Starlink星座對(duì)我國(guó)國(guó)土及周邊空間域影響分析

龔力瑋 呂蓉

(1 南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,南京 210044) (2 國(guó)防科技大學(xué)第六十三研究所,南京 210007)

Starlink星座是美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)于2015年計(jì)劃推出的一項(xiàng)通過(guò)低地軌道衛(wèi)星網(wǎng),第一階段部署1584顆衛(wèi)星,軌道高度為550km。2019年,SpaceX公司又提交申請(qǐng),準(zhǔn)備追加3萬(wàn)顆星鏈衛(wèi)星,“星鏈計(jì)劃”衛(wèi)星數(shù)量總計(jì)約4.2萬(wàn)顆[1]。Starlink星座提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。Starlink星座的目標(biāo)是為全球各地的消費(fèi)者提供低延遲、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)連接,尤其是那些目前缺乏或無(wú)法獲得可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的地區(qū)。

然而Starlink星座給許多國(guó)家地面的網(wǎng)絡(luò)安全和主權(quán)帶來(lái)了覆蓋影響。據(jù)報(bào)道,SpaceX宣布,Starlink星座現(xiàn)已對(duì)全球32個(gè)國(guó)家提供服務(wù),其中包括烏克蘭。這意味著“星鏈”可以繞過(guò)地面的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,直接向用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入,從而可能影響到其他國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)管控和監(jiān)管。

此外,Starlink星座也可能被用于軍事目的,為美國(guó)提供戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。例如,“星鏈”可以為美軍提供全球范圍內(nèi)的高速通信和數(shù)據(jù)傳輸,增強(qiáng)其指揮、控制、情報(bào)、偵察和監(jiān)視能力[2]。同時(shí),Starlink星座也可以作為一種反制手段,干擾或破壞其他國(guó)家的衛(wèi)星通信或?qū)Ш较到y(tǒng)。因此,“星鏈”的覆蓋影響是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。本文針對(duì)Starlink星座對(duì)我國(guó)大陸、臺(tái)海地區(qū)和臺(tái)灣省的覆蓋能力進(jìn)行了仿真分析,評(píng)估了其在不同地區(qū)的覆蓋水平。同時(shí),本文還考慮了Starlink星座對(duì)我國(guó)地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星下行鏈路的干擾影響,仿真計(jì)算了我國(guó)不同地區(qū)的地面信關(guān)站受到Starlink星座干擾的時(shí)間百分比,并繪制了可視化的態(tài)勢(shì)圖,探討了其對(duì)我國(guó)軍事通信的潛在影響。

目前已有的對(duì)于Starlink星座的空間域影響分析還處于初步階段,文獻(xiàn)[3]結(jié)合熱點(diǎn)地區(qū)的實(shí)際情況,利用STK仿真軟件,建立了目前已發(fā)射的星鏈衛(wèi)星星座模型,并選取了合適的覆蓋對(duì)象和品質(zhì)因數(shù),計(jì)算和分析了其覆蓋性能;在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[4]利用STK軟件建立了Starlink星座的覆蓋模型,對(duì)其在南北緯70°范圍內(nèi)的覆蓋能力進(jìn)行了定量分析,為評(píng)估星鏈星座的性能提供了一種有效的方法,對(duì)Starlink星座在不同地區(qū)的覆蓋情況進(jìn)行了詳細(xì)的比較,展示了星鏈星座在不同地區(qū)的覆蓋能力,并探討了其軍事應(yīng)用潛力,分析了其可以為軍事通信、導(dǎo)航、情報(bào)偵察等提供強(qiáng)大支撐的可能性和優(yōu)勢(shì)。然而,目前已有的空間域影響分析文獻(xiàn)只關(guān)注了覆蓋重?cái)?shù),缺乏對(duì)Starlink星座下行通信性能(如頻率、載干比、干擾等因素)的研究,例如文獻(xiàn)[5-6]中Starlink星座對(duì)地球同步軌道(GSO)衛(wèi)星系統(tǒng)饋電鏈路的下行同頻干擾分析,這些因素對(duì)于我國(guó)具體用頻設(shè)備的干擾非常重要。此外,缺乏結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)做可視化分析的案例,無(wú)法直觀地展示Starlink星座對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的覆蓋特性和干擾特性。因此,本文在對(duì)我國(guó)大陸、臺(tái)海地區(qū)和臺(tái)灣省進(jìn)行Starlink星座覆蓋分析的基礎(chǔ)上,還利用STK軟件的通信分析模塊,以載干比(C/I)和干擾時(shí)間百分比為指標(biāo),分析了Starlink星座對(duì)我國(guó)特定GEO衛(wèi)星和不同地面信關(guān)站下行通信的干擾,并結(jié)合GIS,繪制出了Starlink星座覆蓋特性和下行干擾特性的態(tài)勢(shì)圖,更為直觀地展示了Starlink星座對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的覆蓋特性和干擾特性。

