(高清版)GBT 42557-2023 射电望远镜电磁环境保护技术规范

射电望远镜电磁环境保护技术规范Technicalspecificationsofelectromagneticenvironmentalprotectionforradiotelescopes2023-05-23发布国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I前言 12规范性引用文件 13术语和定义、缩略语 13.1术语和定义 13.2缩略语 24电磁环境保护技术要求 24.1保护门限 24.2允许的数据损失 25频谱共用方法 26电磁环境保护测量条件 26.1测量环境 26.2测量设备 27电磁环境保护测量方法 37.1测量频率范围 37.2测量方法 37.3测量报告 4附录A(资料性)射电望远镜有害干扰保护门限计算方法 5附录B(资料性)射电望远镜频谱共用方法 附录C(资料性)电磁环境测量系统灵敏度计算方法 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国无线电干扰标准化技术委员会(SAC/TC79)提出并归口。本文件起草单位：中国科学院国家天文台、国家无线电监测中心、贵州省无线电监测站。王钰。1射电望远镜电磁环境保护技术规范本文件规定了射电望远镜电磁环境保护的要求，描述了射电天文地面观测台站电磁环境的测量方法。本文件适用于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。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T6113.101无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第1-1部分：无线电骚扰和抗扰度测量设备测量设备3.1术语和定义下列术语和定义适用于本文件。对无线电波使用的通称。将某个特定的频段列入频率划分表，规定该频段可在指定的条件下供一种或多种地面或空间无线电通信业务或射电天文业务使用。射电天文radioastronomy基于接收源于宇宙无线电波的天文学。危害无线电导航或其他安全业务的正常运行，或严重地损害、阻碍或一再阻断按规定正常开展的无线电通信业务的干扰。频谱共用spectrumsharing两个或多个无线电业务使用同一频率范围无线电频谱的状态。功率密度powerdensity在垂直于电磁波传播方向的横截面内每单位面积的发送功率。2功率谱密度spectralpowerdensity单位带宽的功率密度(3.1.6)。3.2缩略语下列缩略语适用于本文件。RAS:射电天文业务(radioastronomyservice)RFI:射频干扰(radiofrequencyinterferencVLBI:甚长基线干涉测量(verylongbaselineinterferometry)4电磁环境保护技术要求4.1保护门限来自广播、电视、移动通信等无线电发射机的干扰值，以及来自工业、科学和医疗设备的辐射干扰值，落入射电望远镜口面的干扰信号峰值应低于给定的有害干扰门限。对于单口径射电望远镜的连续谱和谱线观测模式，有害干扰门限功率值应为射电望远镜接收噪声功率的10%;对于阵列天线和干涉仪(如VLBI)观测模式，有害干扰门限功率值应为接收机噪声功率的1%。有害干扰门限值计算方法见附录A。4.2允许的数据损失在RAS以主要业务划分的频段内，集总干扰导致的RAS累计数据损失不应超过5%,或任何一个干扰导致的RAS数据损失不应超过2%作为干扰评估门限。5频谱共用方法射电天文地面观测台站可以采用频谱共用方法，以保障与RAS同频段或相邻频段无线电业务之间共存，建议但并不限于的频谱共用方法见附录B。6电磁环境保护测量条件6.1测量环境测量场地的温度、相对湿度、气压等应在当地年平均值的90%～110%范围内。如因特殊需求，需在特殊天气或极端天气(如雷雨等)下进行测量时，应在测量结果中注明。测量地点应选择空旷的测量场地，测量天线主瓣方向上50m范围内没有大型遮挡物。天线架设位置能代表场址周边地貌总体情况，避免选择测量场地最低处或最高处。如因特殊需要，需在测量场地中最低处或最高处等极端位置测量，应在测量结果中注明。