Starlink對我國GEO衛(wèi)星通信下行鏈路的時域干擾分析

龔力瑋 呂蓉 劉恒

(1 南京信息工程大學 電子與信息工程學院,南京 210044)(2 國防科技大學第六十三研究所,南京 210007)

近年來,隨著小衛(wèi)星制造和發(fā)射技術的迅猛發(fā)展,以美國Starlink[1]星座和英國OneWeb[2]星座為代表的寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)迎來了新一波高速發(fā)展浪潮[3-4]。美國SpaceX公司推出的Starlink計劃是目前為止發(fā)展最為迅速的低軌通信星座系統(tǒng)[5]。從Starlink向國際電聯(lián)(ITU)申報的衛(wèi)星網(wǎng)絡資料來看,其主要申報的頻率資源集中在Ku/Ka頻段[6],而Ku/Ka頻段也是GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的主用頻段。目前,在該頻段運行著大量的GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)[7]。

目前在軌運行的衛(wèi)星已經(jīng)均勻布滿36個軌道,第一期Starlink衛(wèi)星(共1584顆)[8]采用了Ku和Ka頻率,我國GEO衛(wèi)星通信饋電鏈路也采用Ka頻率,所以Starlink一期星座與我國GEO衛(wèi)星通信不可避免地產(chǎn)生了同頻干擾。因此,研究Starlink星座對我國GEO衛(wèi)星的干擾情況是很有必要的,本文針對單顆Starlink衛(wèi)星和Starlink星座在Ka頻段對我國GEO衛(wèi)星通信饋電鏈路下行時域干擾問題進行理論分析和仿真驗證,希望能為Starlink星座對我國的影響分析提供理論參考。

目前已有的對于Starlink星座對GEO通信下行鏈路的研究和仿真還處于初步階段,文獻[9]分析了Starlink星座的端星接入策略對GSO系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾影響,并以干噪比(I/N)和接收端等效功率通量密度(EPFD)為評價指標,仿真驗證了干擾情況和緯度的關系,仿真結(jié)果Starlink一期星座對低緯度地區(qū)的GSO通信下行鏈路會產(chǎn)生嚴重的有害干擾;在此基礎上,文獻[10]以干噪比和干擾時間百分比為評價指標,分別仿真驗證了Starlink星座在最大隔離角度(maxIA)、最大仰角(maxEl)、多星工作(Iall)三種工作模式下,GSO通信下行鏈路中GSO地面信關站(60°E,15°N)受到的干擾程度的不同,由小到大依次為maxIA、maxEl、Iall,其中,maxIA模式下I/N不超過閾值(-12.2dB);maxEl模式下有0.42%時間I/N超過閾值,Iall模式下有0.52%時間I/N超過閾值。但是已有的文獻中仿真參數(shù)不詳細,選取的地面信關站也不具體,因此需要對干擾場景進行完善,而且已有的研究大多是關于下行鏈路中的不同地面信關站的同頻干擾分布情況,以及不同模式下,GSO地面信關站受到的干擾程度分析,缺少不同數(shù)量Starlink衛(wèi)星對下行鏈路中同一地面信關站的時域干擾研究,無法精準地體現(xiàn)出特定GEO地面信關站在一天內(nèi)不同時刻的干擾變化情況以及干擾時間段。因此,為了減少Starlink星座對我國GEO衛(wèi)星通信的威脅,亟需進行Starlink星座對我國特定GEO衛(wèi)星通信下行鏈路的時域干擾研究,仿真驗證出目前Starlink一期星座對我國特定GEO衛(wèi)星通信下行鏈路的干擾時間段和實時干擾情況,從而更有針對性地減少GEO通信系統(tǒng)受到的干擾影響。

Starlink星座采用了多種干擾規(guī)避技術,以確保衛(wèi)星系統(tǒng)之間的頻率兼容。文獻[11]在綜合闡述Starlink星座的構(gòu)型設計以及頻率資源使用的基礎上,挖掘凝練了Starlink星座采用的8種干擾規(guī)避技術。其中包括:地球站高仰角操作技術,衛(wèi)星分集技術,高定向地球站波束技術,衛(wèi)星天線相控陣技術,功率控制技術,高頻段技術,自適應調(diào)制編碼技術,星間鏈路技術,文獻[9]深入分析了Starlink星座的端星接入策略對GSO系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾影響。

