜利用接地、滤波和屏蔽等措施,开展相应的EMC研发。如上海天马望远镜在主动反射面促动器采用EMC措施;明安图射电频谱日像仪对观测楼机房采用电磁屏蔽;FAST采用EMC设计的促动器、索驱动机房、馈源舱与观测基地[20];奇台110 m射电望远镜开展综合EMC设计等[21]

    以FAST促动器的EMC研发为例(见图1),为实现在观测时形成300 m口径的瞬时抛物面,在FAST反射面下安装约2300套促动器用来控制反射面节点变形,并且这些促动器必须与望远镜观测同时运行。促动器内部的主要干扰源包括直流电源、电机、电机驱动器、控制器、电磁阀、油温油压传感器和位置传感器等。结合技术特点,在系统构架方面,研发了机电液一体化促动器,实现可达15×103 kg的大负载,同时开展的EMC设计可实现80 dB的屏蔽效能,确保促动器的干扰得到有效减少[22]

    图  1  FAST促动器内部结构图
    Fig.  1  Internal structure of FAST actuator

    射电望远镜对台址的电磁环境要求极为严格,因此,电磁环境监测与干扰消减对望远镜的长期正常运行非常重要。各射电望远镜从选址、建设、调试到运行阶段,大都对RFI开展了定期的监测和排查,同时研发了干扰信号识别和消减技术。如FAST在选址、建设和运行期间定期开展电磁波环境监测,评估周边电磁环境的变化[23];西藏阿里天文台研发了电磁环境监测系统等[24]图2为建设中的阿里天文台电磁环境监测系统,该监测系统包括3个天线,覆盖频率为100 MHz~20 GHz,将工作在海拔5 200 m的阿里台址。

    图  2  阿里天文台电磁环境监测系统
    Fig.  2  Electromagnetic environment monitoring system at the Ali Observatory

    在望远镜接收系统研发中,提升信号传输和接收的动态范围并包含一定余量,可以减少强RFI对观测的影响。如设计射频系统的低噪声放大器(low noise amplifier, LNA),实现在宽波段范围内承受较高的输入辐射功率。由于RFI通常是脉冲式且窄带的,因此宽波段上的总功率并不大,并且可以将系统设计为线性保持。在邻频干扰比较强的情况下,为避免接收机饱和,可以考虑采用增加滤波器的方式[25],如上海天马望远镜在S波段增加滤波器,减少了移动通信干扰等。

    此外,为减少卫星干扰的影响,FAST已经构建了一个卫星RFI预警系统,以避免强卫星RFI导致的接收器饱和[26]。在天文数据处理过程中,天文学家通常对被RFI污染的数据,采用标记和去除的方法,来实现干扰消减。如在宇宙中性氢谱线强度成图中,采用基于频谱峰值的阈值法,实现了干扰实时消减[27];利用脉冲星搜寻软件PRESTO中的riffind函数,标记时频强度谱中被RFI污染的区域,并用均值或其他强度值替代[28]等。由于FAST的L波段接收机有19个波束,研发了RFI空间滤波组合阈值的方法,并应用到数据处理中。同时,研究了基于主成分分析的RFI提取和统计方法。所有这些RFI监测、硬件与软件RFI缓解措施都为FAST的科学成果提供了有力支撑[29]

    无线电频谱是人类的共享资源,组织统筹使用无线电频谱资源的过程称为频谱管理。国际负责这项工作的国际组织是ITU。ITU的无线电通信部门(ITU Radiocommunication Sector,ITU-R)负责制定并维护RR。RR具有国际条约的地位,加入ITU-R的所有成员国均受RR约束。其中,RR脚注5.340要求在所列的频带内禁止一切发射;脚注5.149提出对所列频段的其他业务电台进行指配时,敦促主管部门采用一切实际可行措施保护RAS免受有害干扰。ITU-R修改RR的唯一机制是通过3~4年举行的WRC,下一届大会是WRC-27。此外,还有数个地区性机构来监管各个地区内的无线电资源,如亚太、欧洲、非洲相关电信组织等。为了在相同或相邻频带中运行多种无线电业务,需要明确定义每个无线电业务的特性和兼容性要求。在ITU-R,这是通过国际电联的文献,包括研究组及其工作组专门针对每种无线电业务制定的建议书、报告等研究成果来实现。ITU-R工作组和研究组开展无线电业务的相关技术研究,并定期开会进行讨论。其中,RAS是科学业务研究组SG7下所设工作组WP7D的主要研究内容。

