非靜止軌道衛(wèi)星干擾與協(xié)調(diào)分析

戴成遠，李鵬，方華，郭昊

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044）

0 引言

近年來，隨著衛(wèi)星寬帶業(yè)務的快速發(fā)展，每年發(fā)射入軌的衛(wèi)星呈指數(shù)形式增長。傳統(tǒng)靜止軌道（Geosta-tionary Orbit，GSO）存在高時延、低吞吐量和傳輸損耗大等缺點，NGSO（Non-Geostationary Orbit）逐漸成為未來衛(wèi)星研究領域的重點[1]。國外許多衛(wèi)星通信公司都在致力于設計和研發(fā)NGSO衛(wèi)星星座，欲利用NGSO衛(wèi)星星座打造新的全球化衛(wèi)星組網(wǎng)。NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷增加，不僅會對同頻段的GSO衛(wèi)星系統(tǒng)、地面業(yè)務造成干擾，還會危及到其他同頻段的NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)[2]。因此，衛(wèi)星系統(tǒng)之間的干擾分析及協(xié)調(diào)是全球化衛(wèi)星組網(wǎng)建設的重要支持。

目前國際電聯(lián)針對衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾分析方法，只有關于GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的[3]，也形成了許多較為完善的干擾評價體系，例如INR（Interference Noise Ratio）、CIR（Carrier Interference Raitio）、EPFD（EquivalentPowerFlux-Density）、CDF（Cumulative Distribution Function）等相關時間或空間上數(shù)據(jù)指標。文獻[4]提出了基于動態(tài)衛(wèi)星星座的射頻干擾分析方法；文獻[5-6]分析了NGSO系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)共線干擾時，通過功率控制的方法對干擾進行協(xié)調(diào)；文獻[7-8]中提出了NGSO系統(tǒng)與GSO系統(tǒng)干擾時，通過設置角度禁區(qū)的方法，進行空間隔離。這些方法主要用于少數(shù)NGSO衛(wèi)星與GSO衛(wèi)星，分析I N，PFD等干擾物理量隨時間和空間的變化。針對大規(guī)模NGSO衛(wèi)星星座的特性，傳統(tǒng)方法分析NGSO星座系統(tǒng)間干擾變得極其復雜。本文深入研究了NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間干擾問題，采用衛(wèi)星鏈路夾角的分析方法，給出全球范圍內(nèi)NGSO星座間干擾分析方案，并提出動態(tài)空間隔離角的協(xié)調(diào)方法，驗證兩NGSO星座系統(tǒng)間干擾協(xié)調(diào)的可行性及有效性。為了合理地對Ka頻段資源進行開發(fā)使用，本文針對不同NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡在Ka頻段的干擾問題進行理論分析，希望能為國家未來NGSO衛(wèi)星星座頻譜資源建設和協(xié)調(diào)提供理論參考。

本文主要貢獻如下：提出了上行場景中NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路干擾模型，并給出干擾協(xié)調(diào)分析方案；對最壞情況下NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的上行干擾進行分析，通過鏈路夾角的方法分析NGSO星座系統(tǒng)間的有害干擾；設置空間隔離角，仿真結(jié)果表明空間隔離角適用于協(xié)調(diào)NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的有害干擾；提出全球范圍內(nèi)NGSO星座間干擾分析方法，并給出相關仿真驗證。

1 干擾模型分析

為了分析NGSO系統(tǒng)之間的干擾特性，首先需要對每個衛(wèi)星之間的鏈路進行建模。圖1展示了場景為兩衛(wèi)星系統(tǒng)上行鏈路干擾，圖中實線部分表示衛(wèi)星通信鏈路，虛線部分表示干擾鏈路。例如，衛(wèi)星1不僅可以接收到地面站1發(fā)射的有用信號，同時也會接收到地面站2發(fā)出的干擾信號。在衛(wèi)星通信業(yè)務中，地面站發(fā)射天線主波束始終與衛(wèi)星接收天線波束對齊，因此地面站2發(fā)射出的干擾信號對應的天線增益一般是由發(fā)射天線的旁瓣波束形成的。當衛(wèi)星1接收天線接收到的地面站2發(fā)射天線旁瓣波束干擾達到一定程度時將會對衛(wèi)星1通信造成影響。

圖1 上行干擾場景示意圖

NGSO衛(wèi)星軌道相對于地球處于高速運動狀態(tài)，從而導致NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡之間干擾與被干擾鏈路具有非固定且時變的特性。為了分析NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間干擾場景，采取快照方式進行仿真[2]。對每個時間節(jié)點數(shù)據(jù)進行快照采樣，統(tǒng)計整個仿真周期數(shù)據(jù)，得出I N累計變化數(shù)據(jù)。

