【前沿技術】Starlink系統對GSO衛星系統的干擾分析

文 | 劉帥軍、徐帆江、劉立祥、王大鵬（中國科學院軟件研究所）李偉

2021年2月16日，SpaceX公司發射第20批代號為Starlink19的60顆衛星，且下一批次衛星定于3月2日發射。Starlink發射進程自2021年始顯著加快，然而也導致了對地球同步軌道GSO衛星系統更大的干擾。前述文章中對Starlink容量、時延及接入協議等進行了分析，本文則關注Starlink系統對GSO衛星系統的干擾情況，因此問題是當前所有低軌星座能否獲得頻率代執行的關鍵問題。

截止2021年03月01日，Starlink已發射20批次共計1143顆星，在軌正常運行的衛星為1081顆，發射歷程如下表所示：

表1 StarLink發射歷程表（截止2021-03-01）

注1：發射時間指北京當地時間，即國際協調時UTC+0800；

注2：本文對在軌衛星分析的數據參考時間為2021-03-01 15:00.

正常在軌運行的衛星軌道高度分布如下圖所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1 Starlink各批次發射正常在軌運行衛星的個數

首批次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位置分布如下圖所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Starlink衛星軌道面內相位角及升交點赤經RAAN分布

上圖可看出，當前Starlink已較為均勻的填充滿36個軌道面，且已開始進一步加密。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 三、Starlink對GSO衛星系統干擾分析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?3.1 干擾分析方法與仿真場景

Starlink首期星座采用了Ku、Ka頻率，與現有地球同步軌道GSO衛星不可避免發生同頻干擾。而Starlink衛星與終端間采用何種工作模式，將使得GSO系統受到干擾程度大不相同。為此，分析Starlink三種工作模式下GSO衛星系統的干擾情況：

1、理想隔離角度（maxIA）：Starlink終端選擇與GSO衛星maxIA的Starlink衛星進行通信。

2、理想仰角（maxEl）：Starlink終端選擇具有max站星仰角的Starlink衛星進行通信。

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

Starlink三種工作模式及其對GSO系統的干擾情形，如下圖所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 仿真場景如下圖所示：仿真分析的場景主要參數如下：?仿真場景如下圖所示：?

圖4 Starlink-1584星座與GSO系統干擾分析場景圖

（紅點-Starlink衛星；綠框-GSO衛星；紫叉-GSO/Starlink地球共站部署）

3.2 仿真結果與分析

Starlink系統采用max仰角工作模式下，對GSO地球站干擾時間百分比如下圖所示：

圖5 Starlink-1584max仰角模式對GSO地球站干擾時間百分比分布圖

maxEl模式下并未考慮對GSO系統的干擾規避，也造成了干擾時間百分比較大。干擾百分比較高的區域位于經度差較大的兩個側翼區域（即圖中紅色區域標識處），有近0.4%的干擾時間百分比。原因在于此處Starlink地球站與max仰角Starlink衛星進行通信時，通信鏈路與共站址部署的GSO地球站-GSO衛星通信鏈路空間角度較小，從而使得對GSO地球站干擾較大。北緯30度以上區域基本沒有干擾，這是由于該區域通信鏈路與GSO通信鏈路角度較大。

在采用較高隔離角度maxIA工作模式下，Starlink系統在保證自身系統工作情況下，一定程度減少對GSO系統（本場景為GSO地球站）的干擾。仿真結果顯示，所有區域的終端均低于干擾閾值。這主要是由于Starlink星座空間段衛星數量多，可見衛星通?？蛇_7-20顆（詳見《Starlink星座覆蓋與時延分析》圖4），maxIA模式下通信鏈路與GSO通信鏈路保持了較大的隔離角度。

考慮來自Starlink所有可視衛星的干擾情形Iall，如下圖所示：

圖7 Starlink-1584多星工作模式對GSO地球站干擾時間百分比分布圖

干擾較嚴重的區域可達到2.40%的時間百分比，也就意味著1天內有34.6 min（1年內有8.8天）的干擾超過閾值。主要是因為Starlink在空間分布較密集，始終有較多Starlink衛星與GSO通信鏈路隔離角度較小，導致了集總干擾比較大。需知此情況是比較極端的情況，雖然實際上Starlink正常不會以此方式工作，然其潛在的可行干擾結果不可不察。

以東經60北緯15度地球站為觀測點，分析24h三種工作模式下Starlink系統對GSO地球站干擾變化如下圖所示：

圖8 Starlink-1584多星工作模式對GSO地球站干擾時間百分比分布圖

上圖可看出，三種不同工作模式下對GSO地球站的干擾程度顯著不同，由小到大依次為maxIA、maxEl、Iall。其中，maxIA模式下I/N大多維持在-50.3~-33.9 dB， I/N不超過閾值（-12.2 dB）；maxEl模式下I/N大多維持在-49.0~-7.0 dB，有0.42%時間導致I/N超過閾值；Iall模式下I/N大多維持在-42.9~-6.9 dB，有0.52%時間導致I/N超過閾值。

3.3 小結

Starlink星座由于與GSO采用了相同的Ku/Ka頻率，也不可避免的會導致對GSO系統的干擾，而ITU現行規則的是高軌GSO優先。頻率軌位作為低軌星座運行較重要的物理資源，如何不超過對GSO系統的干擾閾值是各星座關注的焦點，如一網OneWeb提出漸進傾斜的干擾規避方案。區別于OneWeb的固定高橢圓波束，Starlink采用星載多點跳波束，加上空間段更為密集的部署，可通過更大角度隔離實現GSO系統干擾規避。

max仰角工作MaxEl作為典型工作機制，Starlink-1584顆星座便已對GSO系統產生了超過干擾閾值，可斷定Starlink系統不會采用該模式；而通過max隔離角度接入下可保證干擾不超過閾值，隨著更大規模星鏈星座部署，雖然會有來自更多Starlink衛星的輻射干擾，然終端也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可獲得更大的干擾規避增益，對GSO系統的具體干擾情形有待進一步論證。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??四、總結與展望? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

本文對Starlink首期主星座為研究對象，對該星座與高軌GSO系統的干擾情況進行了分析。總結而言，大致有如下結論：

· Starlink星座的端星接入策略，對GSO系統產生的干擾由關重要。

?· Starlink星座系統在提供服務時，必須考慮其對GSO系統的干擾規避，否則將產生過大的干擾時間比例；

· Starlink可利用星載跳波束技術，通過選擇合適的衛星為終端服務，可規避對GSO系統的干擾。

在上述工作基礎上，我們后續將針對如下三方面開展工作：

（1）結合更多ITU相關規則，分析包括干擾功率譜密度PFD、EPFD等指標；

（2）結合Starlink干擾規避策略，進一步分析Starlink系統容量、時延等性能指標。

（3）Starlink星座潛在軍事用途探討與分析。