Starlink对我国GEO卫星通信下行链路的时域干扰分析

龚力玮 吕蓉 刘恒

(1 南京信息工程大学 电子与信息工程学院,南京 210044)(2 国防科技大学第六十三研究所,南京 210007)

近年来,随着小卫星制造和发射技术的迅猛发展,以美国Starlink[1]星座和英国OneWeb[2]星座为代表的宽带互联网星座系统迎来了新一波高速发展浪潮[3-4]。美国SpaceX公司推出的Starlink计划是目前为止发展最为迅速的低轨通信星座系统[5]。从Starlink向国际电联(ITU)申报的卫星网络资料来看,其主要申报的频率资源集中在Ku/Ka频段[6],而Ku/Ka频段也是GEO卫星系统的主用频段。目前,在该频段运行着大量的GEO卫星通信系统[7]。

目前在轨运行的卫星已经均匀布满36个轨道,第一期Starlink卫星(共1584颗)[8]采用了Ku和Ka频率,我国GEO卫星通信馈电链路也采用Ka频率,所以Starlink一期星座与我国GEO卫星通信不可避免地产生了同频干扰。因此,研究Starlink星座对我国GEO卫星的干扰情况是很有必要的,本文针对单颗Starlink卫星和Starlink星座在Ka频段对我国GEO卫星通信馈电链路下行时域干扰问题进行理论分析和仿真验证,希望能为Starlink星座对我国的影响分析提供理论参考。

目前已有的对于Starlink星座对GEO通信下行链路的研究和仿真还处于初步阶段,文献[9]分析了Starlink星座的端星接入策略对GSO系统产生的干扰影响,并以干噪比(I/N)和接收端等效功率通量密度(EPFD)为评价指标,仿真验证了干扰情况和纬度的关系,仿真结果Starlink一期星座对低纬度地区的GSO通信下行链路会产生严重的有害干扰;在此基础上,文献[10]以干噪比和干扰时间百分比为评价指标,分别仿真验证了Starlink星座在最大隔离角度(maxIA)、最大仰角(maxEl)、多星工作(Iall)三种工作模式下,GSO通信下行链路中GSO地面信关站(60°E,15°N)受到的干扰程度的不同,由小到大依次为maxIA、maxEl、Iall,其中,maxIA模式下I/N不超过阈值(-12.2dB);maxEl模式下有0.42%时间I/N超过阈值,Iall模式下有0.52%时间I/N超过阈值。但是已有的文献中仿真参数不详细,选取的地面信关站也不具体,因此需要对干扰场景进行完善,而且已有的研究大多是关于下行链路中的不同地面信关站的同频干扰分布情况,以及不同模式下,GSO地面信关站受到的干扰程度分析,缺少不同数量Starlink卫星对下行链路中同一地面信关站的时域干扰研究,无法精准地体现出特定GEO地面信关站在一天内不同时刻的干扰变化情况以及干扰时间段。因此,为了减少Starlink星座对我国GEO卫星通信的威胁,亟需进行Starlink星座对我国特定GEO卫星通信下行链路的时域干扰研究,仿真验证出目前Starlink一期星座对我国特定GEO卫星通信下行链路的干扰时间段和实时干扰情况,从而更有针对性地减少GEO通信系统受到的干扰影响。

Starlink星座采用了多种干扰规避技术,以确保卫星系统之间的频率兼容。文献[11]在综合阐述Starlink星座的构型设计以及频率资源使用的基础上,挖掘凝练了Starlink星座采用的8种干扰规避技术。其中包括:地球站高仰角操作技术,卫星分集技术,高定向地球站波束技术,卫星天线相控阵技术,功率控制技术,高频段技术,自适应调制编码技术,星间链路技术,文献[9]深入分析了Starlink星座的端星接入策略对GSO系统产生的干扰影响。

