【前沿技術】Starlink系統對GSO衛星系統的幹擾分(fēn)析

文 | 劉帥軍、徐帆江、劉立祥、王大鵬（中國科學院軟件研究所，天基綜合信息系統重點實驗室）李偉（國家無線電監測中心） 

2021年2月(yuè)(yuè)16日，SpaceX公司發射第20批代号為(wèi)Starlink19的60顆衛星，且下(xià)一(yī)批次衛星定于3月(yuè)(yuè)2日發射。Starlink發射進程自2021年始顯著加快(kuài)，然而也(yě)導緻了(le)對地球同步軌道GSO衛星系統更大的幹擾。前述文章中對Starlink容量、時(shí)延及接入協議(yì)等進行了(le)分(fēn)析，本文則重點關(guān)注Starlink系統對GSO衛星系統的幹擾情況，因此問題是當前所有低(dī)軌星座能(néng)否獲得頻率授權的關(guān)鍵問題。

表1 StarLink發射曆程表（截止2021-03-01）

注1：發射時(shí)間(jiān)指北京當地時(shí)間(jiān)，即國際協調時(shí)UTC+0800；

注2：本文對在軌衛星分(fēn)析的數據參考時(shí)間(jiān)為(wèi)2021-03-01 15:00.

正常在軌運行的衛星軌道高度分(fēn)布如(rú)下(xià)圖所示：

圖1 Starlink各批次發射正常在軌運行衛星的個(gè)數

第一(yī)批次Demo版本60顆衛星，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顆衛星尚有1068顆衛星（失效15顆，失效率1.39%）。

在軌運行衛星相對空間(jiān)位置分(fēn)布如(rú)下(xià)圖所示：

Starlink衛星軌道面内相位角及升交點赤經RAAN分(fēn)布

上(shàng)圖可看出，當前Starlink已較為(wèi)均勻的填充滿36個(gè)軌道面，且已開始進一(yī)步加密。

 Starlink第一(yī)期星座采用了(le)Ku、Ka頻率，與現(xiàn)有地球同步軌道GSO衛星不可避免發生(shēng)同頻幹擾。而Starlink衛星與終端間(jiān)采用何種工作(zuò)模式，将使得GSO系統受到幹擾程度大不相同。為(wèi)此，分(fēn)析Starlink三種工作(zuò)模式下(xià)GSO衛星系統的幹擾情況：

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

 2、最大仰角（maxEl）：Starlink終端選擇具有最大站(zhàn)星仰角的Starlink衛星進行通信。

 3、多星工作(zuò)（Iall）：Starlink終端與所有可視(shì)約束下(xià)的Starlink衛星進行通信。

 Starlink三種工作(zuò)模式及其對GSO系統的幹擾情形，如(rú)下(xià)圖所示：

圖3 Starlink衛星對GSO地球站(zhàn)幹擾模式示意圖

仿真分(fēn)析的場(chǎng)景主要參數如(rú)下(xià)：

仿真場(chǎng)景如(rú)下(xià)圖所示： 

圖4 Starlink-1584星座與GSO系統幹擾分(fēn)析場(chǎng)景圖

（紅(hóng)點-Starlink衛星；綠(lǜ)框-GSO衛星；紫叉-GSO/Starlink地球共站(zhàn)部署）

Starlink系統采用最大仰角工作(zuò)模式下(xià)，對GSO地球站(zhàn)幹擾時(shí)間(jiān)百分(fēn)比如(rú)下(xià)圖所示：

圖5 Starlink-1584最大仰角模式對GSO地球站(zhàn)幹擾時(shí)間(jiān)百分(fēn)比分(fēn)布圖

maxEl模式下(xià)并未考慮對GSO系統的幹擾規避，也(yě)造成了(le)幹擾時(shí)間(jiān)百分(fēn)比較大。幹擾百分(fēn)比最大的區域位于經度差較大的兩個(gè)側翼區域（即圖中紅(hóng)色區域标識處），最大有近0.4%的幹擾時(shí)間(jiān)百分(fēn)比。原因在于此處Starlink地球站(zhàn)與最大仰角Starlink衛星進行通信時(shí)，通信鏈路(lù)與共站(zhàn)址部署的GSO地球站(zhàn)-GSO衛星通信鏈路(lù)空間(jiān)角度較小，從而使得對GSO地球站(zhàn)幹擾較大。北緯30度以上(shàng)區域基本沒有幹擾，這(zhè)是由于該區域通信鏈路(lù)與GSO通信鏈路(lù)角度較大。 

在采用最大隔離角度maxIA工作(zuò)模式下(xià)，Starlink系統在保證自身(shēn)系統工作(zuò)情況下(xià)，最大程度降低(dī)對GSO系統（本場(chǎng)景為(wèi)GSO地球站(zhàn)）的幹擾。仿真結果顯示，所有區域的終端均低(dī)于幹擾阈值。這(zhè)主要是由于Starlink星座空間(jiān)段衛星數量多，可見衛星通常可達7-20顆（詳見《Starlink星座覆蓋與時(shí)延分(fēn)析》圖4），maxIA模式下(xià)通信鏈路(lù)與GSO通信鏈路(lù)保持了(le)較大的隔離角度。 

