文 | 劉(liu)帥(shuai)軍、徐(xu)帆江、劉(liu)立祥(xiang)、王大(da)鵬(peng)（中(zhong)國科(ke)學(xue)院軟件研究所）李偉(wei)

2021年(nian)2月16日(ri)，SpaceX公(gong)司發射第20批代(dai)號(hao)為Starlink19的(de)60顆(ke)衛星(xing)(xing)，且下一批次衛星(xing)(xing)定于3月2日(ri)發射。Starlink發射進程自2021年(nian)始顯著(zhu)加快，然而(er)也(ye)導致(zhi)了對(dui)(dui)地球同步軌道(dao)GSO衛星(xing)(xing)系(xi)統(tong)(tong)更大的(de)干擾。前述文章中對(dui)(dui)Starlink容量、時(shi)延及接入(ru)協議等進行了分析(xi)，本文則關(guan)注Starlink系(xi)統(tong)(tong)對(dui)(dui)GSO衛星(xing)(xing)系(xi)統(tong)(tong)的(de)干擾情況，因此問(wen)題是當前所有低軌星(xing)(xing)座(zuo)能否獲(huo)得頻(pin)率代(dai)執行的(de)關(guan)鍵問(wen)題。

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

表1 StarLink發射歷程表（截止2021-03-01）

注1：發射時間(jian)指北京當(dang)地時間(jian)，即(ji)國際協(xie)調時UTC+0800；

注2：本文對在軌(gui)衛星分析(xi)的數據參考時間(jian)為2021-03-01 15:00.

正常(chang)在軌運行的衛星軌道高度分(fen)布如下圖所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1 Starlink各批次發(fa)射正(zheng)常在軌運(yun)行衛星的個數

首批次Demo版(ban)(ban)本60顆(ke)(ke)(ke)衛星(xing)，僅(jin)剩13顆(ke)(ke)(ke)在(zai)軌（失(shi)效47顆(ke)(ke)(ke)，失(shi)效率78.3%）。相比而(er)言，正式版(ban)(ban)本的1083顆(ke)(ke)(ke)衛星(xing)尚有(you)1068顆(ke)(ke)(ke)衛星(xing)（失(shi)效15顆(ke)(ke)(ke)，失(shi)效率1.39%）。

在軌運行衛星相(xiang)對空間位置分布如下圖(tu)所示：

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

上(shang)圖可看(kan)出，當前Starlink已(yi)較為均勻的填充滿36個軌道面，且已(yi)開始進一步加密。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 三、Starlink對(dui)GSO衛星(xing)系統(tong)干擾(rao)分析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?3.1 干擾分析方法與仿真場景

Starlink首期星(xing)座采(cai)(cai)用了Ku、Ka頻率，與現有地球(qiu)同(tong)步(bu)軌道GSO衛(wei)星(xing)不(bu)可避免發生同(tong)頻干(gan)(gan)擾。而Starlink衛(wei)星(xing)與終端間(jian)采(cai)(cai)用何種工作模(mo)式，將使得GSO系統受到干(gan)(gan)擾程度大不(bu)相同(tong)。為此，分析Starlink三種工作模(mo)式下(xia)GSO衛(wei)星(xing)系統的干(gan)(gan)擾情(qing)況：

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

2、理想(xiang)仰角(jiao)(jiao)（maxEl）：Starlink終端選擇(ze)具有(you)max站星(xing)(xing)仰角(jiao)(jiao)的Starlink衛星(xing)(xing)進行(xing)通信。

3、多星(xing)工(gong)作（Iall）：Starlink終端與所(suo)有可視約束下的Starlink衛星(xing)進行通信。

Starlink三(san)種工作模式及其對(dui)GSO系統的(de)干擾情(qing)形，如下圖所(suo)示(shi)：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 仿真(zhen)場景(jing)如(ru)(ru)下圖所示：仿真(zhen)分(fen)析的(de)場景(jing)主(zhu)要參數如(ru)(ru)下：?仿真(zhen)場景(jing)如(ru)(ru)下圖所示：?

