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  • 射电天文业务的无线电管理浅析

  • 2009-12-10     作者:admin     来源:国家无线电监测中心网站

  • 依照《中国人民共和国无线电频率划分规定》定义,射电天文就是基于接收源于宇宙无线电波的天文学。射电天文业务,就是涉及射电天文使用一种业务的无线电业务。

    射电天文业务本身并不需要主动地向外发射无线电信号,因此射电天文业务不会对其他无线电业务造成有害影响。同时由于射电天文业务所接收的是来自宇宙的无线电波,这些无线电波与人为发射的无线电电波相比,信号强度极其微弱,大约在10~30W/m2Hz量级,这就造成射电天文观测非常容易受到其他无线电业务的干扰。正是因为如此,国际电信联盟先后出版了一系列建议书和报告书,竭尽全力敦促各国无线电主管部门保护射电天文业务。

    2 射电天文的发展历程 1933年美国贝尔实验室的卡尔·央斯基(Karl Guthe Jansky)意外发现了来自银河中心稳定的电磁辐射,成为射电天文学的奠基人。央斯基在研究和寻找干扰无线电波通信的噪声源时,发现除去两种雷电造成的噪声外,还存在着第三种噪声,那是一种很低又很稳定的“哨声”。央斯基对这一噪声(观测频率21MHz)进行了一年多的精确测量和周密分析,终于确认这种“哨声”来自地球大气之外,是银河系中心人马座方向发射的一种无线电波辐射。1940年,雷伯在美国用自制的直径9.45米、频率162兆赫的抛物面型射电望远镜证实了央斯基的发现,并测到了太阳以及其他一些天体发出的无线电波。二十世纪五十年代以后,射电望远镜得到了长足的发展,测量射电天体位置的精度稳步提高。到了二十世纪七十年代,有的射电望远镜,直径达100米。这种大型设备配上各种高灵敏度接收机,便可以在各个波段探测到极其微弱的天体无线电波。1974年诺贝尔奖获得者马丁·赖尔发明的综合孔径射电望远镜开创了射电天文学的新纪元。随着射电天文甚长基线干涉测量技术等观测技术的出现,射电天文业务得到进一步发展,取得了丰硕的研究成果。射电天文学在诞生的70多年间,先后产生了5项诺贝尔物理奖,为人类探索宇宙打开了新的窗口。

    3 射电天文业务使用的频率原则上,射电天文观测对全部的无线电频谱都是感兴趣的。但是限于现有的观测技术手段和拥挤的无线电频谱应用,目前射电天文所观测的频率覆盖范围大致从1MHz至1000GHz。表1给出的就是我国射电天文业务无线电频率划分的情况。表1 我国射电天文业务无线电频率划分情况

    6 结束语《中华人民共和国无线电管理条例》明确了射电天文业务可以使用的频段;若干国际电信联盟的决议书、归并到《无线电规则》中的建议书以及关于射电天文业务的有关建议书从系统共存的角度针对可能对射电天文业务造成干扰的无线电发射进行了限制;此外,包括我国在内的许多国家正在或已经完成射电天文无线电静区的设置工作。无线电管理主管部门施行这些举措的宗旨就是尽一切努力保护射电天文业务不受有害干扰,然而这一宗旨的实现却任重道远。希望本文能够为无线电管理工作者提供工作的便利,为无线电频率用户提供关于射电天文业务的相关信息,同时也希望公众能够更多地关注射电天文业务的保护工作,从而使得相关科学研究能够更进一步,造福人类。 (转自:中国无线电管理) 下面对照《中华人民共和国无线电频率划分规定》简要分析我国(国际电信联盟第III区域)的射电天文业务的每一段无线电频率情况。

    (1)13.36MHz~13.41MHz以及25.55MHz~25.67MHz频段的射电天文业务在全球范围内都为主要业务。这些频段用来观测来自太阳和木星的高频无线电波信号。

