“星鏈”衛(wèi)星威脅及分析

毋曉鶴，林 夏，尹艷偉，楊 昭

（中國(guó)人民解放軍63893 部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

“星鏈”（Starlink）是美國(guó)太空服務(wù)公司SpaceX 正在構(gòu)建的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，計(jì)劃用其取代傳統(tǒng)的地面通信設(shè)施，為全球提供寬帶、低延遲且價(jià)格優(yōu)惠的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)［1］。 “星鏈”系統(tǒng)由高度在540～570 km的LEO 星座和高度在340 km 左右的VLEO 星座，以及地面控制站、網(wǎng)關(guān)站和用戶終端組成。根據(jù)公開(kāi)資料，“星鏈”系統(tǒng)LEO 星座計(jì)劃發(fā)射4 408 顆衛(wèi)星，VLEO 星座計(jì)劃發(fā)射7 518 顆衛(wèi)星，截至2022 年11 月在軌衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)3 453 顆。

考慮到“星鏈”系統(tǒng)接近12 000 顆的在軌衛(wèi)星規(guī)模、不受主權(quán)國(guó)家控制的接入服務(wù)，國(guó)際社會(huì)普遍擔(dān)憂其潛在的軍事用途，比如用作低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)、低軌衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)、低軌動(dòng)能武器系統(tǒng)［2-3］。尤其是可搬移式“星鏈”終端在俄烏沖突中的大規(guī)模應(yīng)用，更顯示了“星鏈”系統(tǒng)的軍事價(jià)值［4］。有分析認(rèn)為，“星鏈”系統(tǒng)很可能步“銥星”后塵，打著民用的幌子最終建設(shè)成為一個(gè)龐大的軍事應(yīng)用系統(tǒng)［5］。截至目前，SpaceX 一方面聲稱(chēng)“星鏈”面向全球提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，另一方面明確將中俄排除在外。此外，有報(bào)道稱(chēng)中國(guó)臺(tái)灣省與“星鏈”計(jì)劃有合作關(guān)系［6-7］。

本文通過(guò)分析“星鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)，仿真計(jì)算其通信支持能力，研究分析空域壓制、空域跟蹤瞄準(zhǔn)等干擾對(duì)抗方法的可行性及條件，為應(yīng)對(duì)“星鏈”衛(wèi)星現(xiàn)實(shí)和未來(lái)威脅提供參考。

1 “星鏈”系統(tǒng)通信支持能力

“星鏈”系統(tǒng)星座計(jì)劃如表1—2 所示［8-9］。根據(jù)AGI 官方網(wǎng)站公開(kāi)的“星鏈”在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，仿真運(yùn)行“星鏈”系統(tǒng)星座模型，結(jié)果如圖1 所示。可以看出，“星鏈”系統(tǒng)基本上在540～570 km 和340 km 左右高度的低軌織就了2 張密不透風(fēng)的“網(wǎng)”。本節(jié)從時(shí)間域和空間域上就“星鏈”系統(tǒng)對(duì)某地區(qū)覆蓋情況進(jìn)行分析，以表明其通信支持能力，闡釋其對(duì)各類(lèi)作戰(zhàn)行動(dòng)的威脅。

圖1 “星鏈”系統(tǒng)星座運(yùn)行仿真

表1 “星鏈”系統(tǒng)LEO 星座參數(shù)

表2 “星鏈”系統(tǒng)VLEO 星座參數(shù)

1.1 單星覆蓋能力分析

根據(jù)SpaceX 官方數(shù)據(jù)，“星鏈”系統(tǒng)LEO 星座衛(wèi)星軌道高度約為550 km，可在距視軸最遠(yuǎn)44.85°的范圍內(nèi)提供服務(wù)，由此可計(jì)算其單星地面覆蓋半徑約為573.5 km，用戶終端和網(wǎng)關(guān)可以最低40°的仰角與衛(wèi)星進(jìn)行通信，如圖2 所示。

圖2 “星鏈”系統(tǒng)LEO 星座衛(wèi)星覆蓋情況

VLEO 星座衛(wèi)星軌道高度約為335.9 km，可在距視軸最遠(yuǎn)51.09°的范圍內(nèi)提供服務(wù)，由此可計(jì)算其單星地面覆蓋半徑約為435 km，用戶終端和網(wǎng)關(guān)可以最低35°的仰角與衛(wèi)星進(jìn)行通信，如圖3 所示。