2 干擾計算及協(xié)調(diào)方法

通常對兩衛(wèi)星星座系統(tǒng)進行干擾分析時，主要考慮新入衛(wèi)星系統(tǒng)是否會對已有衛(wèi)星系統(tǒng)通信造成干擾。在這種情況下，新入衛(wèi)星星座產(chǎn)生的干擾是否在已有衛(wèi)星通信業(yè)務能力承載范圍內(nèi)，當新入衛(wèi)星星座與原有衛(wèi)星星座使用相同頻段時，應該在保證新入衛(wèi)星通信質(zhì)量的同時，確保原有衛(wèi)星通信不受干擾。

圖1為上行干擾場景示意圖，假設衛(wèi)星1和地面站1為被干擾的衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星2和地面站2為干擾衛(wèi)星系統(tǒng)。當衛(wèi)星1和衛(wèi)星2同時出現(xiàn)在地面站可視范圍內(nèi)時，衛(wèi)星1接收到地面站2發(fā)射的干擾載波，其衛(wèi)星系統(tǒng)間干擾載波和系統(tǒng)噪聲比為：

式中：EIRP2=Gt2(θ1)+Pt2，Pt2為地面站2的發(fā)射功率，Gt2(θ1)為地面站2發(fā)射天線偏離主軸θ1度角的發(fā)射天線增益；Gr1(θ2)為衛(wèi)星1接收天線偏離主軸θ2度角的接收天線增益；d2為地面站2發(fā)射出的干擾鏈路距離；K為玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；T為衛(wèi)星接收機的系統(tǒng)噪聲溫度，單位為K；B為轉(zhuǎn)發(fā)器信道帶寬，單位為Hz。

根據(jù)《無線電規(guī)則》附錄[3]，當干擾衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)出的干擾信號對衛(wèi)星通信鏈路引起的噪聲溫度增量不超過6%時，則視為無害干擾，則不需要進行相關協(xié)調(diào)。

式中：ΔT為干擾鏈路對衛(wèi)星通信系統(tǒng)造成的等效噪聲增量；T為衛(wèi)星接收機的系統(tǒng)噪聲溫度。

轉(zhuǎn)化為相應的干擾噪聲比為：

因此，I0N0=-12.2 dB被視為衛(wèi)星通信鏈路能承受的干擾閾值。

在分析衛(wèi)星通信上行鏈路干擾時，不僅需要對衛(wèi)星系統(tǒng)間干擾信號強度進行分析，而且當衛(wèi)星接收到的干擾信號超過閾值時，如何對干擾信號協(xié)調(diào)是未來研究的重點。本文列出以下幾種協(xié)調(diào)方案：

1）功率控制。當衛(wèi)星接收到的干擾達到閾值時，可選擇增大衛(wèi)星地面站發(fā)射功率或者降低干擾衛(wèi)星地面站的發(fā)射功率。增大衛(wèi)星地面站發(fā)射功率時不僅會相應提高鏈路性能，也可能會干擾同頻段的其他衛(wèi)星鏈路；而降低干擾衛(wèi)星地面站發(fā)射功率，則會一定程度影響到干擾衛(wèi)星系統(tǒng)的正常通信業(yè)務。

2）關閉傳輸。對某一固定位置地面站，當NGSO衛(wèi)星接收到的干擾達到閾值時，將其中一衛(wèi)星系統(tǒng)波束關閉傳輸，避免衛(wèi)星系統(tǒng)間共線干擾，但也間接導致覆蓋區(qū)信號的中斷。

3）空間隔離角。在地面站上行波束產(chǎn)生的干擾達到干擾閾值時，自動切換到可視范圍內(nèi)的其他衛(wèi)星組成鏈路，針對NGSO多星特性，這種方法也更適合NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾協(xié)調(diào)。

本文通過NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間鏈路夾角分析衛(wèi)星信號INR，選擇空間隔離角作為協(xié)調(diào)干擾的方法，分析空間隔離角在NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的可用性。

3 空間隔離角分析

在兩衛(wèi)星系統(tǒng)地面站重合的極端情況下，由于衛(wèi)星軌道高度的不同，當兩衛(wèi)星與地面站處于一條直線位置時，則被視為共線干擾。共線干擾嚴重影響到正常的衛(wèi)星通信業(yè)務，因此在即將達到共線干擾的同時，需進行相應的干擾協(xié)調(diào)，而對于兩衛(wèi)星地面站重合的極端情況也必然適用于兩衛(wèi)星地面站不同址的其他情況。如圖2所示，當兩衛(wèi)星系統(tǒng)地面站同址時，鏈路夾角隨著衛(wèi)星空間位置的變化而變化。