    (2)37.5MHz~38.25MHz的射电天文业务在我国为次要业务。这个频段也是观测来自木星辐射信号的重要频段。事实上,来自木星的无线电波信号覆盖了整个3MHz~40MHz频段。这个频段同时也被用来观测太阳。

    (3)73.0MHz~74.6MHz在我国没有划分给射电天文业务使用,但是国际电信联盟无线电频率划分脚注5.149要求:“敦促主管部门采用一切实际可行的措施保护射电天文业务免受有害干扰。”这个频段主要用来监测太阳风背景下的太阳系内“天气情况”。

    (4)150.05MHz~153.0MHz在国际电信联盟规定的第I区作为主要业务划分给射电天文业务使用。这个频段主要用于观测太阳以及脉冲星,但是在使用过程中,这一频段经常受到该频段主要业务的干扰。我国在这一频段上没有划分给射电天文业务,同时该频段也没有脚注。

    (5)229MHz~235MHz以及322MHz~328.6MHz频段的射电天文业务在我国为主要业务。绝大多数射电天文望远镜使用这个频段来研究星系的结构。特别地,327.4MHz是用来探测氢元素的同位素氘的谱线的。 (6)406.1MHz~410MHz频段的射电天文业务在我国为主要业务。有关文献报道,这一频段的射电天文观测常常受到气象辅助业务的探空气球携带的发射机(400.15MHz~406MHz)的干扰。在我国这一频段被北京密云、乌鲁木齐南山、贵州喀斯特、内蒙古正镶白旗等地区的射电天文台使用。

     (7)608MHz~614MHz频段的射电天文业务在我国为主要业务。这一频段是国际VLBI观测网使用的重要频率之一。这个频段同时划分给广播等无线电通信业务使用。国际频率划分脚注5.149和中国划分脚注CHN12都提出了对这个频段的射电天文业务的保护。

    (8)1330MHz~1400MHz频段在我国是主要业务,通过中国无线电频率划分脚注CHN12体现。这一频段是观测氢元素多普勒频移的重要频段。

    (9)1400MHz~1427MHz频段的射电天文业务在我国为主要业务。这一频段是观测氢元素谱线以及连续观测的重要频段。特别地,1420.4057MHz(也称之为21cm线)是中性氢原子的重要辐射谱线,这一谱线自从1951年被发现以来,已经成为研究银河系和其他星系结构的重要谱线之一。同时,由于多普勒频移现象,这个谱线实际上的观测频率范围为1330MHz~1430MHz。对于氢原子谱线的研究,将会很好地辅助寒冷星际的状态、气体的动力学、运动学和分布情况、银河系的转动等问题的研究。

    (10)1610.6MHz~1613.8MHz、1660MHz~1670MHz和1718MHz~1722.2MHz频段的射电天文业在我国为主要业务。这一频段的使用源于1963年使用射电望远镜对OH的辐射取得的成就。现在,通过这个频段的观测,人们已经发现了太空中的100余种有机物和无机物的分子。使用这一频段的观测也被称作“天体化学研究”。

    (11)2655MHz~2690MHz频段的射电天文业务在我国为主要业务。这一频段观测到宇宙背景噪声很低,并且现有的射电天文望远镜设备在这一频段的性能可以控制得比较好。射电天文业务主要通过这个频段来探测宇宙辐射体的物理参数等。

    (12)2690MHz~2700MHz频段的射电天文业务在我国为主要业务。特别地,靠近2700MHz频段的极化性观测对于研究空间大气环境较为重要。

    (13)3100MHz~3400MHz频段的射电天文业务中3260MHz~3267MHz、3332MHz~3339MHz和3345.8MHz~3352.5MHz在我国是主要业务。这一频段上,3263MH、3335MHz以及3349MHz是用来观测CH的谱线的。一般地,认为CH谱线的存在和CH4的存在有关,这有助于揭示生命起源阶段的某些状态。