圖(tu)4 Starlink-1584星座(zuo)與GSO系統干擾分析場景圖(tu)

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

3.2 仿真結果與分析

Starlink系(xi)統采(cai)用max仰角(jiao)工作模式下，對GSO地球站干擾(rao)時間百分比如下圖(tu)所示：

圖(tu)5 Starlink-1584max仰角模式對GSO地球站干擾(rao)時間百分(fen)比分(fen)布圖(tu)

maxEl模式下并未考(kao)慮對GSO系統的干(gan)擾(rao)規避，也造(zao)成了干(gan)擾(rao)時(shi)間(jian)百分比(bi)較大(da)。干(gan)擾(rao)百分比(bi)較高的區(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)位(wei)于(yu)經度差較大(da)的兩個(ge)側翼區(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)（即圖(tu)中紅色區(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)標識處），有近0.4%的干(gan)擾(rao)時(shi)間(jian)百分比(bi)。原因在于(yu)此處Starlink地(di)球站(zhan)(zhan)與max仰角Starlink衛星進行通信(xin)時(shi)，通信(xin)鏈(lian)路與共站(zhan)(zhan)址部署的GSO地(di)球站(zhan)(zhan)-GSO衛星通信(xin)鏈(lian)路空(kong)間(jian)角度較小，從而(er)使(shi)得對GSO地(di)球站(zhan)(zhan)干(gan)擾(rao)較大(da)。北緯30度以上(shang)區(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)基本(ben)沒有干(gan)擾(rao)，這(zhe)是由(you)于(yu)該區(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)通信(xin)鏈(lian)路與GSO通信(xin)鏈(lian)路角度較大(da)。

在(zai)采用較(jiao)高隔(ge)離(li)角度maxIA工作(zuo)模式下(xia)(xia)，Starlink系(xi)統(tong)在(zai)保證自(zi)身系(xi)統(tong)工作(zuo)情況下(xia)(xia)，一(yi)定程度減(jian)少對GSO系(xi)統(tong)（本(ben)場景為GSO地球(qiu)站）的(de)干(gan)擾(rao)(rao)。仿真(zhen)結果顯示，所有區域的(de)終端均低于干(gan)擾(rao)(rao)閾值(zhi)。這主要是由(you)于Starlink星(xing)座空間段衛(wei)星(xing)數量多，可見(jian)衛(wei)星(xing)通(tong)常可達7-20顆（詳見(jian)《Starlink星(xing)座覆蓋與時延分析》圖4），maxIA模式下(xia)(xia)通(tong)信(xin)鏈(lian)路與GSO通(tong)信(xin)鏈(lian)路保持了(le)較(jiao)大的(de)隔(ge)離(li)角度。

考慮(lv)來自(zi)Starlink所(suo)有可(ke)視衛星的(de)干擾情形Iall，如下(xia)圖所(suo)示：

圖(tu)7 Starlink-1584多(duo)星工作模式對GSO地球站干擾時間百分比分布圖(tu)

干擾較(jiao)嚴重的(de)(de)區域可達到(dao)2.40%的(de)(de)時間百分比，也(ye)就意味(wei)著1天內(nei)有(you)34.6 min（1年內(nei)有(you)8.8天）的(de)(de)干擾超過閾值。主要(yao)是因(yin)為Starlink在空(kong)間分布較(jiao)密(mi)集(ji)，始終有(you)較(jiao)多Starlink衛星與GSO通(tong)信(xin)鏈路隔離角度較(jiao)小，導致了集(ji)總干擾比較(jiao)大。需知此情況是比較(jiao)極端(duan)的(de)(de)情況，雖然實際上Starlink正(zheng)常不(bu)會以此方式(shi)工作，然其潛在的(de)(de)可行干擾結果不(bu)可不(bu)察。

以東經(jing)60北緯15度地球站為觀測點(dian)，分(fen)析24h三種(zhong)工作(zuo)模式(shi)下Starlink系(xi)統對(dui)GSO地球站干(gan)擾變(bian)化如下圖所示：