圖2 空間隔離角

假設衛(wèi)星1的空間位置坐標矢量為S1(t)=(xa(t),ya(t),za(t))，衛(wèi)星2的空間位置坐標矢量為S2(t)=(xb(t),yb(t),zb(t))，地面站的空間位置坐標矢量為E(t)=(x(t),y(t),z(t))。θ為兩衛(wèi)星鏈路夾角，β為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的閾值夾角，也被稱為空間隔離角。

當θ≤β時，表示衛(wèi)星1接收的干擾信號超過干擾閾值，被視為有害干擾。

為了分析NGSO衛(wèi)星星座系統(tǒng)間干擾，對于某固定位置的地面站，設置地面站最低可視仰角，可見星座1的衛(wèi)星數(shù)目為m，星座2的衛(wèi)星數(shù)目為n，其組成的鏈路干擾組合為m×n，計算整個仿真周期內(nèi)每個采樣間隔地面站可見星座1與星座2所有衛(wèi)星鏈路之間的夾角θi，統(tǒng)計整個樣本數(shù)據(jù)中有害干擾（θi≤β）的個數(shù)t，其星座系統(tǒng)間有害干擾CDF為：

F值越大，表明星座系統(tǒng)受到的干擾越嚴重，根據(jù)《無線電規(guī)則》[3]干擾保護標準，制定合適的干擾協(xié)調(diào)方案，以保證衛(wèi)星通信業(yè)務的質(zhì)量。通過遍歷全球不同位置的地面站，得出全球范圍內(nèi)不同NGSO衛(wèi)星星座間有害干擾概率分布。

4 干擾仿真分析

模 擬NGSO星座間干擾仿真，以O3b星座[9-10]與SpaceX星座[11]為例，使用STK與Matlab軟件進行干擾仿真計算，分析SpaceX衛(wèi)星對O3b衛(wèi)星的上行干擾，仿真驗證了干擾分析與協(xié)調(diào)的可行性。

4.1 仿真參數(shù)設置

衛(wèi)星星座干擾分析過程中，從提交給FCC（Federal Communications Commission）的每個申請中詳細列出的鏈路預算示例中提取O3b衛(wèi)星和SpaceX衛(wèi)星的參數(shù)值。其中，O3b衛(wèi)星軌道高度為8 062 km，16顆在軌衛(wèi)星均勻分布在軌道傾角為0.1°的圓軌道，主要用于Ka/Ku頻段通信；SpaceX衛(wèi)星總數(shù)為1 600顆，軌道高度為1 150 km，軌道面數(shù)為32個，均勻分布在軌道傾角為53°的圓軌道。其余鏈路參數(shù)取值如表1所示。

表1 Ka頻段兩衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路參數(shù)

假設兩衛(wèi)星系統(tǒng)地面站重合，位于32.158°E，0°N的赤道位置。考慮到兩衛(wèi)星星下點軌跡時變特性，為保證仿真數(shù)據(jù)的準確性，本文將設置仿真時長為3 d，采樣間隔為10 s。

4.2 衛(wèi)星系統(tǒng)間干擾分析

由于NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)的運動特性，軌道相對地面站位置是時變的，在滿足星座系統(tǒng)地面站最低可視仰角，并非每個運行周期都可以建立起通信鏈路。SpaceX衛(wèi)星系統(tǒng)對O3b衛(wèi)星系統(tǒng)造成干擾的條件是O3b衛(wèi)星接收到來自地面站發(fā)射信號的同時，接收到SpaceX衛(wèi)星系統(tǒng)地面站發(fā)射的干擾信號。

在3 d仿真周期內(nèi)，共出現(xiàn)6次干擾，平均干擾時長約為14.77 min，如圖3所示。6次干擾信號的角度變化率充分體現(xiàn)出NGSO衛(wèi)星軌道的快速時變特性，其中第3次由于出現(xiàn)共線干擾，造成角度變化率偏大。

圖3 鏈路夾角變化率

地面站的參考天線方向圖根據(jù)ITU-RS.465-5建議書[12]，由式（1）計算，代入相關鏈路參數(shù)，SpaceX衛(wèi)星發(fā)射的干擾信號I N隨鏈路夾角的變化如圖4所示。