    (14)4800MHz~4990MHz中4825MHz~4835MHz和4950MHz~4990MHz频段的射电天文业务为主要业务,其余为次要业务。这个频段的观测是过去十年中使用最为频繁的频段之一。利用这个频段,人们研究了甲醛星云(4829.66MHz),利用甲醛谱线的特征,人们更好地认识了星际物质的分布情况。

    (15)4990MHz~5000MHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这个频段是国际VLBI观测的重要频段。

    (16)6650MHz~6675.2MHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。使用这一频段可以针对甲醇的谱线进行观测,相关研究在欧洲部分地区进行。

    (17)10.6GHz~10.7GHz、14.47GHz~14.50GHz和15.35GHz~15.40GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这个频段对于射电天文望远镜来说,具有很好的观测准确性。人们使用这个频段来观测类星体神秘的谱线强度的变化。14.4885GHz处,人们又观测到了星际之间存在的甲醛的另外一条谱线。

    (18)22.21GHz~22.5GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这一频段主要用来对星际间的水分子进行观测。

    (19)22.81GHz~22.86GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这一频段主要用来研究非亚稳态氨的谱线和甲酸甲脂的两条谱线。

    (20)23.07GHz~23.12GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这一频段主要用来观测氨的谱线。

    (21)23.6GHz~24.0GHz、31.3GHz~31.5GHz以及31.5GHz~31.8GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。31.2GHz~31.3GHz频段的射电天文业务通过脚注5.149获得保护。

    (22)36.43GHz~36.5GHz频段的射电天文业务在我国通过脚注5.149获得保护。这个频段是观测HC3N以及OH谱线的重要频段。

    (23)42.5GHz~43.5GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这是一个观察SiO的不同的旋转现象的重要频段。观测中关注的谱线主要有42.820GHz、43.133GHz、43.425GHz和42.519GHz。

    (24)48.2GHz~50.2GHz中的48.94GHz~49.04GHz频段的射电天文业务在我国通过脚注5.149得到保护。这一频段是观测碳同位素分布的重要频段,譬如说C33S、C34S和C13S,并且观测多集中在48.94GHz~49.04GHz频段。

    (25)51.4GHz~54.25GHz、58.2GHz~59GHz 以及64~65GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。

    (26)76GHz~77.5GHz、79GHz~94GHz和94.5GHzGHz~116GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务;77.5GHz~79GHz和94GHz~94.1GHz在我国则是次要业务。这个频段是进行连续观测和谱线观测最好的频段,主要用来观测氧气和水蒸气等。特别地,在90.663525GHz频段观测到了HCN的谱线。

    (27)130GHz~134GHz 和136GHz~158.5GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务;123GHz~130GHz 和134GHz~136GHz在我国则为次要业务。这个频段的观测重点是:甲醛的140.839GHz、145.603GHz以及150.498GHz谱线,氘氰化物的144.827GHz谱线,一硫化碳的146.969GHz谱线等等。(28)164GHz~167GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这一频段主要用来进行连续观测。(29)167GHz~174.5GHz频段中168.59GHz~168.93GHz、171.11GHz~171.45GHz、172.31GHz~173.85GHz的射电天文业务在我国通过脚注5.149得到保护。182GHz~185GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这些频段主要用来观测水蒸气和臭氧的分布。

    (30)191.8GHz~200GHz频段中195.75GHz~196.15GHz的射电天文业务在我国通过脚注5.149得到保护。200GHz~231.5GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这些频段主要用来探测CO的情况。特别是219.560GHz 、220.399GHz 和230.542GHz频段最为敏感。

    (31)241GHz~275GHz频段的射电天文业务在我国是主要业务。这个频段主要观测的是部分分子和离子的谱线,典型的观测频率有262.5GHz、265.9GHz以及272.0GHz等。