Starlink星座的干擾規(guī)避措施中,地球站高仰角操作技術、衛(wèi)星分集技術與端星接入策略是通過優(yōu)化選星策略來規(guī)避干擾,高定向地球站波束技術適用于規(guī)避Starlink地球站對GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上行擾;衛(wèi)星天線相控陣技術通過調(diào)整天線指向來規(guī)避干擾;功率控制技術通過控制Starlink地球站接收端的EPFD和Starlink星座的EIRP來減小干擾;高頻段技術通過將用頻需求轉(zhuǎn)向Q/V甚至E頻段來規(guī)避對GEO衛(wèi)星的干擾;自適應調(diào)制編碼技術通過動態(tài)選擇調(diào)制和編碼方案來實現(xiàn)抗干擾的目的;星間鏈路技術則是通過空中組網(wǎng)將干擾嚴重的業(yè)務通信轉(zhuǎn)移到鄰近衛(wèi)星來減小潛在的共線干擾。目前,星間鏈路和Q/V頻段尚未大規(guī)模應用于Starlink一期衛(wèi)星上。

本文對Starlink星座潛在用途進行了探討與分析,需具有前瞻性和預測性,分析最壞情況下來自Starlink星座的惡意干擾。在考慮最大干擾的前提下,Starlink星座經(jīng)過目標干擾區(qū)域時,會采用Iall端星接入策略,天線波束指向為對地視場,并與GEO地面信關站工作在同頻段。因此,本文對上述場景進行了建模仿真,并結(jié)合ITU相關規(guī)則與Starlink的功率控制技術,分析了GEO地面信關站接收端的EPFD是否超過限值。

綜上,本文首先建立了下行場景下Starlink一期星座與我國GEO衛(wèi)星(98°E,0)通信的饋電鏈路干擾模型;通過Matlab采集STK(Satellite Tool Kit)仿真數(shù)據(jù)分析了一天內(nèi)每一時間段的可見星數(shù)目;計算了EIRP(等效全向輻射功率)等電磁參數(shù);仿真分析了單星和多星干擾情況下,GEO地面信關站接收信號的實時載干比(C/I),以及一天內(nèi)的干擾時間百分比;將Beijing站接收端的EPFD以及多個地區(qū)GEO地面信關站接收端的EPFD與ITU限值進行了比較;并在原仿真環(huán)境的基礎上,采取了增加接收天線直徑的措施以降低干擾時間百分比,使其達到衛(wèi)星系統(tǒng)干擾保護標準。為我國對Starlink星座的威脅分析和后續(xù)的處置手段提供參考。

1 Starlink星座系統(tǒng)下行干擾建模與計算

自2019年5月24日Starlink衛(wèi)星首次發(fā)射,之后發(fā)射次數(shù)愈發(fā)密集,發(fā)射數(shù)量也逐步增加,截止2023年7月,Starlink衛(wèi)星已發(fā)射共計4769顆衛(wèi)星,在軌衛(wèi)星數(shù)量3848顆,本文選取Starlink一期星座1584顆衛(wèi)星進行建模與仿真。

要分析Starlink星座對我國特定GEO衛(wèi)星(98°E,0)通信的下行干擾特性,首先要對干擾場景進行建模。圖1為Starlink衛(wèi)星對GEO地面信關站的下行干擾模型,圖中實線箭頭表示我國GEO衛(wèi)星下行通信鏈路,即“GEO衛(wèi)星-GEO地面信關站”鏈路;窄虛線箭頭表示Starlink衛(wèi)星對GEO地面信關站的干擾鏈路;寬虛線部分表示衛(wèi)星天線的波束范圍,波束指向地面信關站,GEO天線半波束寬度為5°,Starlink衛(wèi)星天線半波束寬度為44.85°。地面信關站仰角為大于15°,天線指向GEO衛(wèi)星。圖中:d為GEO地面信關站與GEO衛(wèi)星之間的距離;di為GEO地面信關站與第i個Starlink衛(wèi)星之間的距離,單位為m;φi為衛(wèi)星i波束指向方向與受擾地球站和該衛(wèi)星連線的夾角;θi為接收天線指向衛(wèi)星i較波束中心指向的偏差。

