文 | 劉帥軍(jun)、徐(xu)帆江、劉立祥(xiang)、王大鵬（中國科學院軟件研究所(suo)）李偉

2021年(nian)2月(yue)16日，SpaceX公(gong)司(si)發射第20批(pi)代(dai)號為Starlink19的(de)60顆衛(wei)(wei)星，且下一批(pi)次衛(wei)(wei)星定于3月(yue)2日發射。Starlink發射進程自2021年(nian)始顯著加快，然而也導致了對(dui)地球同(tong)步軌(gui)道(dao)GSO衛(wei)(wei)星系統更大的(de)干擾(rao)。前(qian)述文(wen)章中對(dui)Starlink容量、時延及接(jie)入協議等進行了分析(xi)，本文(wen)則關(guan)注Starlink系統對(dui)GSO衛(wei)(wei)星系統的(de)干擾(rao)情(qing)況，因此問題是當前(qian)所有低軌(gui)星座能否(fou)獲(huo)得頻率代(dai)執(zhi)行的(de)關(guan)鍵問題。

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

表1 StarLink發射歷程表（截止2021-03-01）

注(zhu)1：發射時(shi)間指(zhi)北京當地時(shi)間，即國際協調時(shi)UTC+0800；

注2：本(ben)文對(dui)在(zai)軌衛星分析的(de)數據參考時(shi)間為2021-03-01 15:00.

正(zheng)常在軌運行的(de)衛星軌道高度分布(bu)如下圖(tu)所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1 Starlink各(ge)批(pi)次發射正常(chang)在軌運行衛(wei)星的(de)個數(shu)

首批次Demo版本60顆(ke)(ke)衛星，僅剩(sheng)13顆(ke)(ke)在軌（失效(xiao)(xiao)47顆(ke)(ke)，失效(xiao)(xiao)率78.3%）。相比(bi)而言，正(zheng)式版本的1083顆(ke)(ke)衛星尚有(you)1068顆(ke)(ke)衛星（失效(xiao)(xiao)15顆(ke)(ke)，失效(xiao)(xiao)率1.39%）。

在軌運行衛(wei)星(xing)相(xiang)對空(kong)間位置分布如下圖所(suo)示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Starlink衛星(xing)軌(gui)道面內相位角及(ji)升交點赤經RAAN分布

上圖(tu)可看出，當前Starlink已較為均勻(yun)的填充(chong)滿(man)36個軌道面(mian)，且已開始進一(yi)步加(jia)密。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 三(san)、Starlink對GSO衛星系統(tong)干擾分析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?3.1 干擾分析方法與仿真場景

Starlink首期(qi)星座(zuo)采(cai)(cai)用了Ku、Ka頻率，與現有(you)地球(qiu)同步軌道GSO衛(wei)(wei)星不可避免發生同頻干(gan)擾(rao)。而Starlink衛(wei)(wei)星與終端間采(cai)(cai)用何(he)種工(gong)作(zuo)模式，將使(shi)得GSO系(xi)統受到干(gan)擾(rao)程度大不相同。為此，分析(xi)Starlink三種工(gong)作(zuo)模式下GSO衛(wei)(wei)星系(xi)統的(de)干(gan)擾(rao)情況：

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

2、理(li)想仰角（maxEl）：Starlink終端(duan)選擇具有max站星(xing)仰角的(de)Starlink衛(wei)星(xing)進行通信(xin)。

3、多星(xing)工作（Iall）：Starlink終端與所有可(ke)視(shi)約(yue)束下的Starlink衛(wei)星(xing)進(jin)行通(tong)信。

Starlink三種工作模(mo)式及其對GSO系統的干擾情形(xing)，如(ru)下圖(tu)所示(shi)：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 仿真(zhen)場景如下圖(tu)所(suo)示(shi)：仿真(zhen)分析(xi)的場景主要參數如下：?仿真(zhen)場景如下圖(tu)所(suo)示(shi)：?