    (32)275GHz~1000GHz频段尚未划分,但是在279.5GHz以及345.814GHz频段已经取得了观测成就。

     4 影响射电天文业务的无线电干扰各种无线电干扰的累积将会影响到射电天文业务的正常工作。

    根据干扰源距离射电天文台距离的远近,一般可以将干扰分成本地干扰、区域干扰和全球性干扰。本地干扰源来自于射电天文台附近的工厂、移动通信基站等无线电设备的有意或者无意发射。大多情况下,这些无线电设备的带外和杂散辐射超标是引起本地干扰的主要原因。为了解决这个问题,国际上很多国家为射电天文台设置了“无线电净区”。这样一来,通过法令在以射电天文台为中心的某个区域内,禁止无线电波的辐射,从而保护射电天文观测的正常进行。区域干扰典型的例子就是广播电视业务的邻道或者同频信号干扰到了射电天文业务。特别是在国土面积比较小的国家,邻国的广播电视发射,往往也会对射电天文业务产生干扰。一般地,在一个国家内部,可以通过限制广播电视发射功率或者改变广播电视发射机选址的办法来尽可能解决干扰问题。如果涉及到国家之间的干扰,则需要通过双边或多边协调,采用技术手段协商解决。国际电信联盟也通过不同的研究组,完成了包括射电天文在内的无源业务保护的研究,并以决议的形式提出了具体的保护要求。全球性干扰是整个射电天文业务面临的最为严重的干扰,这个干扰主要是由卫星及卫星系统造成。具体说来,这个干扰包括对地同步静止轨道卫星干扰和非静止轨道卫星干扰两种。为了减少干扰发生的可能性,国际电信联盟通过了诸多决议,对卫星系统的发射功率进行限制。有关这些决议和建议书,参见下一节。当然,来自太阳等天体的宇宙空间射线,在一定意义上来说,也是对射电天文业务的无线电干扰。特别是来自太阳的射电辐射导致了很多观测只能在夜间完成,如果遇上太阳活动周期的峰值年份,甚至夜间观测也会受到影响。

     5 保护射电天文业务上文介绍了射电天文业务是一种无源业务,极容易受到外界无线电信号的干扰,因此世界上开展射电天文业务研究的国家都非常重视保护射电天文业务。那么目前国际上都有哪些保护射电天文业务的举措呢 一般来说,保护射电天文业务的举措分为两类,一类是射电天文业务本身改进技术,提高观测能力和抵御无线电干扰的能力;另一类就是通过合理地规划无线电频率和电磁兼容规范(包括国际规则、国内法规等),避免其他无线电业务的信号干扰射电天文业务。

    这两种举措一般通过国际组织以规范书等形式实现或者在国家内部通过立法机构、标准化机构以及技术研究机构来完成。提高射电天文业务观测质量可以通过增加观测次数来实现,当然这个办法对于那些偶发干扰信号是有效的。当干扰信号经常发生强度变化时,射电天文台就不能够区分这个信号究竟是干扰信号还是来自宇宙的新信号。

    此外,改善射电天文望远镜天线的主瓣和旁瓣特性也是一个解决问题的办法,同时射电天文界积累了许多先进的观测和误差处理手段,这些措施都在一定程度上提升了射电天文业务的抗干扰能力。世界无线电大会通过的国际电信联盟重要规范性文件《无线电规则》为世界各个区域的射电天文业务划分了无线电频率,并通过条款,提出了明确的保护要求。比如第29条中明确指出:“敦促各主管部门在按本规则工作的射电天文业务实行观测的频段附近给其他业务的电台指配频率时,按照第4.5款采取一切切实可行的措施保护射电天文业务不受有害干扰。”

    从本文第三节可以知道,这些频率划分是射电天文业务观测所需要的无线电频段。虽然这些频段远远不能满足射电天文业务观测的需要,但是这个划分却是目前人类无线电通信技术应用发展和射电天文业务发展之间的最好的平衡结果。国际电信联盟通过了旨在保护射电天文业务一系列决议和建议书,这里总结如表2所示。表2 国际电信联盟关与保护射电天文业务的有关文献

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