圖4 I N隨鏈路夾角的變化圖

參考式（3）中GSO衛(wèi)星系統(tǒng)干擾協(xié)調(diào)標準，由圖4可知，兩衛(wèi)星鏈路夾角閾值為4.707°，當鏈路夾角在0°~4.707°時，O3b衛(wèi)星接收到的干擾信號超過干擾保護標準視為有害干擾，應選擇相應的協(xié)調(diào)措施；反之，則不需要進行協(xié)調(diào)。

在NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間上行鏈路干擾場景中，通過未加空間隔離角與設置不同空間隔離角進行對比，目的是驗證設置空間隔離角對干擾信號的影響。圖5為無空間隔離角和空間隔離角為5°，7°，9°時I N的變化對比。結(jié)果顯示空間隔離角在一定程度上協(xié)調(diào)了上行干擾，而且隨著空間隔離角的增大，干擾協(xié)調(diào)效果有很大的提升，符合正常通信鏈路余量需求，證實空間隔離角對NGSO衛(wèi)星干擾協(xié)調(diào)是有效的。

圖5 I N的累積分布

在某一固定位置地面站，不同時刻可視O3b星座和SpaceX星座衛(wèi)星數(shù)目也是變化的，根據(jù)式（4），式（5）計算，得出SpaceX星座在固定地面站位置對O3b星座鏈路夾角的概率分布，如圖6所示。

圖6 星座系統(tǒng)間干擾概率

圖6中，星座系統(tǒng)間干擾概率是隨時間變化的，γ1表示固定位置地面站，衛(wèi)星星座2對衛(wèi)星星座1有害衛(wèi)星數(shù)目與可見衛(wèi)星數(shù)目之比；γ2表示衛(wèi)星星座1與衛(wèi)星星座2組成的有害鏈路夾角與總的夾角之比。仿真結(jié)果表明，不同時間節(jié)點干擾概率是不同的，在某些時間并未產(chǎn)生有害干擾。本文采用γ2進行有害干擾概率統(tǒng)計，加入星座系統(tǒng)組合特性，組合數(shù)據(jù)量加大，統(tǒng)計概率值降低。因此計算星座系統(tǒng)間干擾概率需統(tǒng)計大量數(shù)據(jù)進行均值計算，進一步減少計算誤差。

如圖7所示，在地面站0° N位置處O3b衛(wèi)星星座與SpaceX衛(wèi)星星座鏈路夾角為CDF，其對應最大I N值為37.58 dB。根據(jù)ITU-RS.1528的衛(wèi)星系統(tǒng)干擾保護標準，衛(wèi)星接收到的干擾值I N大于-12.2 dB的持續(xù)時間[13]不超過仿真周期的0.1%。由仿真結(jié)果顯示，有害干擾累積概率為0.31%，已超過了衛(wèi)星干擾保護標準，需要進行相關干擾協(xié)調(diào)。

圖7 星座間鏈路夾角累積分布

根據(jù)資料顯示，SpaceX星座是包含數(shù)千顆衛(wèi)星的大規(guī)模星座，可以實現(xiàn)對地的多重覆蓋?？紤]到樹木、建筑物等造成的信號阻塞，若按地面最低可視仰角為10°計算，設置空間隔離角。針對NGSO多星特性，在SpaceX地面站上行波束產(chǎn)生的干擾達到閾值時，自動與可視范圍內(nèi)的其他衛(wèi)星組成鏈路，避免對O3b衛(wèi)星通信造成有害干擾。

分析SpaceX星座與O3b星座間的干擾，遍歷全球范圍內(nèi)不同位置地面站，得到O3b星座接收到干擾的CDF如圖8所示。有害概率主要分布在中低緯度地區(qū)，隨著緯度的升高概率值增大，在中緯度地區(qū)概率最高，干擾概率分布累積值為1.822%，在南北緯54°~90°之間，O3b衛(wèi)星星座無法與地面站建立鏈路，因此不會產(chǎn)生有害干擾信號。

圖8 全球范圍內(nèi)有害干擾概率分布

5 結(jié)語

本文對Ka頻段NGSO衛(wèi)星星座系統(tǒng)間上行干擾進行分析。采用傳統(tǒng)GSO衛(wèi)星干擾保護標準，定義了NGSO星座間有害干擾概率和空間隔離角協(xié)調(diào)干擾指標。雖然NGSO單顆衛(wèi)星間干擾概率極低，但由于NGSO衛(wèi)星數(shù)目眾多且具有相對時變特性，造成星座系統(tǒng)間有害干擾加大，干擾分析難度也變得極其復雜?？臻g隔離角是否會影響到正常衛(wèi)星通信業(yè)務，是否適用于其他干擾場景，還需進一步的驗證。