圖4 Starlink-1584星(xing)座(zuo)與(yu)GSO系(xi)統(tong)干(gan)擾(rao)分析場景圖

（紅點-Starlink衛(wei)(wei)星(xing)；綠(lv)框-GSO衛(wei)(wei)星(xing)；紫叉-GSO/Starlink地球共(gong)站部署）

3.2 仿真結果與分析

Starlink系(xi)統采用max仰角工作(zuo)模式下，對GSO地球(qiu)站干擾(rao)時間百分(fen)比如下圖(tu)所示：

圖5 Starlink-1584max仰角模式對(dui)GSO地(di)球站(zhan)干擾時間(jian)百(bai)分(fen)比分(fen)布圖

maxEl模式下并(bing)未考慮對(dui)GSO系(xi)統的(de)(de)干擾(rao)規避，也造成了干擾(rao)時間(jian)百(bai)分比(bi)較(jiao)(jiao)大(da)。干擾(rao)百(bai)分比(bi)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)區(qu)域(yu)(yu)位(wei)于(yu)(yu)(yu)經度(du)差較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)兩個側翼區(qu)域(yu)(yu)（即圖中紅(hong)色區(qu)域(yu)(yu)標(biao)識處），有近0.4%的(de)(de)干擾(rao)時間(jian)百(bai)分比(bi)。原因在于(yu)(yu)(yu)此處Starlink地球站與(yu)(yu)max仰角Starlink衛(wei)星(xing)進行通(tong)信(xin)(xin)時，通(tong)信(xin)(xin)鏈路與(yu)(yu)共站址部(bu)署的(de)(de)GSO地球站-GSO衛(wei)星(xing)通(tong)信(xin)(xin)鏈路空間(jian)角度(du)較(jiao)(jiao)小(xiao)，從而使得對(dui)GSO地球站干擾(rao)較(jiao)(jiao)大(da)。北緯30度(du)以(yi)上區(qu)域(yu)(yu)基本沒有干擾(rao)，這(zhe)是(shi)由于(yu)(yu)(yu)該區(qu)域(yu)(yu)通(tong)信(xin)(xin)鏈路與(yu)(yu)GSO通(tong)信(xin)(xin)鏈路角度(du)較(jiao)(jiao)大(da)。

在(zai)采用較高(gao)隔離角(jiao)度(du)(du)maxIA工作(zuo)模(mo)式(shi)下(xia)，Starlink系(xi)統在(zai)保證自身(shen)系(xi)統工作(zuo)情況(kuang)下(xia)，一定程(cheng)度(du)(du)減少對GSO系(xi)統（本場景為GSO地(di)球站(zhan)）的(de)干擾。仿真結果(guo)顯示，所有(you)區域的(de)終端均低于(yu)干擾閾值。這主要是由(you)于(yu)Starlink星(xing)座空間段衛星(xing)數量多，可(ke)見(jian)衛星(xing)通常可(ke)達7-20顆（詳(xiang)見(jian)《Starlink星(xing)座覆蓋與(yu)時(shi)延(yan)分(fen)析》圖4），maxIA模(mo)式(shi)下(xia)通信(xin)鏈路與(yu)GSO通信(xin)鏈路保持了較大的(de)隔離角(jiao)度(du)(du)。

考(kao)慮來自(zi)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(rao)時(shi)間百(bai)分比分布圖

干擾(rao)(rao)較(jiao)嚴(yan)重的(de)區域(yu)可(ke)達到2.40%的(de)時間百分比，也就(jiu)意(yi)味著1天內有(you)34.6 min（1年內有(you)8.8天）的(de)干擾(rao)(rao)超過閾值(zhi)。主(zhu)要(yao)是(shi)因為Starlink在(zai)空(kong)間分布較(jiao)密集，始終(zhong)有(you)較(jiao)多Starlink衛星與GSO通信鏈路隔離角度較(jiao)小(xiao)，導致了集總干擾(rao)(rao)比較(jiao)大。需知此情(qing)(qing)況是(shi)比較(jiao)極端的(de)情(qing)(qing)況，雖(sui)然實(shi)際上Starlink正常不(bu)會以此方(fang)式工(gong)作，然其潛在(zai)的(de)可(ke)行干擾(rao)(rao)結果不(bu)可(ke)不(bu)察(cha)。