    为保护RAS的频谱资源,持续参与WRC议题研究工作和WRC大会至关重要。而RAS作为一种具有极高灵敏度接收系统的被动业务,受到大多数WRC议题的影响。在WRC-23议题的研究周期,我国代表积极参加ITU-R WP7D和SG7讨论;参与亚太和国际科学业务频谱保护委员会的研究;参与WRC-23和未来RAS相关议题国内研讨;配合开展《中华人民共和国无线电频率划分规定》等法规文件的讨论,更新完善划分规定的中国脚注,保护规划和新建射电天文站址频谱资源[30]。此外,还起草了国家推荐性标准《射电望远镜电磁环境保护技术规范》,该规范包括了保护技术要求、频谱共用方法、电磁环境保护测量方法等,为射电天文地面观测台站的选址、建设、运行、维护时的电磁环境测量和保护提供了重要的技术参考。2023年12月,该技术规范正式实施[31]

    为减少或避免对射电天文望远镜产生干扰,通过设立特定的地理区域作为RQZ。在RQZ范围内,常规频谱管理程序将会根据保护需求进行修改。ITU-R RA.2259报告给出了RQZ的特征。其中,RQZ区域有三种基本类型。第一类是在某些频段禁止所有无线电发射的区域。此类型区域通常限于望远镜的相邻区域,如FAST RQZ 半径为5 km的核心区。第二类区域也禁止发射,但地理范围更广,如果在协调后发现符合严格的阈值,则可以发射。该协调过程涉及对各个规划和运行系统的评估,包括与望远镜的距离、局部地形、传输的方向性和功率水平等。第三类区域与第二类区域相似,不同之处在于经过协调达成一致后,可以进行发射。在不需要全时段发射的情况下,射电天文站点和运营商可以进行协商,使用某些特定频率的时间。然而,大多数已建立的RQZ仅管理固定的地面发射设备,而不监管机载或星载发射机等移动式的发射,这为RQZ的运行管理带来挑战。

    在望远镜运行阶段,可通过一定的操作避免在特定时间内可能发生的已知干扰。基于发射设备的动态变化,可以根据射电望远镜进行科学观测的频率,以及所指向的天空方向来进行主动协调。

    迄今,国内已在内蒙古明安图观测基地、上海天马观测站、贵州FAST观测基地、青海德令哈13.7 m毫米波射电望远镜观测站、新疆奇台110 m射电望远镜观测基地建立了RQZs,来有效保护射电望远镜周围的无线电环境,相关信息见表1[32]。目前,国内最大RQZ的保护区域,为以FAST和QTT望远镜为中心、半径30 km的圆形区域[33]。2017年,还协调设立了半径为30 km的FAST飞行限制区,将已有两条航线整体东移出该区域,助力FAST电磁环境保护。此外,对于规划和在建的新射电天文设备和台址,如云南景东120 m、西藏与吉林40 m射电望远镜和阿里天文台等,正在协调设立更多的RQZs。

    表  1  国内RAS的RQZs[32]
    Tab.  1  RQZs of RAS in China[32]
    射电望远镜 位置 海拔/m 设立
    时间
    圆形保护区
    域半径/km
    明安图射电频
    谱日像仪
    (115°14′44.7″, 42°12′31.3″) 1 356 2007年 10
    天马射电望远镜 (121°08′10″, 31°05′32″) 4 2012年 3
    FAST (106°51′ 20″, 25°39′10″) 841 2013年 30
    德令哈13.7 m射
    电望远镜
    (97°43′46.7″, 37°22′42.5″) 3 200 2015年 26
    奇台110 m射
    电望远镜
    (89°40′57″, 43°36′04″) 1 759 2018年 30
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    近年,non-GSO卫星数量不断增长,并且未来十年规划了更多此类卫星的发射,同时各国正在考虑将non-GSO卫星系统作为未来卫星移动业务地面网络的一部分。

    随着2019年5月首批60颗星链卫星的发射,天文学家们更加关注卫星星座对光学和射电天文观测的影响[34]。对于灵敏的射电天文望远镜,即使是在RQZ,来自单个和多个non-GSO卫星系统的集总发射也可能对RAS造成干扰,而仅靠国家监管很难解决卫星导致的干扰。对于目前大多数中轨卫星或低轨卫星系统,射电望远镜受到的干扰大多是旁瓣接收到的。但对于新的non-GSO“巨型星座”,如星链项目,该系统近期部署的星座拥有10004000颗卫星,预计部署的卫星将超过10万颗,意味着成百上千颗卫星将始终处于地平线上,卫星信号有可能进入射电望远镜波束旁瓣,对天文观测造成干扰,同时也增加了通过望远镜主波束耦合接收强干扰的可能性[35]

    目前结合已知non-GSO星座的频谱规划,RAS可能受影响的主要业务频段为10.6~10.7 GHz(包括在RR的脚注5.340中受保护的10.68~10.7 GHz频段)、42.5~43.5 GHz和48.94~49.04 GHz、次要业务频带14.47~14.5 GHz等,以及其他RAS作为主要业务划分但相对靠近卫星的波段,如22.21~22.5 GHz和31.3~31.8 GHz等(部分在RR的5.340脚注)。另外,还须考虑谐波的影响,如11.8~12 GHz频段的谐波落在受RR 5.340保护的23.6~24 GHz频段等。