圖1 Starlink衛(wèi)星對GEO地面信關站的下行干擾Fig.1 Downlink interference of Starlink to GEO earth signal station

由于Starlink衛(wèi)星始終圍繞著地球高速運動,其衛(wèi)星軌道相對于地面信關站也是運動的,所以一天內(nèi)每一時刻地面信關站的可見衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星相對于地面信關站的運行速度、衛(wèi)星與地面信關站的相對位置都不同,這就導致Starlink星座對GEO下行鏈路的干擾是時變的[12]。為了分析Starlink星座對GEO的下行干擾,設置仿真周期為2021-03-27T06:14:00(UTC)至2021-03-28T06:14:00(UTC),利用STK對仿真周期內(nèi)的每個時間段進行采樣仿真,從而得到周期內(nèi)C/I的數(shù)據(jù)變化圖。

為了計算Starlink星座干擾場景下GEO下行通信鏈路的載干比,要分別計算GEO地面信關站的接收信號功率和GEO地面信關站對Starlink星座干擾信號的接收功率。如圖1所示,GEO地面信關站接收來自GEO衛(wèi)星的有效信號,當GEO地面信關站與GEO衛(wèi)星進行通信時,會不可避免地接收到一部分Starlink衛(wèi)星的干擾信號,我們將之視為對GEO地面信關站的干擾信號。

GEO地面信關站的接收信號功率為

PC=Pn1×GR(0)×Lpc

(1)

GEO地面信關站的接收干擾功率為

(2)

式中:PC為GEO地面信關站的接收信號功率;PI為GEO地面信關站的接收干擾功率;Pn1為GEO衛(wèi)星信號等效全向輻射功率(EIRP);Pn2為Starlink衛(wèi)星信號的EIRP;GR(θi)為GEO地面信關站接收天線偏離主軸θ度角的接收天線增益;Lpc和LPi分別為GEO衛(wèi)星和第i個Starlink衛(wèi)星的自由空間損耗,單位為dBW;N為Starlink的衛(wèi)星數(shù)目。

由式(1)和(2),可得接收信號載干比為

(3)

式中:C為接收信號載波功率,I為干擾信號功率。

在理論研究中,對于有效載波信號和干擾信號在傳播路徑中的損耗,一般采取衰減最小的自由空間損耗模型,其表達公式為

(4)

式中:fc為GEO衛(wèi)星的載波頻率;fs為Starlink衛(wèi)星的載波頻率,單位為Hz;λc為GEO衛(wèi)星的載波波長;λs為Starlink衛(wèi)星的載波波長,單位為m。

式(2)中,在接收天線指向較波束中心指向的偏差小于3dB波束寬度的情況下,天線因指向引起的增益損失可以用下式來估計

(5)

式中:G為GEO地面信關站主軸接收天線增益;θi為接收天線指向衛(wèi)星i較波束中心指向的偏差;θ3dB為3dB波束寬度。

在實驗中,若要探究載干比C/I與天線直徑的關系,可將式(5)化為

(6)

式中:D為GEO地面信關站接收天線直徑;f為接收頻率;λ為接收波長;η為天線效率。

在實驗中,采取載波干擾比(C/I)作為評估Starlink衛(wèi)星對GEO地面信關站干擾程度的指標。首先,對于數(shù)字地面蜂窩系統(tǒng)的評判標準,我國的全

球移動通信(GSM)系統(tǒng)、美國的IS-54系統(tǒng)和日本的個人數(shù)字蜂窩(PDC)系統(tǒng)為了保證絕大多數(shù)地區(qū)和絕大部分時間的通信質(zhì)量,都要求載干比不得小于9dB,即C/I≥9dB[13-15]。