綜上,本文首先建立了Starlink一期星座(1584顆)對(duì)我國(guó)大陸、臺(tái)海地區(qū)和臺(tái)灣省的覆蓋模型,以及對(duì)我國(guó)特定GEO衛(wèi)星和不同地面信關(guān)站的下行干擾模型;其次通過(guò)Matlab軟件采集STK仿真數(shù)據(jù)分析了一天內(nèi)的覆蓋特性數(shù)據(jù)和下行干擾數(shù)據(jù);計(jì)算了等效全向輻射功率(EIRP)等電磁參數(shù);最后結(jié)合GIS,繪制出可視化程度高的態(tài)勢(shì)圖,從多個(gè)角度分析了Starlink星座在軍事通信、導(dǎo)航、情報(bào)偵察等方面對(duì)我國(guó)安全所產(chǎn)生的影響,為我國(guó)后續(xù)的區(qū)域安全和應(yīng)對(duì)Starlink星座提供了有效參考。

1 Starlink星座部署情況與覆蓋模型

由于SpaceX獵鷹火箭的相對(duì)低成本和強(qiáng)大運(yùn)力,星鏈衛(wèi)星可以頻繁發(fā)射,每次發(fā)射可以搭載多達(dá)60個(gè)衛(wèi)星,截至2023年3月22日,Starlink星座在軌衛(wèi)星3293顆,占世界在軌航天器總數(shù)的近一半。本文選取Starlink一期星座共1584顆衛(wèi)星進(jìn)行建模與仿真。

要進(jìn)行Starlink星座對(duì)的空間域覆蓋分析,首先要對(duì)覆蓋場(chǎng)景進(jìn)行建模。根據(jù)官方數(shù)據(jù),Starlink衛(wèi)星Ku頻段天線覆蓋角度部署初期可能僅有25°,但最終會(huì)提高到40°,半錐角會(huì)達(dá)到44.85°[7],圖1為Starlink衛(wèi)星在軌道高度550km、覆蓋角度40°,覆蓋半錐角44.85°的覆蓋示意圖。

圖1 Starlink衛(wèi)星覆蓋示意圖Fig.1 Starlink satellite coverage diagram

由于Starlink一期星座采用了Ku和Ka頻率[8-9],與我國(guó)GEO衛(wèi)星下行通信頻段存在重疊[10],所以若GEO衛(wèi)星波束與Starlink衛(wèi)星波束相重疊,則存在Starlink星座對(duì)我國(guó)GEO衛(wèi)星下行通信的干擾。圖2為Starlink衛(wèi)星對(duì)GEO衛(wèi)星地面信關(guān)站的下行干擾模型。

圖2 Starlink衛(wèi)星對(duì)GEO地面信關(guān)站的下行干擾Fig.2 Downlink interference of Starlink satellite to GEO ground gateway station

2 Starlink星座覆蓋仿真與分析分析

針對(duì)Starlink星座對(duì)我國(guó)的空間域影響,本文使用STK和Arcgis兩種工具,對(duì)我國(guó)大陸區(qū)域、臺(tái)海區(qū)域、臺(tái)灣省進(jìn)行了Starlink星座覆蓋分析,并在GIS上繪制了態(tài)勢(shì)圖,對(duì)其進(jìn)行可視化分析。

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真建模的過(guò)程中,首先要完成Starlink星座系統(tǒng)的軌道拓?fù)錁?gòu)建,其次要設(shè)置Starlink衛(wèi)星天線覆蓋模型,并建立目標(biāo)覆蓋區(qū)域。Starlink一期星座的軌道參數(shù)如表1所示,最后要構(gòu)建如圖1所示的下行通信鏈路干擾模型,下行鏈路干擾仿真參數(shù)如表2所示。本仿真采用Starlink星座初期部署的模型,共1584顆衛(wèi)星。根據(jù)Starlink衛(wèi)星軌道高度特點(diǎn),仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為一天可以保證每顆衛(wèi)星基本實(shí)現(xiàn)回歸的效果,因此,設(shè)置仿真周期為協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)2021-03-27T06:14:00至2021-03-28T06:14:00。

