了解一下实际Space Station的PFD值

上一篇我们学习了FCC 25.208对于空间站辐射向地球表面的PFD功率通量密度限值。今天我们具体通过SpaceX的NGSO的一份技术报告，来了解一下实际Space Station的PFD值，有助于我们更好地理解。

其实对于PFD的限值，在ITU-R的RR《无线电规则》中也有相应的规定，并且对于频率和区域（1区/2区/3区）以及特殊情况的划分还要更加详细。所以SpaceX的报告中不仅考虑了FCC的限值，也同时考虑了ITU-R的限值规定。FCC中所没有涉及的类型和频率，则依据了ITU-R中的相关规定，但一定都符合规定么？我们用两个例子来说明：

01

下行10.7~12.2GHz用户链路

首先，每颗SpaceX卫星上的Ku波段下行用户波束，只对水平面以上40°至90°的到达角进行发射，即只能由仰角为40°或以上的客户地球站接收。此外，发射功率会根据到达角度在斜面（slant）和天底（nadir）之间调整，以保持到达地球表面的PFD不变。所以说到达角不同带来的损耗不同，天线增益会随着转向角和波束形状发生变化。

我们先来理解一下nadir和slant，如下图所示：nadir（天底）简单地理解就是与zenith（天顶）完全相反的一个点，天顶在正上方，天底在正下方。在天文学中，天底线是指指向某一特定地点的重力的垂直方向。对于一个在轨的卫星来说，天底线是该卫星向下的视场（field of view）。而slant相对于nadir来说就是一个倾斜的角度。

由于nadir和slant，从空间站到达地面的距离就不一样了，波束也会产生变化，所以发射功率也不一样。下面这个表显示了SpaceX系统在地球表面的PFD计算，包括在最大slant斜度40°到达角和nadir 90°到达角的天底。

下面这张表是由空间站下行链路用户传输产生的地球表面的PFD（1,110公里）：

 

频段：10.7-12.2 GHz；
链路：Downlink User Transmissions；
服务纬度：±55º以下；
卫星轨道高度：NGSO 1110km；

 

这其实是一个最坏的情况，也就是PFD最大的情况，因为如果是在更高的高度、服务更高的纬度和在更高的Ku波段频率运行的卫星，产生的PFD会更低。

所以我们再回顾一下上一篇中的限值，对应的应该是25.208(b)：

是否符合呢？来看下面的结果：

以4kHz带宽为单位的PFD（红色线为FCC限值，蓝色线为SpaceX的PFD计算值）：

以1MHz带宽为单位的PFD（红色线为FCC限值，蓝色线为SpaceX的PFD计算值）：

然而上述SpaceX的频率是从10.7～12.2GHz，而FCC的限值只到11.7GHz，并没有包含到12.2GHz这一段，所以这一段的限值参考了ITU-R的规定：针对这一段的卫星固定NGSO空对地的限值比FCC增加了2dB，即红色虚线向上平移2dB：-124～-114dB(W/㎡)/1MHz。

所以SpaceX在此段的40°以上PFD距离限值还有6-8dB的余量。

除了25.208(b)，Ku波段还有25.208(o)关于12.2-12.7GHz的限值规定：

这一段规定的限值相对较低，是为了保护多频道视频和数据分配服务（"MVDDS"）。如下图所示，SpaceX在此段的PFD有超过30dB的余量：

02

下行17.8~19.3GHz网关链路

与上面10.7~12.2GHz频段一样，SpaceX公司每颗卫星上的17.8~19.3GHz网关下行链路，也是只对水平面以上40°至90°的到达角进行发射，即被40°以上仰角的网关地面站接收。系统根据到达角调整slant和nadir之间的发射功率，以保持到达地球表面的PFD不变。

下面这张表是SpaceX空间站下行网关链路，在最大slant（即40°到达角）和nadir（90°到达角）时，产生的地球表面的PFD（1,110公里）：

 

频段：17.8-19.3GHz；
链路：Downlink Gateway Transmissions；
极化：LHCP和RHCP；
卫星轨道高度：1110 km；

 

这其实是一个最坏的情况，也就是PFD最大的情况，如果是在更高的高度运行的卫星，产生的PFD会更低。

FCC的最新版本对NGSO 17.8-19.3GHz频段没有相应的PFD限值，但ITU-R的《无线电规则》却有适用于整个17.7-19.3GHz频段的NGSO系统限值，如下所示：

X的取值如下式：

那么SpaceX空间站在此段的PFD数值是多少呢？

可以看到，在大多数的倾角条件下都是满足限值的，并且在40°以上还有10dB的余量，但是在12°以下，SpaceX系统的PFD显然是超出了限值。

对此，SpaceX给出了这样解释：

首先，他认为PFD算法有缺陷：该算法包含了不在视线范围内的卫星的干扰，并且没有考虑到可能被关闭的卫星，这种算法不具备扩大应用于更大的、动态控制的星座的能力。当考虑到这些因素时，SpaceX预计其系统不会对在此频段运行的FS系统造成任何实际干扰。

其次，他认为ITU-R的建议限值是不合理的，其实在FCC早期的版本中25.208(e)也采用了与ITU-R相同的建议，只是当前版本25.208(e)部分已经变成reserved了。ITU-R中的PFD限制是在拟议的NGSO系统的卫星数量少得多的时候，也就是在WRC-2000之前的研究周期中制定的，比例函数（即上述PFD公式中用于288颗以上卫星系统的变量 "X"）是根据96、288和840颗卫星的NGSO FSS卫星星座制定的，没有考虑到更大的星座。

此外，基本分析是基于一些非常保守的假设，这些假设就会导致计算出的PFD水平远远高于实际系统产生的水平。为什么说它保守呢？因为它假设了NGSO FSS卫星群的所有可见卫星同时向FS系统的方向辐射最大的PFD，这是不现实的。此外，这种假设没有考虑到真正的卫星天线的模式，每个卫星的功率限值或自我干扰对NGSO卫星系统的限制。

虽然说，国际电联早在WRC-15就承认了以上的问题，但即便是在WRC-19之后的最新版《无线电规则》也尚未做出修改，所以我们在ITU-R的RR中看到的仍是这种有缺陷但被授权的方法。

而对于FCC Part25.208，就是在后来的版本中空下了这一段的限值，标记为“Reserved”。并且对于SpaceX当年的报告给出了这样的结论：尽管SpaceX系统不符合PFD限值，但该系统不会对地面FS系统构成干扰威胁。

这也足以看出SpaceX在卫星领域的地位，以及应验了大家经常说的那句：“FCC为SpaceX一路开着绿灯。。。”

审核编辑：刘清