最後，考慮來(lái)自Starlink所有可視(shì)衛星的幹擾情形Iall，如(rú)下(xià)圖所示：

圖7 Starlink-1584多星工作(zuò)模式對GSO地球站(zhàn)幹擾時(shí)間(jiān)百分(fēn)比分(fēn)布圖

幹擾最嚴重的區域可達到2.40%的時(shí)間(jiān)百分(fēn)比，也(yě)就(jiù)意味着1天内有34.6 min（1年内有8.8天）的幹擾超過阈值。主要是因為(wèi)Starlink在空間(jiān)分(fēn)布非常密集，始終有較多Starlink衛星與GSO通信鏈路(lù)隔離角度較小，導緻了(le)集總幹擾非常大。需知此情況是最極端的情況，雖然實際上(shàng)Starlink正常不會以此方式工作(zuò)，然其潛在的可行幹擾結果不可不察。

以東經60北緯15度地球站(zhàn)為(wèi)觀測點，分(fēn)析24h三種工作(zuò)模式下(xià)Starlink系統對GSO地球站(zhàn)幹擾變化(huà)如(rú)下(xià)圖所示：

圖8 Starlink-1584多星工作(zuò)模式對GSO地球站(zhàn)幹擾時(shí)間(jiān)百分(fēn)比分(fēn)布圖

上(shàng)圖可看出，三種不同工作(zuò)模式下(xià)對GSO地球站(zhàn)的幹擾程度顯著不同，由小到大依次為(wèi)maxIA、maxEl、Iall。其中，maxIA模式下(xià)I/N大多維持在-50.3~-33.9 dB， I/N不超過阈值（-12.2 dB）；maxEl模式下(xià)I/N大多維持在-49.0~-7.0 dB，有0.42%時(shí)間(jiān)導緻I/N超過阈值；Iall模式下(xià)I/N大多維持在-42.9~-6.9 dB，有0.52%時(shí)間(jiān)導緻I/N超過阈值。

Starlink星座由于與GSO采用了(le)相同的Ku/Ka頻率，也(yě)不可避免的會導緻對GSO系統的幹擾，而ITU現(xiàn)行規則的是高軌GSO優先。頻率軌位作(zuò)為(wèi)低(dī)軌星座運行最重要的物理(lǐ)資源，如(rú)何不超過對GSO系統的幹擾阈值是各星座關(guān)注的重點，如(rú)一(yī)網OneWeb提出漸進傾斜的幹擾規避方案。區别于OneWeb的固定高橢圓波束，Starlink采用星載多點跳(tiào)波束，加上(shàng)空間(jiān)段更為(wèi)密集的部署，可通過更大角度隔離實現(xiàn)GSO系統幹擾規避。 

最大仰角工作(zuò)MaxEl作(zuò)為(wèi)典型工作(zuò)機制，Starlink-1584顆星座便已對GSO系統産生(shēng)了(le)超過幹擾阈值，可斷定Starlink系統不會采用該模式；而通過最大隔離角度接入下(xià)可保證幹擾不超過阈值，随着更大規模星鏈星座部署，雖然會有來(lái)自更多Starlink衛星的輻射幹擾，然終端也(yě)會獲得更多可接入衛星選擇機會，從而使得角度隔離策略下(xià)可獲得更大的幹擾規避增益，對GSO系統的具體(tǐ)幹擾情形有待進一(yī)步論證。 

本文對Starlink第一(yī)期主星座為(wèi)研究對象，對該星座與高軌GSO系統的幹擾情況進行了(le)分(fēn)析。總結而言，大緻有如(rú)下(xià)結論：

· Starlink星座的端星接入策略，對GSO系統産生(shēng)的幹擾至關(guān)重要。 

 · Starlink星座系統在提供服務(wù)時(shí)，必須考慮其對GSO系統的幹擾規避，否則将産生(shēng)過大的幹擾時(shí)間(jiān)比例；

· Starlink可充分(fēn)利用星載跳(tiào)波束技術，通過選擇合适的衛星為(wèi)終端服務(wù)，可規避對GSO系統的幹擾。 

在上(shàng)述工作(zuò)基礎上(shàng)，我們後續将重點針對如(rú)下(xià)三方面開展工作(zuò)： 

（1）結合更多ITU相關(guān)規則，分(fēn)析包括幹擾功率譜密度PFD、EPFD等指标；

（2）結合Starlink幹擾規避策略，進一(yī)步分(fēn)析Starlink系統容量、時(shí)延等性能(néng)指标。

（3）Starlink星座潛在軍事(shì)用途探討(tǎo)與分(fēn)析。