考慮到衛(wèi)星通信系統(tǒng)復雜的鏈路情況和更高的通信要求,在工程應用中要加3～4dB的余量,一般認為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中載干比要不小于13dB,即C/I≥13dB[16-17]。

因此,采取C0/I0=13dB為GEO下行鏈路的所能承受的干擾門限值。

地面信關站接收端的EPFD計算公式為

(7)

式中:E為地面信關站接收端的EPFD,單位為dB/(W/m2);Pi為第i顆Starlink衛(wèi)星的發(fā)射功率,單位為dBW;di為GEO地面信關站與第i個Starlink衛(wèi)星之間的距離,單位為m。GR(φi)為第i顆Starlink衛(wèi)星上波束在受擾地球站方向上的發(fā)射增益。

2 干擾仿真分析

為了評估Starlink星座對我國國防安全的威脅,本項目擬采用仿真工具,對其軌道拓撲及通信鏈路進行理論分析,編程輸入仿真參數(shù),生成仿真場景,并對干擾結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 仿真參數(shù)設置

仿真建模的過程中,首先要完成Starlink星座系統(tǒng)的軌道拓撲構(gòu)建,Starlink一期星座的軌道參數(shù)如表1所示。本仿真采用Starlink一期部署的模型,共1584顆衛(wèi)星。完成Starlink的軌道拓撲建模后,還要構(gòu)建如圖1所示的下行通信鏈路干擾模型,Starlink衛(wèi)星、GEO衛(wèi)星、GEO地面信關站的下行鏈路仿真電磁參數(shù)如表2所示。可以看到,GEO衛(wèi)星和Starlink衛(wèi)星發(fā)射信號的中心頻率相差約100MHz,而GEO衛(wèi)星帶寬為1200MHz,所以二者存在相互干擾的可能。

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 仿真模型拓撲構(gòu)建

利用仿真軟件中生成Starlink一期星座,設置Beijing地面信關站位置(116.4°E,39.9°N)和GEO衛(wèi)星位置(98°E,0),并為Starlink衛(wèi)星、GEO衛(wèi)星添加發(fā)射機,為Beijing地面信關站添加接收機,構(gòu)成本文的仿真場景。仿真時長為1天,仿真步長為60s。單顆Starlink衛(wèi)星干擾拓撲模型圖和Starlink星座干擾拓撲模型如圖2和圖3所示。

圖2 單顆Starlink衛(wèi)星干擾模型Fig.2 Interference model of single Starlink satellite

2.3 干擾影響分析

2.3.1 分析干擾弧段

當兩顆衛(wèi)星同時落入地面信關站天線波束范圍內(nèi)時,可能會存在相互干擾,故分析干擾時段,即分析干擾衛(wèi)星對于地面信關站的可見性。對于下面分別計算單顆Starlink衛(wèi)星和Starlink星座對GEO地球站(Beijing站)的干擾時段。

對于單星干擾,已知GEO衛(wèi)星發(fā)射機信號對Beijing站接收機始終可見,若干擾衛(wèi)星發(fā)射機信號對Beijing站接收機可見,則存在干擾,故利用STK提供的Sensor組件能夠方便地計算出兩顆衛(wèi)星同時落入地面信關站天線波束的時段。圖4為一對一情況下,單星對GEO地面信關站的干擾時段。在一天的仿真周期內(nèi),共受到了8次干擾,每次干擾的時長為5min到10min不等。

圖4 單星干擾時段Fig.4 Interference period of single starlink satellite

對于Starlink星座,一天內(nèi)的任何時間均有衛(wèi)星對于GEO地面信關站可見,分析其對于GEO地面信關站的可見性可通過采集數(shù)據(jù),計算出一天內(nèi)各個時間段的GEO地面信關站可見衛(wèi)星數(shù),由采集到的數(shù)據(jù)可知,GEO地面信關站一天內(nèi)的可見Starlink衛(wèi)星數(shù)在47～54顆之間波動,可見衛(wèi)星數(shù)隨時間變化的情況如圖5所示。