Starlink星座的干扰规避措施中,地球站高仰角操作技术、卫星分集技术与端星接入策略是通过优化选星策略来规避干扰,高定向地球站波束技术适用于规避Starlink地球站对GEO卫星通信系统的上行扰;卫星天线相控阵技术通过调整天线指向来规避干扰;功率控制技术通过控制Starlink地球站接收端的EPFD和Starlink星座的EIRP来减小干扰;高频段技术通过将用频需求转向Q/V甚至E频段来规避对GEO卫星的干扰;自适应调制编码技术通过动态选择调制和编码方案来实现抗干扰的目的;星间链路技术则是通过空中组网将干扰严重的业务通信转移到邻近卫星来减小潜在的共线干扰。目前,星间链路和Q/V频段尚未大规模应用于Starlink一期卫星上。

本文对Starlink星座潜在用途进行了探讨与分析,需具有前瞻性和预测性,分析最坏情况下来自Starlink星座的恶意干扰。在考虑最大干扰的前提下,Starlink星座经过目标干扰区域时,会采用Iall端星接入策略,天线波束指向为对地视场,并与GEO地面信关站工作在同频段。因此,本文对上述场景进行了建模仿真,并结合ITU相关规则与Starlink的功率控制技术,分析了GEO地面信关站接收端的EPFD是否超过限值。

综上,本文首先建立了下行场景下Starlink一期星座与我国GEO卫星(98°E,0)通信的馈电链路干扰模型;通过Matlab采集STK(Satellite Tool Kit)仿真数据分析了一天内每一时间段的可见星数目;计算了EIRP(等效全向辐射功率)等电磁参数;仿真分析了单星和多星干扰情况下,GEO地面信关站接收信号的实时载干比(C/I),以及一天内的干扰时间百分比;将Beijing站接收端的EPFD以及多个地区GEO地面信关站接收端的EPFD与ITU限值进行了比较;并在原仿真环境的基础上,采取了增加接收天线直径的措施以降低干扰时间百分比,使其达到卫星系统干扰保护标准。为我国对Starlink星座的威胁分析和后续的处置手段提供参考。

1 Starlink星座系统下行干扰建模与计算

自2019年5月24日Starlink卫星首次发射,之后发射次数愈发密集,发射数量也逐步增加,截止2023年7月,Starlink卫星已发射共计4769颗卫星,在轨卫星数量3848颗,本文选取Starlink一期星座1584颗卫星进行建模与仿真。

要分析Starlink星座对我国特定GEO卫星(98°E,0)通信的下行干扰特性,首先要对干扰场景进行建模。图1为Starlink卫星对GEO地面信关站的下行干扰模型,图中实线箭头表示我国GEO卫星下行通信链路,即“GEO卫星-GEO地面信关站”链路;窄虚线箭头表示Starlink卫星对GEO地面信关站的干扰链路;宽虚线部分表示卫星天线的波束范围,波束指向地面信关站,GEO天线半波束宽度为5°,Starlink卫星天线半波束宽度为44.85°。地面信关站仰角为大于15°,天线指向GEO卫星。图中:d为GEO地面信关站与GEO卫星之间的距离;di为GEO地面信关站与第i个Starlink卫星之间的距离,单位为m;φi为卫星i波束指向方向与受扰地球站和该卫星连线的夹角;θi为接收天线指向卫星i较波束中心指向的偏差。

图1 Starlink卫星对GEO地面信关站的下行干扰Fig.1 Downlink interference of Starlink to GEO earth signal station

由于Starlink卫星始终围绕着地球高速运动,其卫星轨道相对于地面信关站也是运动的,所以一天内每一时刻地面信关站的可见卫星数、卫星相对于地面信关站的运行速度、卫星与地面信关站的相对位置都不同,这就导致Starlink星座对GEO下行链路的干扰是时变的[12]。为了分析Starlink星座对GEO的下行干扰,设置仿真周期为2021-03-27T06:14:00(UTC)至2021-03-28T06:14:00(UTC),利用STK对仿真周期内的每个时间段进行采样仿真,从而得到周期内C/I的数据变化图。

为了计算Starlink星座干扰场景下GEO下行通信链路的载干比,要分别计算GEO地面信关站的接收信号功率和GEO地面信关站对Starlink星座干扰信号的接收功率。如图1所示,GEO地面信关站接收来自GEO卫星的有效信号,当GEO地面信关站与GEO卫星进行通信时,会不可避免地接收到一部分Starlink卫星的干扰信号,我们将之视为对GEO地面信关站的干扰信号。