    包括中国在内,来自各国天文、工业、空间政策、环境等领域的专家参与了保护暗夜与宁静天空的研讨,并提出了缓解卫星干扰的初步建议,如要求non-GSO卫星避免直接指向射电望远镜和RQZ,特别是雷达和其他可能损伤射电天文接收机的高功率卫星应用系统;要求non-GSO卫星的旁瓣电平足够低,当它们没有直接指向射电望远镜时,不会单独或累加对射电望远镜和RQZ造成干扰。同时,鼓励和支持在空间政策、法规、行业指南、天文观测、软件等领域开展合作。

    RAS与non-GSO系统之间的兼容性问题,可以通过在卫星发射并运行之前开展分析、评估,并采用相应的技术措施进行干扰缓解。在空对地方向,干扰程度取决于许多因素。为解决这种动态场景下的保护问题,对于non-GSO系统,ITU-R M.1583-1建议书提供了non-GSO卫星移动通信系统或卫星导航系统与射电天文望远镜站址之间干扰的计算方法[36];ITU-R S.1586-1建议书提供了计算non-GSO卫星固定系统无用发射电平对射电天文台站影响的方法[37];ITU-R RA.769-2建议书对射电天文望远镜旁瓣接收到的non-GSO卫星干扰给出了门限值[38];ITU-R RA.1031-3建议书阐述了在共用频段内保护RAS的指导性意见[39];ITU-R RA.1513-2建议书提供了对于RAS作为主要业务的频段,由于干扰造成的射电天文观测数据丢失和时间损失比例标准[40];ITU-R RA.2259报告包含了RQZ的特性和建立RQZ的措施等。基于这些研究基础,RAS与non-GSO星座系统的兼容性研究与评估正在开展。

    射电望远镜的发展促进了新的重大天文发现。国际SKA、下一代甚大阵与视界望远镜、FAST阵等在建和规划的大型射电天文设备为探测宇宙的第一批恒星和星系的形成、恒星的演化、银河系边缘的行星、黑洞的视界提供了机遇。同时,各类无线电业务的大规模应用,导致射电天文台站周边电磁环境的拥挤和恶化。即使对已划分给RAS的频段,监管也比较困难,并且在RAS划分频段之外的观测频谱保护更加难以实现,但由于科学研究的需求,射电天文学的探测频谱却越来越宽。目前,卫星正以成百上千倍的数量增加,射电天文学因卫星干扰逐渐失去了可观测的频带。因此,RAS需要采取多种技术和管理措施,来保障望远镜的正常运行。

    对于RAS的保护,提前预防比后期RFI缓解更为重要。首先,射电望远镜将继续尽可能在偏远地区选址,从而利用地形减少地面主动发射无线电业务的影响;其次,在RAS周边设立RQZ,保护周边电磁环境;同时,开展射电望远镜的EMC研发,使用高动态范围、高时频分辨率的接收系统,开发RFI缓解硬件和软件等,积极利用新的仪器与观测技术、更强大的电子设备和更复杂的软件,实现对RFI的有效缓解。此外,参加科学与工业界涉及频谱管理与协调的研究和讨论,共同努力保护RAS的射电宁静天空,支撑科学研究取得重大科学成果。

    致谢:此项工作获得射电天文与技术重点实验室和国内各射电天文台站的大力支持,所取得的相关进展来自各台站从事射电天文频率保护工作同事的不懈努力和合作,在此致以诚挚的感谢!

  • 图  1   FAST促动器内部结构图

    Fig.  1   Internal structure of FAST actuator

    图  2   阿里天文台电磁环境监测系统

    Fig.  2   Electromagnetic environment monitoring system at the Ali Observatory

    表  1   国内RAS的RQZs[32]

    Tab.  1   RQZs of RAS in China[32]

    射电望远镜 位置 海拔/m 设立
    时间
    圆形保护区
    域半径/km
    明安图射电频
    谱日像仪
    (115°14′44.7″, 42°12′31.3″) 1 356 2007年 10
    天马射电望远镜 (121°08′10″, 31°05′32″) 4 2012年 3
    FAST (106°51′ 20″, 25°39′10″) 841 2013年 30
    德令哈13.7 m射
    电望远镜
    (97°43′46.7″, 37°22′42.5″) 3 200 2015年 26
    奇台110 m射
    电望远镜
    (89°40′57″, 43°36′04″) 1 759 2018年 30
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-28
  • 录用日期:  2024-05-30
  • 网络出版日期:  2024-05-30
  • 刊出日期:  2024-08-29

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