6.2测量设备测量设备应符合GB/T6113.101的规定，并能满足测量方案的要求。测量设备应经计量部门检定3合格或校准，并在有效周期内。测量天线满足下列条件：a)测量天线或天线组应完全覆盖测量频率范围；b)对于1GHz频率以下电磁环境的测量，宜使用全向天线，可使用方向性天线对信噪比小于6dB的信号进行复测；对于1GHz频率以上的电磁环境测量，宜使用方向性天线；c)使用全向天线测量时，测量天线在水平面增益的变化应小于或等于6dB;使用方向性天线测量时，天线需要在水平面内360°扫描测量，每次测量方位角间隔应不超过天线的3dB波束宽度。对于在测量场地内的其他有源设备，应保持关机状态。测量系统灵敏度计算方法见附录C。7电磁环境保护测量方法7.1测量频率范围根据射电望远镜观测频段确定电磁环境测量频率范围。测量频段范围应完全覆盖射电望远镜的观测频段。7.2测量方法7.2.1测量点选取对拟建的射电天文地面台站，测量点宜选择在拟建设射电望远镜的位置。对已建设的射电天文地面台站，在条件允许的情况下，测量点宜选择距离射电望远镜口面边缘100m之内的最近位置。测量系统连接示意图如图1所示。12标引序号说明：1——测量天线；2—-低噪声放大器；3——测量接收机或频谱仪；4——计算机。图1测量系统连接示意图测量系统由测量天线、低噪声放大器及测量接收机或频谱仪和计算机构成，各部分由电缆连接，其4中计算机用于控制接收机测量和数据处理。各测量设备接入稳定电源并正确接地。如测量地点附近存在广播、公共移动通信基站等相邻频段大功率台站，可在低噪声放大器前端加装滤波器。减少冗余辅助测量设备。在测量实验室对测量系统及其辅助设备(如供电设备等)自身电磁辐射进行测量，或在电磁宁静环境中对测量系统进行自测，以避免影响电磁环境测量结果。7.2.3测量系统校准测量前应对测量系统的噪声温度和增益进行校准，并将校准结果包含在测量结果的记录中。天线架设高度为2m,在测量天线垂直极化和水平极化两种方式下分别旋转360°进行测量。7.2.4.2采用全向天线测量采用全向(无方向性)天线测量时，无须设置测量指向，应进行不少于8次测量。前后两次测量间隔时间应不少于2h,对同一频段的测量应至少覆盖忙时(工作日当地时间8点～18点)和闲时(忙时以外时间段)。7.2.4.3采用方向性天线测量测量步骤如下。a)架设方向性天线，天线指向北方，设置测量设备。b)确定测量方位，相邻测量方位角间隔不应超过天线3dB波束宽度；测量方位角，应包括最靠近测量地点人口中心的方向。c)每个测量方位的测量，应在水平极化和垂直极化两种方式下分别进行不少于2次测量。前后两次测量间隔时间应不少于2h,对同一频段的测量应至少覆盖忙时(工作日当地时间8点~18点)和闲时(忙时以外时间段)。根据当地情况选择测量时段，适当兼顾相关无线电业务忙7.3测量报告测量结果以谱线显示，横坐标为频率，纵坐标为功率谱密度，绘制信号平均值、最大值和最大保持值曲线。每个测量结果对应一个天线极化方式和一个测量方位。根据测量结果，绘制频段占用百分比条形图，并说明判据。测量报告应包含以下信息：a)测量系统的灵敏度；b)天线、低噪声放大器、馈线及接收机或频谱分析仪等测量设备的型号、数量、校准等信息；c)测量场地的经纬度、海拔高度；e)测量结果及功率谱密度计算过程；f)测量步骤；g)如需增加测量次数，给出相应的说明，增加测量的结果与正常测量结果在报告中区分描述；h)测量人员签字；i)其他需要注明的信息。5GB/T42557—2023(资料性)射电望远镜有害干扰保护门限计算方法射电天文观测的灵敏度，是指单位频率的最小噪声功率变化值△P。此变化值由辐射计测出。灵敏度的计算见公式(A.1):△P——单位频率的最小噪声功率变化值，单位为瓦特每赫兹(W/Hz);P——单位频率的噪声功率，单位为瓦特每赫兹(W/Hz);△f——频率带宽，单位为赫兹(Hz);t——积分时间，单位为秒(s)。P和△P可以采用玻耳兹曼常数k和噪声温度表示，见公式(A.2):式中，玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K。