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

上圖可(ke)看出，三種不(bu)同(tong)(tong)工作模式(shi)下對GSO地球站的干擾(rao)程度顯著(zhu)不(bu)同(tong)(tong)，由小到大依次為maxIA、maxEl、Iall。其(qi)中(zhong)，maxIA模式(shi)下I/N大多維(wei)持(chi)在-50.3~-33.9 dB， I/N不(bu)超(chao)過(guo)閾值（-12.2 dB）；maxEl模式(shi)下I/N大多維(wei)持(chi)在-49.0~-7.0 dB，有0.42%時間(jian)導致I/N超(chao)過(guo)閾值；Iall模式(shi)下I/N大多維(wei)持(chi)在-42.9~-6.9 dB，有0.52%時間(jian)導致I/N超(chao)過(guo)閾值。

3.3 小結

Starlink星(xing)座(zuo)由于(yu)與GSO采用(yong)了相同的(de)(de)Ku/Ka頻率，也不(bu)可避(bi)免的(de)(de)會導致對GSO系統(tong)的(de)(de)干擾(rao)，而ITU現行規則的(de)(de)是高軌(gui)GSO優先。頻率軌(gui)位作(zuo)為(wei)低軌(gui)星(xing)座(zuo)運行較(jiao)重要(yao)的(de)(de)物(wu)理資源(yuan)，如(ru)何不(bu)超過對GSO系統(tong)的(de)(de)干擾(rao)閾值(zhi)是各星(xing)座(zuo)關注的(de)(de)焦點，如(ru)一(yi)網OneWeb提出漸進傾(qing)斜的(de)(de)干擾(rao)規避(bi)方(fang)案。區別于(yu)OneWeb的(de)(de)固定高橢圓波(bo)束，Starlink采用(yong)星(xing)載多點跳波(bo)束，加上空間段更(geng)為(wei)密集的(de)(de)部署，可通(tong)過更(geng)大角(jiao)度隔離(li)實現GSO系統(tong)干擾(rao)規避(bi)。

max仰角工(gong)作(zuo)(zuo)MaxEl作(zuo)(zuo)為(wei)典(dian)型工(gong)作(zuo)(zuo)機制，Starlink-1584顆星(xing)座便已對(dui)GSO系(xi)統產生了(le)超過干(gan)(gan)擾(rao)(rao)閾值，可斷定(ding)Starlink系(xi)統不(bu)會(hui)采(cai)用(yong)該模式；而通(tong)過max隔(ge)離角度(du)接(jie)入下(xia)可保證干(gan)(gan)擾(rao)(rao)不(bu)超過閾值，隨著(zhu)更(geng)大規(gui)模星(xing)鏈星(xing)座部(bu)署，雖(sui)然會(hui)有來(lai)自更(geng)多Starlink衛星(xing)的輻(fu)射(she)干(gan)(gan)擾(rao)(rao)，然終端也會(hui)獲得(de)(de)更(geng)多可接(jie)入衛星(xing)選擇(ze)機會(hui)，從而使(shi)得(de)(de)角度(du)隔(ge)離策略下(xia)可獲得(de)(de)更(geng)大的干(gan)(gan)擾(rao)(rao)規(gui)避增益，對(dui)GSO系(xi)統的具體干(gan)(gan)擾(rao)(rao)情形有待進一步論證。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??四、總結與(yu)展望? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

本文對Starlink首(shou)期(qi)主星座為研(yan)究(jiu)對象，對該星座與高軌GSO系(xi)統的干(gan)擾情況進行了分析。總結(jie)而言，大致有如(ru)下結(jie)論：

· Starlink星座的(de)端星接(jie)入策略(lve)，對(dui)GSO系統(tong)產生的(de)干擾由關重要。

?· Starlink星(xing)座系統在提供(gong)服務時，必須考慮(lv)其對GSO系統的干擾規避，否則將產生過大(da)的干擾時間(jian)比例；

· Starlink可利用星載跳波束技(ji)術，通過選擇合適的衛星為(wei)終端(duan)服務，可規避對GSO系統的干擾。

在上述工作(zuo)基礎上，我(wo)們后續將針對如下三(san)方(fang)面開展工作(zuo)：

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

（2）結(jie)合Starlink干擾規避策略(lve)，進(jin)一步分析Starlink系統容量、時延(yan)等性能指標。

（3）Starlink星座(zuo)潛在軍事用途(tu)探討與分(fen)析。