廣泛性焦慮(generalized anxiety disorder,GAD)又稱慢性焦慮癥,主要表現(xiàn)為與現(xiàn)實(shí)不相符的持續(xù)痛苦、擔(dān)憂,患者警惕性增高易發(fā)脾氣,過(guò)分關(guān)注周?chē)h(huán)境或自身健康而不能放松下來(lái)。GAD的發(fā)病機(jī)制尚無(wú)確切的結(jié)論,遺傳因素可能是GAD的重要發(fā)病機(jī)制之一,有研究顯示廣泛性焦慮障礙患者和正常人的一級(jí)親屬患病風(fēng)險(xiǎn)率分別為19.5%和3.5%。對(duì)雙生子的研究也顯示,在同卵雙生子中,該病的共患率明顯高于異卵雙生子。

表1 Starlink一期星座軌道參數(shù)Table 1 Starlink Phase I orbital parameters

表2 下行鏈路干擾仿真參數(shù)Table 2 Downlink interference simulation parameters

2.2 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)表1的軌道參數(shù),利用Matlab軟件在STK仿真軟件中生成Starlink一期星座,并設(shè)置Starlink衛(wèi)星天線半錐角為44.85°;在我國(guó)(3°51′北～53°33′北,73°33′東～135°05′東)范圍內(nèi)建立覆蓋區(qū)域(覆蓋柵格經(jīng)緯度大小均為1°),共包含3213個(gè)覆蓋柵格。構(gòu)成本文的仿真場(chǎng)景。仿真時(shí)長(zhǎng)為1天,仿真步長(zhǎng)為60s。Starlink星座分布模型圖和Starlink衛(wèi)星天線覆蓋模型圖如圖3、圖4所示,Starlink星座對(duì)GEO衛(wèi)星的干擾模型圖如圖5所示。

圖3 Starlink星座分布模型Fig.3 Starlink constellation distribution model

圖4 Starlink衛(wèi)星天線覆蓋模型Fig.4 Starlink satellite antenna coverage model

圖5 Starlink星座干擾模型Fig.5 Interference model of starlink constellation

2.3 覆蓋仿真結(jié)果分析

本文首先分析了Starlink星座對(duì)我國(guó)境內(nèi)的覆蓋情況,重點(diǎn)關(guān)注了臺(tái)海區(qū)域和臺(tái)灣省的覆蓋效果,并繪制了3種指標(biāo)的態(tài)勢(shì)圖,分別是我國(guó)境內(nèi)、臺(tái)海區(qū)域、臺(tái)灣省的最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、被覆蓋時(shí)間占比和最大無(wú)覆蓋時(shí)段的時(shí)間間隔,其中,區(qū)域被覆蓋時(shí)間占比定義為區(qū)域被Starlink星座覆蓋的時(shí)間與仿真時(shí)長(zhǎng)之比;其次,本文對(duì)我國(guó)不同位置的GEO衛(wèi)星地面信關(guān)站受到Starlink星座下行通信干擾的情況進(jìn)行了分析,并利用Arcgis軟件繪制了我國(guó)不同區(qū)域的GEO衛(wèi)星地面信關(guān)站受到Starlink星座有害干擾時(shí)間占比的態(tài)勢(shì)圖。

2.3.1 我國(guó)大陸覆蓋情況

圖6為我國(guó)大陸各區(qū)域最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)態(tài)勢(shì)圖,圖7為我國(guó)大陸各區(qū)域被Starlink星座覆蓋的時(shí)間占比態(tài)勢(shì)圖,圖8為我國(guó)大陸各區(qū)域無(wú)覆蓋時(shí)段的最大時(shí)間間隔態(tài)勢(shì)圖。

圖6 我國(guó)大陸各區(qū)域最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)態(tài)勢(shì)圖Fig.6 Maximum number of visible satellites in various regions of mainland of China

圖7 我國(guó)大陸被覆蓋的時(shí)間占比態(tài)勢(shì)圖Fig.7 Proportion of time covered in mainland of China

如圖6所示,我國(guó)大陸的最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為4顆,最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為14顆。一個(gè)區(qū)域的最大可見(jiàn)Starlink星座衛(wèi)星數(shù)反映了該區(qū)域的Starlink星座服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,也反映了對(duì)該區(qū)域采取應(yīng)對(duì)措施的難度。顯然,對(duì)于最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為4顆的區(qū)域,采取應(yīng)對(duì)措施相對(duì)容易;而對(duì)于最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為14顆的區(qū)域,采取應(yīng)對(duì)措施將非常困難。