GEO地面信关站的接收信号功率为

PC=Pn1×GR(0)×Lpc

(1)

GEO地面信关站的接收干扰功率为

(2)

式中:PC为GEO地面信关站的接收信号功率;PI为GEO地面信关站的接收干扰功率;Pn1为GEO卫星信号等效全向辐射功率(EIRP);Pn2为Starlink卫星信号的EIRP;GR(θi)为GEO地面信关站接收天线偏离主轴θ度角的接收天线增益;Lpc和LPi分别为GEO卫星和第i个Starlink卫星的自由空间损耗,单位为dBW;N为Starlink的卫星数目。

由式(1)和(2),可得接收信号载干比为

(3)

式中:C为接收信号载波功率,I为干扰信号功率。

在理论研究中,对于有效载波信号和干扰信号在传播路径中的损耗,一般采取衰减最小的自由空间损耗模型,其表达公式为

(4)

式中:fc为GEO卫星的载波频率;fs为Starlink卫星的载波频率,单位为Hz;λc为GEO卫星的载波波长;λs为Starlink卫星的载波波长,单位为m。

式(2)中,在接收天线指向较波束中心指向的偏差小于3dB波束宽度的情况下,天线因指向引起的增益损失可以用下式来估计

(5)

式中:G为GEO地面信关站主轴接收天线增益;θi为接收天线指向卫星i较波束中心指向的偏差;θ3dB为3dB波束宽度。

在实验中,若要探究载干比C/I与天线直径的关系,可将式(5)化为

(6)

式中:D为GEO地面信关站接收天线直径;f为接收频率;λ为接收波长;η为天线效率。

在实验中,采取载波干扰比(C/I)作为评估Starlink卫星对GEO地面信关站干扰程度的指标。首先,对于数字地面蜂窝系统的评判标准,我国的全

球移动通信(GSM)系统、美国的IS-54系统和日本的个人数字蜂窝(PDC)系统为了保证绝大多数地区和绝大部分时间的通信质量,都要求载干比不得小于9dB,即C/I≥9dB[13-15]。

考虑到卫星通信系统复杂的链路情况和更高的通信要求,在工程应用中要加3～4dB的余量,一般认为卫星通信系统中载干比要不小于13dB,即C/I≥13dB[16-17]。

因此,采取C0/I0=13dB为GEO下行链路的所能承受的干扰门限值。

地面信关站接收端的EPFD计算公式为

(7)

式中:E为地面信关站接收端的EPFD,单位为dB/(W/m2);Pi为第i颗Starlink卫星的发射功率,单位为dBW;di为GEO地面信关站与第i个Starlink卫星之间的距离,单位为m。GR(φi)为第i颗Starlink卫星上波束在受扰地球站方向上的发射增益。

2 干扰仿真分析

为了评估Starlink星座对我国国防安全的威胁,本项目拟采用仿真工具,对其轨道拓扑及通信链路进行理论分析,编程输入仿真参数,生成仿真场景,并对干扰结果数据进行分析。

2.1 仿真参数设置

仿真建模的过程中,首先要完成Starlink星座系统的轨道拓扑构建,Starlink一期星座的轨道参数如表1所示。本仿真采用Starlink一期部署的模型,共1584颗卫星。完成Starlink的轨道拓扑建模后,还要构建如图1所示的下行通信链路干扰模型,Starlink卫星、GEO卫星、GEO地面信关站的下行链路仿真电磁参数如表2所示。可以看到,GEO卫星和Starlink卫星发射信号的中心频率相差约100MHz,而GEO卫星带宽为1200MHz,所以二者存在相互干扰的可能。

表1 Starlink一期星座轨道参数Table 1 Starlink Phase I Orbital Parameters

表2 下行链路干扰仿真参数Table 2 Downlink interference simulation parameters

2.2 仿真模型拓扑构建

利用仿真软件中生成Starlink一期星座,设置Beijing地面信关站位置(116.4°E,39.9°N)和GEO卫星位置(98°E,0),并为Starlink卫星、GEO卫星添加发射机,为Beijing地面信关站添加接收机,构成本文的仿真场景。仿真时长为1天,仿真步长为60s。单颗Starlink卫星干扰拓扑模型图和Starlink星座干扰拓扑模型如图2和图3所示。

