【前沿】Starlink系統(tǒng)對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾分析

Starlink系統(tǒng)對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾分析

文 | 劉帥軍、徐帆江、劉立祥、王大鵬（中國科學(xué)院軟件研究所，天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）李偉（國家無線電監(jiān)測中心）

2021年2月16日，SpaceX公司發(fā)射第20批代號為Starlink19的60顆衛(wèi)星，且下一批次衛(wèi)星定于3月2日發(fā)射。Starlink發(fā)射進(jìn)程自2021年始顯著加快，然而也導(dǎo)致了對地球同步軌道GSO衛(wèi)星系統(tǒng)更大的干擾。前述文章中對Starlink容量、時(shí)延及接入?yún)f(xié)議等進(jìn)行了分析，本文則重點(diǎn)關(guān)注Starlink系統(tǒng)對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾情況，因此問題是當(dāng)前所有低軌星座能否獲得頻率授權(quán)的關(guān)鍵問題。

截止2021年03月01日，Starlink已發(fā)射20批次共計(jì)1143顆星，在軌正常運(yùn)行的衛(wèi)星為1081顆，發(fā)射歷程如下表所示：

表1 StarLink發(fā)射歷程表（截止2021-03-01）

注1：發(fā)射時(shí)間指北京當(dāng)?shù)貢r(shí)間，即國際協(xié)調(diào)時(shí)UTC+0800；

注2：本文對在軌衛(wèi)星分析的數(shù)據(jù)參考時(shí)間為2021-03-01 15:00.

正常在軌運(yùn)行的衛(wèi)星軌道高度分布如下圖所示：

 圖1 Starlink各批次發(fā)射正常在軌運(yùn)行衛(wèi)星的個(gè)數(shù)

第一批次Demo版本60顆衛(wèi)星，僅剩13顆在軌（失效47顆，失效率78.3%）。相比而言，正式版本的1083顆衛(wèi)星尚有1068顆衛(wèi)星（失效15顆，失效率1.39%）。

在軌運(yùn)行衛(wèi)星相對空間位置分布如下圖所示：

 圖2 Starlink衛(wèi)星軌道面內(nèi)相位角及升交點(diǎn)赤經(jīng)RAAN分布

上圖可看出，當(dāng)前Starlink已較為均勻的填充滿36個(gè)軌道面，且已開始進(jìn)一步加密。

Starlink第一期星座采用了Ku、Ka頻率，與現(xiàn)有地球同步軌道GSO衛(wèi)星不可避免發(fā)生同頻干擾。而Starlink衛(wèi)星與終端間采用何種工作模式，將使得GSO系統(tǒng)受到干擾程度大不相同。為此，分析Starlink三種工作模式下GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾情況：

1、最大隔離角度（maxIA）：Starlink終端選擇與GSO衛(wèi)星最大隔離角的Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信。

2、最大仰角（maxEl）：Starlink終端選擇具有最大站星仰角的Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信。

3、多星工作（Iall）：Starlink終端與所有可視約束下的Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信。

Starlink三種工作模式及其對GSO系統(tǒng)的干擾情形，如下圖所示：

 圖3 Starlink衛(wèi)星對GSO地球站干擾模式示意圖

仿真分析的場景主要參數(shù)如下：

仿真場景如下圖所示： 

圖4 Starlink-1584星座與GSO系統(tǒng)干擾分析場景圖

（紅點(diǎn)-Starlink衛(wèi)星；綠框-GSO衛(wèi)星；紫叉-GSO/Starlink地球共站部署）

Starlink系統(tǒng)采用最大仰角工作模式下，對GSO地球站干擾時(shí)間百分比如下圖所示：

 圖5 Starlink-1584最大仰角模式對GSO地球站干擾時(shí)間百分比分布圖

maxEl模式下并未考慮對GSO系統(tǒng)的干擾規(guī)避，也造成了干擾時(shí)間百分比較大。干擾百分比最大的區(qū)域位于經(jīng)度差較大的兩個(gè)側(cè)翼區(qū)域（即圖中紅色區(qū)域標(biāo)識處），最大有近0.4%的干擾時(shí)間百分比。原因在于此處Starlink地球站與最大仰角Starlink衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，通信鏈路與共站址部署的GSO地球站-GSO衛(wèi)星通信鏈路空間角度較小，從而使得對GSO地球站干擾較大。北緯30度以上區(qū)域基本沒有干擾，這是由于該區(qū)域通信鏈路與GSO通信鏈路角度較大。

