【前沿技术】Starlink系统对GSO卫星系统的干扰分析

文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、王大鹏(中国科学院软件研究所)李伟


                                                                                                                                                    一、概述                                                                                                                                                     

 

2021年2月16日,SpaceX公司发射第20批代号为Starlink19的60颗卫星,且下一批次卫星定于3月2日发射。Starlink发射进程自2021年始显著加快,然而也导致了对地球同步轨道GSO卫星系统更大的干扰。前述文章中对Starlink容量、时延及接入协议等进行了分析,本文则关注Starlink系统对GSO卫星系统的干扰情况,因此问题是当前所有低轨星座能否获得频率代执行的关键问题。

 

 
                                                                                                                                 二、Starlink在轨状态及发射历程简要回顾                                                                                                                      

 

截止2021年03月01日,Starlink已发射20批次共计1143颗星,在轨正常运行的卫星为1081颗,发射历程如下表所示:

表1 StarLink发射历程表(截止2021-03-01)

注1:发射时间指北京当地时间,即国际协调时UTC+0800;

注2:本文对在轨卫星分析的数据参考时间为2021-03-01 15:00.

正常在轨运行的卫星轨道高度分布如下图所示:


                                                                                                                            图1 Starlink各批次发射正常在轨运行卫星的个数


首批次Demo版本60颗卫星,仅剩13颗在轨(失效47颗,失效率78.3%)。相比而言,正式版本的1083颗卫星尚有1068颗卫星(失效15颗,失效率1.39%)。

在轨运行卫星相对空间位置分布如下图所示:

                                                                                                                             Starlink卫星轨道面内相位角及升交点赤经RAAN分布

上图可看出,当前Starlink已较为均匀的填充满36个轨道面,且已开始进一步加密。

                                                                                                                                     三、Starlink对GSO卫星系统干扰分析                                                                                                                         

 3.1 干扰分析方法与仿真场景


Starlink首期星座采用了Ku、Ka频率,与现有地球同步轨道GSO卫星不可避免发生同频干扰。而Starlink卫星与终端间采用何种工作模式,将使得GSO系统受到干扰程度大不相同。为此,分析Starlink三种工作模式下GSO卫星系统的干扰情况:

1、理想隔离角度(maxIA):Starlink终端选择与GSO卫星maxIA的Starlink卫星进行通信。

2、理想仰角(maxEl):Starlink终端选择具有max站星仰角的Starlink卫星进行通信。

3、多星工作(Iall):Starlink终端与所有可视约束下的Starlink卫星进行通信。

Starlink三种工作模式及其对GSO系统的干扰情形,如下图所示:

                                                                                                                                                仿真场景如下图所示:仿真分析的场景主要参数如下: 仿真场景如下图所示: 

图4 Starlink-1584星座与GSO系统干扰分析场景图

(红点-Starlink卫星;绿框-GSO卫星;紫叉-GSO/Starlink地球共站部署)


3.2 仿真结果与分析

Starlink系统采用max仰角工作模式下,对GSO地球站干扰时间百分比如下图所示:

图5 Starlink-1584max仰角模式对GSO地球站干扰时间百分比分布图


maxEl模式下并未考虑对GSO系统的干扰规避,也造成了干扰时间百分比较大。干扰百分比较高的区域位于经度差较大的两个侧翼区域(即图中红色区域标识处),有近0.4%的干扰时间百分比。原因在于此处Starlink地球站与max仰角Starlink卫星进行通信时,通信链路与共站址部署的GSO地球站-GSO卫星通信链路空间角度较小,从而使得对GSO地球站干扰较大。北纬30度以上区域基本没有干扰,这是由于该区域通信链路与GSO通信链路角度较大。

在采用较高隔离角度maxIA工作模式下,Starlink系统在保证自身系统工作情况下,一定程度减少对GSO系统(本场景为GSO地球站)的干扰。仿真结果显示,所有区域的终端均低于干扰阈值。这主要是由于Starlink星座空间段卫星数量多,可见卫星通常可达7-20颗(详见《Starlink星座覆盖与时延分析》图4),maxIA模式下通信链路与GSO通信链路保持了较大的隔离角度。

考虑来自Starlink所有可视卫星的干扰情形Iall,如下图所示:

图7 Starlink-1584多星工作模式对GSO地球站干扰时间百分比分布图


干扰较严重的区域可达到2.40%的时间百分比,也就意味着1天内有34.6 min(1年内有8.8天)的干扰超过阈值。主要是因为Starlink在空间分布较密集,始终有较多Starlink卫星与GSO通信链路隔离角度较小,导致了集总干扰比较大。需知此情况是比较极端的情况,虽然实际上Starlink正常不会以此方式工作,然其潜在的可行干扰结果不可不察。

以东经60北纬15度地球站为观测点,分析24h三种工作模式下Starlink系统对GSO地球站干扰变化如下图所示:

图8 Starlink-1584多星工作模式对GSO地球站干扰时间百分比分布图


上图可看出,三种不同工作模式下对GSO地球站的干扰程度显著不同,由小到大依次为maxIA、maxEl、Iall。其中,maxIA模式下I/N大多维持在-50.3~-33.9 dB, I/N不超过阈值(-12.2 dB);maxEl模式下I/N大多维持在-49.0~-7.0 dB,有0.42%时间导致I/N超过阈值;Iall模式下I/N大多维持在-42.9~-6.9 dB,有0.52%时间导致I/N超过阈值。


3.3 小结

Starlink星座由于与GSO采用了相同的Ku/Ka频率,也不可避免的会导致对GSO系统的干扰,而ITU现行规则的是高轨GSO优先。频率轨位作为低轨星座运行较重要的物理资源,如何不超过对GSO系统的干扰阈值是各星座关注的焦点,如一网OneWeb提出渐进倾斜的干扰规避方案。区别于OneWeb的固定高椭圆波束,Starlink采用星载多点跳波束,加上空间段更为密集的部署,可通过更大角度隔离实现GSO系统干扰规避。

max仰角工作MaxEl作为典型工作机制,Starlink-1584颗星座便已对GSO系统产生了超过干扰阈值,可断定Starlink系统不会采用该模式;而通过max隔离角度接入下可保证干扰不超过阈值,随着更大规模星链星座部署,虽然会有来自更多Starlink卫星的辐射干扰,然终端也会获得更多可接入卫星选择机会,从而使得角度隔离策略下可获得更大的干扰规避增益,对GSO系统的具体干扰情形有待进一步论证。

                                                                                                                                                    四、总结与展望                                                                                                                                            

本文对Starlink首期主星座为研究对象,对该星座与高轨GSO系统的干扰情况进行了分析。总结而言,大致有如下结论:

· Starlink星座的端星接入策略,对GSO系统产生的干扰由关重要。

 · Starlink星座系统在提供服务时,必须考虑其对GSO系统的干扰规避,否则将产生过大的干扰时间比例;

· Starlink可利用星载跳波束技术,通过选择合适的卫星为终端服务,可规避对GSO系统的干扰。

在上述工作基础上,我们后续将针对如下三方面开展工作:

(1)结合更多ITU相关规则,分析包括干扰功率谱密度PFD、EPFD等指标;

(2)结合Starlink干扰规避策略,进一步分析Starlink系统容量、时延等性能指标。

(3)Starlink星座潜在军事用途探讨与分析。

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