图2 单颗Starlink卫星干扰模型Fig.2 Interference model of single Starlink satellite

2.3 干扰影响分析

2.3.1 分析干扰弧段

当两颗卫星同时落入地面信关站天线波束范围内时,可能会存在相互干扰,故分析干扰时段,即分析干扰卫星对于地面信关站的可见性。对于下面分别计算单颗Starlink卫星和Starlink星座对GEO地球站(Beijing站)的干扰时段。

对于单星干扰,已知GEO卫星发射机信号对Beijing站接收机始终可见,若干扰卫星发射机信号对Beijing站接收机可见,则存在干扰,故利用STK提供的Sensor组件能够方便地计算出两颗卫星同时落入地面信关站天线波束的时段。图4为一对一情况下,单星对GEO地面信关站的干扰时段。在一天的仿真周期内,共受到了8次干扰,每次干扰的时长为5min到10min不等。

图4 单星干扰时段Fig.4 Interference period of single starlink satellite

对于Starlink星座,一天内的任何时间均有卫星对于GEO地面信关站可见,分析其对于GEO地面信关站的可见性可通过采集数据,计算出一天内各个时间段的GEO地面信关站可见卫星数,由采集到的数据可知,GEO地面信关站一天内的可见Starlink卫星数在47～54颗之间波动,可见卫星数随时间变化的情况如图5所示。

图5 Beijing站Starlink可见卫星数Fig.5 Number of visible satellites of starlink to Beijing station

2.3.2 分析干扰时域特性

由于Starlink卫星的运动性,卫星分布相对于地面信关站是时变的,所以Starlink星座对GEO下行链路的干扰是时变的,本文采用载干比(C/I)作为评估干扰的指标,图6、图7分别为单星干扰场景下和多星干扰场景下的载干比随时间变化曲线,仿真周期为2021-03-27T06:14:00(UTC)至2021-03-28T06:14:00(UTC)。

图6 单星干扰场景下载干比Fig.6 Carrier interference ratio under single satellite

图7 多星干扰场景下载干比Fig.7 Carrier interference ratio under starlink constellation interference scenario

如图6、图7所示,单星干扰场景下,仅在图5所示的干扰波段(即时间段内)存在干扰,干扰波段内的载干比(C/I)均大于阈值13dB,不属于有害干扰的范畴;而多星干扰场景下,GEO通信系统在一天内的任何时间都存在干扰,且在大量干扰波段内,载干比(C/I)大于阈值13dB,可以判定为有害干扰。为了研究Starlink星座对GEO地面信关站的干扰程度,图8给出了Starlink星座干扰场景下GEO地面信关站接收载波干扰比超过阈值的时间百分比分布情况。

图8 Beijing站接收载干比超过阈值的时间百分比分布图Fig.8 Percentage distribution of time when receiving carrier-to-interference ratio exceeds threshold value at Beijing station

图8中,GEO地面信关站一天内受到来自Starlink星座的有害干扰时间占比为2.64%,即38min,未受干扰时间占比为97.36%,即23h22min,根据ITU-RS.1528的卫星系统干扰保护标准,地面信关站接收到的干扰值C/I大于13dB的持续时间[18]不超过仿真周期的0.1%,仿真中Starlink星座对GEO通信系统的有害干扰时间占比远远超过了此干扰保护标准。

2.3.3 干扰时间百分比变化趋势

为了尽可能消除Starlink星座对GEO地面信关站的干扰,在上文时间域威胁分析电磁环境下,改变地面信关站接收天线的直径,变化范围为0.9～9m,步进为0.5m;地面信关站接收天线的G/T值也由20dB/K逐步增加至40dB/K,对每一种接收天线直径和G/T值条件下的干扰模型做时间域威胁分析,计算出其干扰时间百分比并绘制出不同接收天线直径下Beijing站干扰时间百分比变化曲线,如图9所示。

图9 不同接收天线直径下Beijing站干扰时间百分比变化图Fig.9 Change of interference time percentage of Beijing station under different receiving antenna diameters