在采用最大隔離角度maxIA工作模式下，Starlink系統(tǒng)在保證自身系統(tǒng)工作情況下，最大程度降低對GSO系統(tǒng)（本場景為GSO地球站）的干擾。仿真結(jié)果顯示，所有區(qū)域的終端均低于干擾閾值。這主要是由于Starlink星座空間段衛(wèi)星數(shù)量多，可見衛(wèi)星通常可達(dá)7-20顆（詳見《Starlink星座覆蓋與時(shí)延分析》圖4），maxIA模式下通信鏈路與GSO通信鏈路保持了較大的隔離角度。

最后，考慮來自Starlink所有可視衛(wèi)星的干擾情形Iall，如下圖所示：

 圖7 Starlink-1584多星工作模式對GSO地球站干擾時(shí)間百分比分布圖

干擾最嚴(yán)重的區(qū)域可達(dá)到2.40%的時(shí)間百分比，也就意味著1天內(nèi)有34.6 min（1年內(nèi)有8.8天）的干擾超過閾值。主要是因?yàn)镾tarlink在空間分布非常密集，始終有較多Starlink衛(wèi)星與GSO通信鏈路隔離角度較小，導(dǎo)致了集總干擾非常大。需知此情況是最極端的情況，雖然實(shí)際上Starlink正常不會以此方式工作，然其潛在的可行干擾結(jié)果不可不察。

以東經(jīng)60北緯15度地球站為觀測點(diǎn)，分析24h三種工作模式下Starlink系統(tǒng)對GSO地球站干擾變化如下圖所示：

 圖8 Starlink-1584多星工作模式對GSO地球站干擾時(shí)間百分比分布圖

上圖可看出，三種不同工作模式下對GSO地球站的干擾程度顯著不同，由小到大依次為maxIA、maxEl、Iall。其中，maxIA模式下I/N大多維持在-50.3~-33.9 dB， I/N不超過閾值（-12.2 dB）；maxEl模式下I/N大多維持在-49.0~-7.0 dB，有0.42%時(shí)間導(dǎo)致I/N超過閾值；Iall模式下I/N大多維持在-42.9~-6.9 dB，有0.52%時(shí)間導(dǎo)致I/N超過閾值。

Starlink星座由于與GSO采用了相同的Ku/Ka頻率，也不可避免的會導(dǎo)致對GSO系統(tǒng)的干擾，而ITU現(xiàn)行規(guī)則的是高軌GSO優(yōu)先。頻率軌位作為低軌星座運(yùn)行最重要的物理資源，如何不超過對GSO系統(tǒng)的干擾閾值是各星座關(guān)注的重點(diǎn)，如一網(wǎng)OneWeb提出漸進(jìn)傾斜的干擾規(guī)避方案。區(qū)別于OneWeb的固定高橢圓波束，Starlink采用星載多點(diǎn)跳波束，加上空間段更為密集的部署，可通過更大角度隔離實(shí)現(xiàn)GSO系統(tǒng)干擾規(guī)避。

最大仰角工作MaxEl作為典型工作機(jī)制，Starlink-1584顆星座便已對GSO系統(tǒng)產(chǎn)生了超過干擾閾值，可斷定Starlink系統(tǒng)不會采用該模式；而通過最大隔離角度接入下可保證干擾不超過閾值，隨著更大規(guī)模星鏈星座部署，雖然會有來自更多Starlink衛(wèi)星的輻射干擾，然終端也會獲得更多可接入衛(wèi)星選擇機(jī)會，從而使得角度隔離策略下可獲得更大的干擾規(guī)避增益，對GSO系統(tǒng)的具體干擾情形有待進(jìn)一步論證。

本文對Starlink第一期主星座為研究對象，對該星座與高軌GSO系統(tǒng)的干擾情況進(jìn)行了分析?？偨Y(jié)而言，大致有如下結(jié)論：

· Starlink星座的端星接入策略，對GSO系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾至關(guān)重要。

 · Starlink星座系統(tǒng)在提供服務(wù)時(shí)，必須考慮其對GSO系統(tǒng)的干擾規(guī)避，否則將產(chǎn)生過大的干擾時(shí)間比例；

· Starlink可充分利用星載跳波束技術(shù)，通過選擇合適的衛(wèi)星為終端服務(wù)，可規(guī)避對GSO系統(tǒng)的干擾。

在上述工作基礎(chǔ)上，我們后續(xù)將重點(diǎn)針對如下三方面開展工作：

（1）結(jié)合更多ITU相關(guān)規(guī)則，分析包括干擾功率譜密度PFD、EPFD等指標(biāo)；

（2）結(jié)合Starlink干擾規(guī)避策略，進(jìn)一步分析Starlink系統(tǒng)容量、時(shí)延等性能指標(biāo)。

（3）Starlink星座潛在軍事用途探討與分析。