圖8 我國(guó)大陸無(wú)覆蓋時(shí)段的最大時(shí)間間隔態(tài)勢(shì)圖Fig.8 Maximum time interval situation map of uncovered period in mainland of China

如圖7所示,我國(guó)大陸絕大部分區(qū)域的覆蓋時(shí)間占比達(dá)到100%,只有少數(shù)區(qū)域存在覆蓋間隙,即無(wú)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)。Starlink星座在無(wú)衛(wèi)星覆蓋時(shí)進(jìn)行活動(dòng)的可能性很低。

圖8顯示了我國(guó)大陸各區(qū)域無(wú)覆蓋時(shí)段的時(shí)間間隔(最大值),即覆蓋間隙,也即無(wú)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)時(shí)段。這一時(shí)段越長(zhǎng),越有利于對(duì)Starlink星座的活動(dòng)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。然而,在1584顆Starlink衛(wèi)星的模型中,無(wú)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)時(shí)段的最大值僅為40s左右,并且隨著Starlink衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量和速度的增加,覆蓋時(shí)間占比會(huì)逐漸接近100%,無(wú)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)時(shí)段也會(huì)越來(lái)越短。

2.3.2 我國(guó)臺(tái)海區(qū)域覆蓋情況

圖9為臺(tái)海區(qū)域最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)態(tài)勢(shì)圖,圖10為臺(tái)海區(qū)域被Starlink星座覆蓋的時(shí)間占比態(tài)勢(shì)圖,圖11為臺(tái)海區(qū)域無(wú)覆蓋時(shí)段的最大時(shí)間間隔態(tài)勢(shì)圖。

圖9 臺(tái)海區(qū)域最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)態(tài)勢(shì)圖Fig.9 Maximum number of visible satellites in Taiwan Strait area

圖10 臺(tái)海區(qū)域被覆蓋的時(shí)間占比態(tài)勢(shì)圖Fig.10 Proportion of time covered by Taiwan Strait area

圖11 臺(tái)海區(qū)域無(wú)覆蓋時(shí)段的最大時(shí)間間隔態(tài)勢(shì)圖Fig.11 Maximum time interval situation map of uncovered period in Taiwan Strait area

由圖9可見(jiàn),臺(tái)海區(qū)域的衛(wèi)星可見(jiàn)性較高,最少可見(jiàn)4顆衛(wèi)星,最多可見(jiàn)9顆衛(wèi)星。由圖10可見(jiàn),臺(tái)海區(qū)域的衛(wèi)星覆蓋率也較高,大部分地區(qū)的覆蓋時(shí)間占比在90%至99%之間。圖11顯示了臺(tái)海區(qū)域的無(wú)覆蓋時(shí)段的時(shí)間間隔(最大值),大多數(shù)地區(qū)在0～40s之間。綜合上述3圖分析,釣魚(yú)島和赤尾嶼周邊地區(qū)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)具有較強(qiáng)的健壯性,但又由于其周邊無(wú)覆蓋時(shí)段的時(shí)間間隔最大,說(shuō)明其存在較長(zhǎng)的無(wú)服務(wù)時(shí)段,可以加以利用,對(duì)Starlink星座進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

2.3.3 臺(tái)灣省覆蓋情況

圖12為臺(tái)灣省最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)態(tài)勢(shì)圖,圖13為臺(tái)灣省被Starlink星座覆蓋的時(shí)間占比態(tài)勢(shì)圖,圖14為臺(tái)灣省無(wú)覆蓋時(shí)段的最大時(shí)間間隔態(tài)勢(shì)圖。

圖12 臺(tái)灣省最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)態(tài)勢(shì)圖Fig.12 Maximum number of visible satellites in Taiwan

圖13 臺(tái)灣省被覆蓋的時(shí)間占比態(tài)勢(shì)圖Fig.13 Trend map of time proportion covered in Taiwan

圖14 臺(tái)灣省無(wú)覆蓋時(shí)段的最大時(shí)間間隔態(tài)勢(shì)圖Fig.14 Maximum time interval situation map of uncovered period in Taiwan

根據(jù)上述三圖,我們可以發(fā)現(xiàn),臺(tái)灣省的最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為4～7顆之間,其覆蓋率為90%～99%,無(wú)覆蓋時(shí)段的時(shí)間間隔為0～40s。此外,臺(tái)北市和臺(tái)南市所在的區(qū)域可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)和覆蓋率都較低,臺(tái)北市所在的區(qū)域無(wú)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)時(shí)段也相對(duì)較長(zhǎng),這意味著對(duì)這些區(qū)域?qū)嵤㏒tarlink星座應(yīng)對(duì)措施的難度相對(duì)較低。