根据图9,Beijing站所受的有害干扰时间百分比随接收天线直径的增大而不断减小,表明随着G/T值的提高,有害干扰的程度逐渐降低。经过数据采集和分析,可以发现,在接收天线直径大于7.9m之后,GEO地面信关站一天内所遭受的来自Starlink星座的有害干扰时间百分比不超过0.07%。这一结果符合ITU-RS.1528卫星系统干扰保护标准的要求。

根据仿真结果显示,在未采取有效抗干扰措施的情况下,GEO下行通信场景中所遭受的干扰时间占比和载波干扰比均未能达到ITU所规定的限制阈值,这对我国GEO卫星与GEO地面信关站的下行通信造成了严重的有害干扰。为消除这种干扰,一种可行的方法是增大接收天线的尺寸。在本文的仿真环境下,要消除来自Starlink星座的干扰,需要接收天线的直径大于7.9m,并且G/T值大于38.9dB。

2.3.4 地面信关站接收端EPFD分析

为了避免对GEO卫星系统造成有害干扰,非静轨道(NGSO)卫星系统必须采取措施以符合ITU制定的等效功率通量密度(EPFD)的限值[19],如降低发射功率、调整天线指向角度等。在本文的Starlink星座干扰场景下,仿真得出Beijing站以及国内20个同参数不同位置的GEO地面信关站接收端的EPFD(地面信关站选取范围为3.5°N～54°N,73.5°E～135.5°E,间隔10°),并与EPFD的限值相比较(EPFD限值参考《无线电规则》中的表22-1C[19]),分析其累积分布函数(CDF),绘制出Beijing站等效功率通量密度累积分布曲线以及多地区GEO地面信关站等效功率通量密度累积分布曲线,如图10、图11所示。

图10 Beijing站等效功率通量密度累积分布曲线Fig.10 Cumulative distribution curve of equivalent power flux density at Beijing station

图11 多地区GEO地面信关站等效功率通量密度累积分布曲线Fig.11 Cumulative distribution curve of equivalent power flux density of multi-regional GEO ground signal stations

由图10、图11可以得知,Beijing站和多地区GEO地面信关站的EPFD累积分布曲线均在EPFD限值累积分布曲线左侧,即其EPFD主要分布于低于EPFD限值要求的区域,在本文场景下,若Starlink星座未采取特殊的干扰规避策略,Beijing站接收端的EPFD以及多地区GEO地面信关站接收端的EPFD均不能满足ITU的限值要求。此场景为恶意干扰场景,对确定Starlink星座的恶意干扰效果具有重要参考价值。

此外,为了避免或降低Starlink星座对我国境内通信卫星信号的干扰,我们可以从以下几个方面采取措施。

(1)从功率域出发,增大接收天线直径、提高通信卫星EIRP都可以有效提高载干比,缩短载干比低于阈值的时间,降低干扰时间百分比,从而有效减轻时域干扰。

(2)从空间域出发,在后续的研究中,我们将进行Starlink星座空间域影响分析,构建Starlink星座干扰态势系统,分析Starlink星座对我国各区域的覆盖特性,并根据各区域Starlink星座威胁程度的不同配置相应的处置措施。此外,国家应加强对Starlink星座运行状态和位置的监测和预警,及时发现和处理可能出现的干扰情况。

(3)从通信抗干扰技术出发,可采用更先进的调制解调技术、频率跳变技术、加密技术等,增加Starlink星座干扰的成本和难度。

3 结束语

本文通过STK生成的仿真数据,简要分析了Starlink一代一期卫星(1584颗)对我国GEO卫星通信的时域干扰情况。同时本文还有以下几点值得深入研究和改进之处:

(1)本文的仿真环境为Starlink一代一期卫星(1584颗),考虑到Starlink卫星数目在迅速增加,可以根据需求进一步增加仿真中的卫星数量,完善仿真模型。

(2)本文研究的是Starlink在特定用途中可能产生的有害干扰,目前,Starlink在我国境内不设有信关站,无法通过实验进行复现。

(3)本文从时间域出发,探讨了Starlink对我国GEO卫星通信造成的影响。未来研究将基于空间域和功率域,深入分析Starlink的干扰特征,并构建Starlink干扰态势系统,评估不同地区、不同天线功率下Starlink对我国境内卫星通信的影响程度,为制定有效的应急措施提供参考。