圖3 VLEO 星座衛(wèi)星覆蓋情況

1.2 時(shí)空域覆蓋能力分析

基于2023 年1 月份衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，利用仿真計(jì)算“星鏈”系統(tǒng)對(duì)某地區(qū)（T 區(qū)）的覆蓋品質(zhì)因數(shù)可知，“星鏈”系統(tǒng)能夠?qū) 區(qū)提供24 h 通信服務(wù)，最多同時(shí)覆蓋衛(wèi)星數(shù)達(dá)13 顆，最少同時(shí)覆蓋衛(wèi)星數(shù)為1 顆，平均同時(shí)覆蓋衛(wèi)星數(shù)量在4 顆左右。通過(guò)仿真分析，能夠得到13 顆“星鏈”衛(wèi)星同時(shí)覆蓋T 區(qū)的覆蓋時(shí)刻表，如表3 所示。隨著“星鏈”入軌衛(wèi)星數(shù)量持續(xù)增加，同時(shí)可服務(wù)衛(wèi)星個(gè)數(shù)也會(huì)變化。

根據(jù)SpaceX 官方數(shù)據(jù)，以“星鏈”用戶終端最大可視角110°（VLEO 星座）仿真可知能夠服務(wù)T 區(qū)的“星鏈”衛(wèi)星實(shí)時(shí)軌跡，計(jì)算得到其對(duì)T 區(qū)最大可服務(wù)空域范圍（LEO 軌道）半徑約為730.81 km，面積約為1 677 849.7 km2（虛線包圍部分），如圖4 所示。

圖4 “星鏈”衛(wèi)星對(duì)T 區(qū)最大可服務(wù)空域范圍

2 “星鏈”干擾方法研究

2.1 干擾空域覆蓋

由于“星鏈”用戶終端數(shù)量多、分布廣，對(duì)“星鏈”衛(wèi)星下行鏈路干擾成本高、難度大，因此主要研究對(duì)其上行鏈路的干擾方法。從空域覆蓋角度看，對(duì)“星鏈”衛(wèi)星上行鏈路的干擾方法可分為空域壓制干擾和空域跟蹤瞄準(zhǔn)干擾。

空域壓制干擾通過(guò)多部干擾機(jī)的干擾波束覆蓋拼接，實(shí)現(xiàn)對(duì)T 區(qū)上空“星鏈”系統(tǒng)可服務(wù)空域的完全覆蓋，特點(diǎn)在于對(duì)某一固定空域進(jìn)行壓制干擾，無(wú)需精確跟蹤運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。圖5 給出了空域壓制干擾的示意圖，其中黃色虛線代表對(duì)T 區(qū)最大可服務(wù)空域范圍，紅色實(shí)現(xiàn)代表單部干擾機(jī)照射到對(duì)應(yīng)軌道高度的波束。

圖5 空域壓制干擾示意圖

典型對(duì)星干擾裝備一般采用拋物面天線，干擾輻射波束寬度2θ0.5與天線口徑D的關(guān)系為：

式中，λ為波長(zhǎng)，最佳照射情況下常數(shù)因子k可取典型值70。在“星鏈”衛(wèi)星上行鏈路頻率取Ku 頻段14.25 GHz，衛(wèi)星軌道高度550 km，干擾設(shè)備拋物面天線口徑分別為0.6 m、2.4 m、3.7 m、6.2 m 條件下，計(jì)算可得采用區(qū)域拼接空域壓制干擾法干擾T 區(qū)上空“星鏈”系統(tǒng)所需干擾裝備數(shù)量，如表4 所示?？傮w來(lái)講，所需干擾機(jī)數(shù)量較多。天線口徑越小，所需干擾裝備數(shù)量越少，但是對(duì)干擾機(jī)功率要求越高?？梢?jiàn)，空域壓制干擾雖然無(wú)需精確跟蹤衛(wèi)星，技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其需要較多的干擾設(shè)備，成本高，實(shí)施困難。

表4 不同天線口徑與天線波束關(guān)系

一種更加可行的干擾方法是空域跟蹤瞄準(zhǔn)干擾。跟蹤瞄準(zhǔn)干擾指的是干擾裝備跟蹤瞄準(zhǔn)單顆過(guò)頂衛(wèi)星實(shí)施干擾。由前面分析可知，T 區(qū)上空同時(shí)可服務(wù)“星鏈”衛(wèi)星數(shù)量最多為13 顆。因此，理論上最多只需13 套干擾裝備一對(duì)一瞄準(zhǔn)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)T 區(qū)“星鏈”通信服務(wù)支持的徹底切斷。這種方法要求干擾裝備具備精確的偵察、空域跟蹤能力。