圖5 Beijing站Starlink可見衛(wèi)星數(shù)Fig.5 Number of visible satellites of starlink to Beijing station

2.3.2 分析干擾時域特性

由于Starlink衛(wèi)星的運動性,衛(wèi)星分布相對于地面信關站是時變的,所以Starlink星座對GEO下行鏈路的干擾是時變的,本文采用載干比(C/I)作為評估干擾的指標,圖6、圖7分別為單星干擾場景下和多星干擾場景下的載干比隨時間變化曲線,仿真周期為2021-03-27T06:14:00(UTC)至2021-03-28T06:14:00(UTC)。

圖6 單星干擾場景下載干比Fig.6 Carrier interference ratio under single satellite

圖7 多星干擾場景下載干比Fig.7 Carrier interference ratio under starlink constellation interference scenario

如圖6、圖7所示,單星干擾場景下,僅在圖5所示的干擾波段(即時間段內(nèi))存在干擾,干擾波段內(nèi)的載干比(C/I)均大于閾值13dB,不屬于有害干擾的范疇;而多星干擾場景下,GEO通信系統(tǒng)在一天內(nèi)的任何時間都存在干擾,且在大量干擾波段內(nèi),載干比(C/I)大于閾值13dB,可以判定為有害干擾。為了研究Starlink星座對GEO地面信關站的干擾程度,圖8給出了Starlink星座干擾場景下GEO地面信關站接收載波干擾比超過閾值的時間百分比分布情況。

圖8 Beijing站接收載干比超過閾值的時間百分比分布圖Fig.8 Percentage distribution of time when receiving carrier-to-interference ratio exceeds threshold value at Beijing station

圖8中,GEO地面信關站一天內(nèi)受到來自Starlink星座的有害干擾時間占比為2.64%,即38min,未受干擾時間占比為97.36%,即23h22min,根據(jù)ITU-RS.1528的衛(wèi)星系統(tǒng)干擾保護標準,地面信關站接收到的干擾值C/I大于13dB的持續(xù)時間[18]不超過仿真周期的0.1%,仿真中Starlink星座對GEO通信系統(tǒng)的有害干擾時間占比遠遠超過了此干擾保護標準。

2.3.3 干擾時間百分比變化趨勢

為了盡可能消除Starlink星座對GEO地面信關站的干擾,在上文時間域威脅分析電磁環(huán)境下,改變地面信關站接收天線的直徑,變化范圍為0.9～9m,步進為0.5m;地面信關站接收天線的G/T值也由20dB/K逐步增加至40dB/K,對每一種接收天線直徑和G/T值條件下的干擾模型做時間域威脅分析,計算出其干擾時間百分比并繪制出不同接收天線直徑下Beijing站干擾時間百分比變化曲線,如圖9所示。

圖9 不同接收天線直徑下Beijing站干擾時間百分比變化圖Fig.9 Change of interference time percentage of Beijing station under different receiving antenna diameters

根據(jù)圖9,Beijing站所受的有害干擾時間百分比隨接收天線直徑的增大而不斷減小,表明隨著G/T值的提高,有害干擾的程度逐漸降低。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和分析,可以發(fā)現(xiàn),在接收天線直徑大于7.9m之后,GEO地面信關站一天內(nèi)所遭受的來自Starlink星座的有害干擾時間百分比不超過0.07%。這一結(jié)果符合ITU-RS.1528衛(wèi)星系統(tǒng)干擾保護標準的要求。

根據(jù)仿真結(jié)果顯示,在未采取有效抗干擾措施的情況下,GEO下行通信場景中所遭受的干擾時間占比和載波干擾比均未能達到ITU所規(guī)定的限制閾值,這對我國GEO衛(wèi)星與GEO地面信關站的下行通信造成了嚴重的有害干擾。為消除這種干擾,一種可行的方法是增大接收天線的尺寸。在本文的仿真環(huán)境下,要消除來自Starlink星座的干擾,需要接收天線的直徑大于7.9m,并且G/T值大于38.9dB。