因此，灵敏度公式表示为公式(A.3):式中：TA——宇宙环境、地球大气和地球辐射的最小天线噪声温度，单位为开尔文(K);TR——接收机噪声温度，单位为开尔文(K);T——系统噪声温度，单位为开尔文(K);△T——最小系统噪声温度的变化值，单位为开尔文(K)。公式(A.1)或公式(A.3)可用于计算射电天文观测的灵敏度。表A.1和表A.2列出了连续谱观测和谱线观测在假设观测(或积分)时间t为2000s时的有害干扰门限。在表A.1(连续谱观测)中，假设△f为所划分的射电天文频段带宽。在表A.2(谱线观测)为一个谱线系统的典型频道带宽(对应于3km/s的速度)。干扰门限功率△P,表征的是在测量△P(或△T)时引入10%的误差，单位为瓦特(W),见公△PH=0.1△P△f…………(A.4)表A.1和表A.2给出的干扰门限功率为△P的对数值，单位为分贝瓦特(dBW)。为便于估算，在干扰到达的方向上，天线增益和全向天线相同，天线有效面积为c²/(4πf²),单位为平方米(m²),其中c为光速，c=3×10⁸m/s;f为频率，单位为赫兹(Hz)。功率密度Sn△f[dB(W/m²)]的对数值由△P的对数值加上20lgf-158.5得到。其中f为频率，单位为赫兹(Hz)。功率谱密度SH的对数值，由SH△f的对数值减去10lg△f得到，单位为分贝(瓦特每平方米赫兹){dB[W/(m²·Hz)]}。表A.1和表A.2所示的灵敏度和有害干扰门限是根据假设的2000s的积分时间计算的。在天文观测中实际使用的积分时间范围很广。使用单口径射电望远镜(非干涉阵列)进行连续谱观测时，2000s积6分时间能获得典型的高质量观测。在进行谱线观测时，通常使用较长的积分时间提高接收机灵敏度以观测微弱的谱线，很多时候观测时长持续数小时。因此2000s积分时间并非谱线观测的普遍情况，更有代表性的积分时间是10h。如积分时间为10h,有害干扰门限值将比表A.2给出的值高6dB。随着接收机性能的提高，如果在30GHz以上频段降低10K的噪声温度，则接收机灵敏度便会带来约6dB的提升。表A.1和表A.2给出的干扰门限适用于主动发射或无用发射的地面干扰源。表A.1和表A.2所示的有害干扰功率密度和功率谱密度基于射电天文望远镜天线增益为0dBi的旁瓣情况，视为干扰未进入天线主瓣的一般干扰门限。在干涉仪和阵列(如VLBI)中，若射电望远镜间隔足够大，使相关干扰的机会很小则不易受到干扰。这种情况下不适用于上述计算方法。允许的干扰功率要低于接收机噪声功率的1%,以防止在测量宇宙信号幅度时出现严重错误。表A.3给出了典型VLBI观测的有害干扰门限。需要强调的是，大型干涉仪和阵列的采用一般仅限于对离散高亮源的研究，对VLBI而言，此离散高亮源的角度范围要低于1”的十分之几。表A.1和表A.2中的结果适用于对射电源做更多的一般性研究，适用于一般的射电天文保护。表A.1射电天文连续谱观测的有害干扰门限频率fMHz带宽△fMHz最小天线噪K接收机噪声K系统灵敏度有害干扰门限最小系统噪声温度的变化值△TmK单位频率的最小噪声功率变化值△PdB(W/Hz)功率密度dB(W/m²)dB[W/(m²·Hz)0.0550000-222-185-201-24825.610.12-229-188-199-249-247-195-196-2582.952.73-254-199-194-25962.73-254-205-196-264325.30.87-259-201-189-258408.050.96-259-203-189-25560.73-260-202-185-2530.095-269-207-183-2620.095-269-205-180-2550.16-267-207-181-2510.16-267-214-179-2532672.50.16-267-209-181-25426950.16-267-207-177-2477GB/T42557—2023表A.1射电天文连续谱观测的有害干扰门限(续)频率f*MHz带宽△fMHz最小天线噪K接收机噪声K系统灵敏度有害干扰门限最小系统噪声温度的变化值△TmK单位频率的最小噪声功率变化值△P功率密度功率谱密度SHdB[W/(m²·Hz)]7干扰门限的计算基于本列所示的中心频率。’假设积分时间为2000s;若使用的积分时间为15min、1h、2h、5h或10h,则表中的相关值分别做如下调给出的干扰功率适用于测量一台天线收到的总功率。