2.2 干擾功率需求分析

數(shù)字通信系統(tǒng)干擾效果一般用誤碼率Pe來(lái)度量，通常當(dāng)Pe≥0.2 時(shí)判定干擾有效［10］。誤碼率與歸一化信噪比的關(guān)系為：

式中，Eb為每單位比特信息能量，no為單位頻帶噪聲功率。設(shè)“星鏈”終端有效全向輻射功率為EIRPE，干擾裝備有效全向輻射功率為EIRPJ，上行鏈路傳播損耗為L(zhǎng)U，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線增益為GRS，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收系統(tǒng)饋線損耗為L(zhǎng)FRS，大氣損耗為L(zhǎng)a，則衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的信噪比為：

式中，TS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端等效噪聲溫度，BS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)帶寬，PJ為干擾信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的干擾功率。信噪比與歸一化信噪比的關(guān)系為：

式中，ES為符號(hào)能量，對(duì)于M進(jìn)制符號(hào)，則ES=Eblog2M；R′為符號(hào)速率；R為比特速率，R=R′log2M；B為接收系統(tǒng)等效帶寬。

“星鏈”用戶終端到“星鏈”衛(wèi)星的上行鏈路頻率范圍為14.0～14.5 GHz，可實(shí)現(xiàn)20～40 Mbps 的上行傳輸速率。下面分析對(duì)“星鏈”上行鏈路實(shí)施有效干擾所需的干擾功率。在LEO 軌道（550 km），Ku 頻段（14.25 GHz）條件下，仿真了不同干擾帶寬時(shí)，干擾裝備EIRP 與星鏈系統(tǒng)誤碼率的關(guān)系。假設(shè)T 區(qū)某“星鏈”用戶終端，坐標(biāo)（23.8°N，120.9°E），與經(jīng)T 區(qū)上空的Starlink-1948“星鏈”衛(wèi)星進(jìn)行通信。“星鏈”用戶終端發(fā)射機(jī)功率10 W，天線增益33 dB，數(shù)據(jù)速率20 Mbps，中心頻率14.25 GHz，調(diào)制樣式BPSK，干擾裝備坐標(biāo)（25.2°N，119.1°E）。根據(jù)式（2）—（5），仿真計(jì)算干擾裝備分別采用20 MHz、500 MHz 兩種干擾帶寬，“星鏈”系統(tǒng)誤碼率與干擾裝備EIRP 的關(guān)系如圖7 所示。由圖7 可知，20 MHz 干擾帶寬條件下，當(dāng)干擾裝備EIRP 大于0.12 MW 時(shí)，“星鏈”系統(tǒng)誤碼率大于0.2，被有效干擾；500 MHz 干擾帶寬條件下，當(dāng)干擾裝備EIRP 大于1.5 MW 時(shí)，“星鏈”系統(tǒng)誤碼率大于0.2，被有效干擾。

圖7 不同干擾帶寬條件下干擾機(jī)EIRP 與“星鏈”系統(tǒng)誤碼率關(guān)系圖

根據(jù)拋物面天線增益Gt（單位dBi）、天線口徑D、EIRP、發(fā)射機(jī)功率Pt的關(guān)系：

計(jì)算0.6 m 和6.2 m 拋物面天線產(chǎn)生有效干擾所需的干擾裝備發(fā)射機(jī)功率，如表5 所示。由表5 可知，由于拋物面天線增益較大，在對(duì)“星鏈”衛(wèi)星進(jìn)行干擾時(shí)對(duì)干擾裝備發(fā)射機(jī)功率要求不高，一定程度上表明了對(duì)抗裝備研制的可行性。

表5 不同口徑拋物面天線有效干擾所需發(fā)射機(jī)功率

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從時(shí)空覆蓋等方面分析了“星鏈”衛(wèi)星的通信支持能力，研究了區(qū)域拼接空域壓制、空域跟蹤瞄準(zhǔn)等干擾方法，計(jì)算了不同干擾帶寬、天線口徑條件下有效干擾所需的功率、干擾裝備數(shù)量要求等，可為應(yīng)對(duì)“星鏈”威脅提供參考。