2.3.4 地面信關站接收端EPFD分析

為了避免對GEO衛(wèi)星系統(tǒng)造成有害干擾,非靜軌道(NGSO)衛(wèi)星系統(tǒng)必須采取措施以符合ITU制定的等效功率通量密度(EPFD)的限值[19],如降低發(fā)射功率、調(diào)整天線指向角度等。在本文的Starlink星座干擾場景下,仿真得出Beijing站以及國內(nèi)20個同參數(shù)不同位置的GEO地面信關站接收端的EPFD(地面信關站選取范圍為3.5°N～54°N,73.5°E～135.5°E,間隔10°),并與EPFD的限值相比較(EPFD限值參考《無線電規(guī)則》中的表22-1C[19]),分析其累積分布函數(shù)(CDF),繪制出Beijing站等效功率通量密度累積分布曲線以及多地區(qū)GEO地面信關站等效功率通量密度累積分布曲線,如圖10、圖11所示。

圖10 Beijing站等效功率通量密度累積分布曲線Fig.10 Cumulative distribution curve of equivalent power flux density at Beijing station

圖11 多地區(qū)GEO地面信關站等效功率通量密度累積分布曲線Fig.11 Cumulative distribution curve of equivalent power flux density of multi-regional GEO ground signal stations

由圖10、圖11可以得知,Beijing站和多地區(qū)GEO地面信關站的EPFD累積分布曲線均在EPFD限值累積分布曲線左側(cè),即其EPFD主要分布于低于EPFD限值要求的區(qū)域,在本文場景下,若Starlink星座未采取特殊的干擾規(guī)避策略,Beijing站接收端的EPFD以及多地區(qū)GEO地面信關站接收端的EPFD均不能滿足ITU的限值要求。此場景為惡意干擾場景,對確定Starlink星座的惡意干擾效果具有重要參考價值。

此外,為了避免或降低Starlink星座對我國境內(nèi)通信衛(wèi)星信號的干擾,我們可以從以下幾個方面采取措施。

(1)從功率域出發(fā),增大接收天線直徑、提高通信衛(wèi)星EIRP都可以有效提高載干比,縮短載干比低于閾值的時間,降低干擾時間百分比,從而有效減輕時域干擾。

(2)從空間域出發(fā),在后續(xù)的研究中,我們將進行Starlink星座空間域影響分析,構(gòu)建Starlink星座干擾態(tài)勢系統(tǒng),分析Starlink星座對我國各區(qū)域的覆蓋特性,并根據(jù)各區(qū)域Starlink星座威脅程度的不同配置相應的處置措施。此外,國家應加強對Starlink星座運行狀態(tài)和位置的監(jiān)測和預警,及時發(fā)現(xiàn)和處理可能出現(xiàn)的干擾情況。

(3)從通信抗干擾技術出發(fā),可采用更先進的調(diào)制解調(diào)技術、頻率跳變技術、加密技術等,增加Starlink星座干擾的成本和難度。

3 結(jié)束語

本文通過STK生成的仿真數(shù)據(jù),簡要分析了Starlink一代一期衛(wèi)星(1584顆)對我國GEO衛(wèi)星通信的時域干擾情況。同時本文還有以下幾點值得深入研究和改進之處:

(1)本文的仿真環(huán)境為Starlink一代一期衛(wèi)星(1584顆),考慮到Starlink衛(wèi)星數(shù)目在迅速增加,可以根據(jù)需求進一步增加仿真中的衛(wèi)星數(shù)量,完善仿真模型。

(2)本文研究的是Starlink在特定用途中可能產(chǎn)生的有害干擾,目前,Starlink在我國境內(nèi)不設有信關站,無法通過實驗進行復現(xiàn)。

(3)本文從時間域出發(fā),探討了Starlink對我國GEO衛(wèi)星通信造成的影響。未來研究將基于空間域和功率域,深入分析Starlink的干擾特征,并構(gòu)建Starlink干擾態(tài)勢系統(tǒng),評估不同地區(qū)、不同天線功率下Starlink對我國境內(nèi)衛(wèi)星通信的影響程度,為制定有效的應急措施提供參考。