【前沿】Starlink系统对GSO卫星系统的干扰分析

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，天基综合信息系统重点实验室）李伟（国家无线电监测中心）

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，本文则重点关注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授权的关键问题。

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

第一批次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：

 图2 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。

Starlink第一期星座采用了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、最大隔离角度（maxIA）：Starlink终端选择与GSO卫星最大隔离角的Starlink卫星进行通信。

2、最大仰角（maxEl）：Starlink终端选择具有最大站星仰角的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：

 图3 Starlink卫星对GSO地球站干扰模式示意图

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）

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

 图5 Starlink-1584最大仰角模式对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。干扰百分比最大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），最大有近0.4%的干扰时间百分比。原因在于此处Starlink地球站与最大仰角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。

在采用最大隔离角度maxIA工作模式下，Starlink系统在保证自身系统工作情况下，最大程度降低对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。

最后，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

干扰最严重的区域可达到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在空间分布非常密集，始终有较多Starlink卫星与GSO通信链路隔离角度较小，导致了集总干扰非常大。需知此情况是最极端的情况，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。

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最重要的物理资源，如何不超过对GSO系统的干扰阈值是各星座关注的重点，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。

最大仰角工作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；而通过最大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。

本文对Starlink第一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系统产生的干扰至关重要。

 · 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可充分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，我们后续将重点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。