2.4 下行干擾仿真結(jié)果分析

本文采取載干比作為評(píng)估Starlink星座對(duì)GEO衛(wèi)星地面信關(guān)站干擾程度的指標(biāo)。我國(guó)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、美國(guó)的北美數(shù)字蜂窩(IS-54))系統(tǒng)和日本的個(gè)人數(shù)字蜂窩(PDC)系統(tǒng)等都規(guī)定載干比不得小于9dB,即C/I≥9dB[11-13]。考慮到衛(wèi)星通信系統(tǒng)復(fù)雜的鏈路情況和更高的通信要求,在工程應(yīng)用中要加3～4dB的余量,一般認(rèn)為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中載干比要不小于13dB,即C/I≥13dB[14-15]。因此,本文采取C0/I0=13dB為GEO下行鏈路的所能承受的干擾閾值。當(dāng)天線接收處載干比低于閾值13dB時(shí),視為Starlink星座對(duì)GEO衛(wèi)星下行通信產(chǎn)生了有害干擾。

結(jié)合Starlink星座的下行干擾分析與空間域影響分析,在我國(guó)境內(nèi)選取多個(gè)不同經(jīng)緯度的GEO信關(guān)站,分別對(duì)其進(jìn)行下行干擾仿真,計(jì)算出天線接收處載干比低于閾值13dB的時(shí)間百分比,并繪制態(tài)勢(shì)圖。圖15給出了我國(guó)境內(nèi)不同區(qū)域GEO信關(guān)站天線接收處載干比低于閾值13dB的時(shí)間百分比。

圖15 我國(guó)不同區(qū)域GEO地面信關(guān)站所受Starlink星座干擾時(shí)間百分比態(tài)勢(shì)圖Fig.15 Percentage of starlink constellation interference time to GEO ground gateway station in different regions of China

由圖15可知,我國(guó)境內(nèi)緯度越高的區(qū)域,地面信關(guān)站所受的有害干擾時(shí)間百分比越高,Starlink的干擾越強(qiáng),這個(gè)結(jié)論和2.3.1節(jié)中我國(guó)大陸覆蓋特性態(tài)勢(shì)圖的結(jié)論相符,采集到的數(shù)據(jù)顯示,Starlink一期星座在50°北左右的覆蓋數(shù)量、干擾能力達(dá)到峰值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合STK軟件生成的仿真數(shù)據(jù)和Arcgis軟件繪制的態(tài)勢(shì)圖,高度可視化地展示了Starlink一期星座對(duì)我國(guó)大陸、臺(tái)海區(qū)域和臺(tái)灣省的空間域干擾情況。從目前Starlink衛(wèi)星發(fā)射的規(guī)模和速度來(lái)看,在不久的將來(lái)就會(huì)達(dá)到對(duì)我國(guó)全境100%的覆蓋時(shí)間占比,伴隨著Starlink衛(wèi)星數(shù)量的增加,最大可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)會(huì)不斷增加,無(wú)覆蓋時(shí)段會(huì)不斷壓縮,最終歸零,我國(guó)對(duì)Starlink星座進(jìn)行應(yīng)對(duì)也將面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)?？紤]到Starlink星座的指揮、控制、情報(bào)、偵察和干擾能力過(guò)于突出,可以很好地支持美軍的自動(dòng)化指揮系統(tǒng)(C4ISR)的行動(dòng),其軍事能力在俄烏戰(zhàn)場(chǎng)上得到了充分實(shí)證,因此針對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)的區(qū)域作戰(zhàn)必須重視它的空間域影響。本文針對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域提供Starlink星座空間域干擾態(tài)勢(shì)圖作為參考,同時(shí)還有以下幾點(diǎn)值得深入研究和改進(jìn)之處:

(1)本文的仿真模型采用Starlink一期星座共1584顆衛(wèi)星,隨著Starlink衛(wèi)星的高頻次發(fā)射,會(huì)根據(jù)需求進(jìn)一步增加仿真中的衛(wèi)星數(shù)量,完善仿真模型;

(2)本文僅繪制了部分熱點(diǎn)地區(qū)的態(tài)勢(shì)圖,為了適應(yīng)實(shí)際反制需求,后續(xù)會(huì)結(jié)合時(shí)間域、空間域和功率域的研究?jī)?nèi)容,豐富態(tài)勢(shì)圖的參數(shù)和分布情況,并制作可交互的態(tài)勢(shì)軟件。