如计算对地静止轨道卫星发射产生的干扰，其产生的功率密度宜比表中给出的保护门限再严格15dB。8表A.2射电天文谱线观测的有害干扰门限频率fMHz谱线带宽△fMHz最小天线噪声温度TA°K接收机噪声温度Tg⁴K系统灵敏度有害干扰门限最小系统噪声温度的变化值△TmK单位频率的最小噪声功率变化值△Pf功率△PH*功率密度dB[W/(m²·Hz)]3所划分射电天文频段的中心频率或谱线频率(见表A.1)。b假设或划分的带宽(见表A.1)或用于谱线观测的假设典型频道带宽。最小天线噪声温度由电离层、地球大气和地球辐射构成。一套用于高灵敏度射电天文观测的典型接收机噪声温度。利用合并的天线和接收机噪声温度、所列带宽和2000s积分时间，按公式(A.1),计算得到，以毫开尔文(mK)计量的总系统灵敏度。与脚注e相同，但所用公式为△P=k△T,以噪声功率谱密度表示，其中玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K。表中的实际值为△P的对数值。被认为对高灵敏度观测有害的接收机输入端功率(△Pn)。它以干扰功率形式表示，此功率在测量△P时引入了不超过10%的误差；△Ph=0.1△P△f。表中的实际值为△Pn的对数值。某谱线信道内的功率密度，用来在带有全向接收天线的接收系统内产生一个△P的功率，表中数值为Sa△f的对数值。某谱线信道内的功率谱密度，用来在带有全向接收天线的接收系统内产生一个△P的功率，表中数值为SH的对数值。9表A.3VLBI观测的有害干扰门限MHz有害干扰功率谱密度SHdB[W/(m²·Hz)](资料性)射电望远镜频谱共用方法B.1地理隔离地理隔离是通过地理上足够的隔离保护距离，使两个或多个业务系统能共用频谱，也即确保产生干扰的发射机和收到干扰的接收机之间的距离，不会造成有害干扰损害。射电天文台站可以根据计算隔离距离建立无线电宁静区/协调区，以保护RAS不受同频段或邻频段无线电台的RFI。B.2时间分隔时间分隔是使工作于同频段或相邻频段的两种或多种业务系统在时间上错开，以避免或减小不同业务系统间的RFI。B.3功率限制功率限制是对某种业务台站的发射设定限值(如功率密度)以保护RAS不受其干扰。为保护RAS,同频段和相邻频段业务到达RAS频段内的功率密度限值不能超过RAS干扰门B.4天线优化优化天线辐射特性，降低旁瓣和后瓣增益。优化天线指向，在干扰信号方向上调整天线增益到最小，或将天线方向图零点对准干扰信号方向。GB/T42557—2023(资料性)电磁环境测量系统灵敏度计算方法对于天线指向地面水平方向的单天线测量系统，带宽为△f的信号在有效面积A的天线端口产生的功率Ps和天线口面的功率密度S的关系见公式(C.1):……………(C.1)式中：Ps——天线接收功率，单位为瓦特(W);S——天线口面的功率密度，单位为瓦特每平方米(W/m²);A——天线有效面积，单位为平方米(m²);△f——带宽，单位为赫兹(Hz)。如测量带宽为△fm,系统噪声温度为T,则天线端口的噪声功率P。的计算见公式(C.2):Pn=kT△fm………(C.2)式中：Pa——天线端口的噪声功率，单位为瓦特(W);k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23,单位为焦耳每开尔文(J/K);T——系统噪声温度，单位为开尔文(K);△fm——测量带宽，单位为赫兹(Hz)。假设信号带宽△f与测量带宽△fm基本相等，信噪比为1,则得到公式(C.3):…………(C.3)式中：D——天线方向性系数，无量纲；λ——信号波长，单位为米(m),并满足c=λf,其中f为信号的频率，单位为赫兹(Hz),c为光代入公式(C.3),得到系统灵敏度S,的计算公式(C.5):……………(C.5)公式(C.5)即测量系统的系统灵敏度计算公式。在射电天文中，还能延长积分时间以提高系统灵敏度，见公式(C.6):……………(C.6)式中：t——积分时间，单位为秒(s);GB/T42557—2023△f——带宽，单位为赫兹(Hz)。公式(C.6)即灵敏度与积分时间的关系式，以对数和常用参数单位表示，并考虑到天线增益，见公式(C.7)和公式(C.8):G=10lgDŋS=-294