以東(dong)經60北緯15度地(di)球站為(wei)觀測點，分(fen)析24h三種工作模式下(xia)(xia)Starlink系統對GSO地(di)球站干擾變(bian)化如下(xia)(xia)圖所(suo)示：

圖(tu)8 Starlink-1584多星工作模式(shi)對GSO地球站(zhan)干擾時(shi)間百(bai)分比分布圖(tu)

上(shang)圖可看出，三種不(bu)同工作(zuo)模(mo)(mo)式(shi)(shi)(shi)下(xia)對(dui)GSO地球站的干擾(rao)程(cheng)度(du)顯著不(bu)同，由(you)小到大依(yi)次為maxIA、maxEl、Iall。其中，maxIA模(mo)(mo)式(shi)(shi)(shi)下(xia)I/N大多(duo)(duo)維持(chi)(chi)在-50.3~-33.9 dB， I/N不(bu)超過(guo)閾(yu)(yu)值（-12.2 dB）；maxEl模(mo)(mo)式(shi)(shi)(shi)下(xia)I/N大多(duo)(duo)維持(chi)(chi)在-49.0~-7.0 dB，有(you)0.42%時間導(dao)致I/N超過(guo)閾(yu)(yu)值；Iall模(mo)(mo)式(shi)(shi)(shi)下(xia)I/N大多(duo)(duo)維持(chi)(chi)在-42.9~-6.9 dB，有(you)0.52%時間導(dao)致I/N超過(guo)閾(yu)(yu)值。

3.3 小結

Starlink星(xing)座(zuo)由于(yu)(yu)與GSO采用了相同的(de)(de)Ku/Ka頻率，也不可(ke)避免(mian)的(de)(de)會導致對(dui)GSO系統(tong)(tong)的(de)(de)干(gan)(gan)擾(rao)，而ITU現(xian)行規則的(de)(de)是高軌(gui)GSO優先。頻率軌(gui)位作為低軌(gui)星(xing)座(zuo)運行較重要的(de)(de)物理(li)資源，如何不超(chao)過對(dui)GSO系統(tong)(tong)的(de)(de)干(gan)(gan)擾(rao)閾值是各(ge)星(xing)座(zuo)關注的(de)(de)焦點，如一(yi)網OneWeb提出漸(jian)進傾(qing)斜(xie)的(de)(de)干(gan)(gan)擾(rao)規避方(fang)案(an)。區別(bie)于(yu)(yu)OneWeb的(de)(de)固定高橢圓波束，Starlink采用星(xing)載多(duo)點跳波束，加上(shang)空(kong)間(jian)段更(geng)為密集的(de)(de)部署，可(ke)通過更(geng)大角度隔離實現(xian)GSO系統(tong)(tong)干(gan)(gan)擾(rao)規避。

max仰角工作MaxEl作為典(dian)型工作機制，Starlink-1584顆(ke)星(xing)座(zuo)便已對GSO系(xi)(xi)(xi)統產生了超過(guo)干擾(rao)閾值，可斷定Starlink系(xi)(xi)(xi)統不會采用該(gai)模式；而(er)通過(guo)max隔離角度接(jie)入下(xia)可保證干擾(rao)不超過(guo)閾值，隨著更(geng)大(da)規(gui)模星(xing)鏈星(xing)座(zuo)部署，雖然(ran)會有(you)來自更(geng)多(duo)Starlink衛星(xing)的(de)輻射干擾(rao)，然(ran)終端也會獲(huo)得(de)更(geng)多(duo)可接(jie)入衛星(xing)選擇機會，從(cong)而(er)使得(de)角度隔離策略下(xia)可獲(huo)得(de)更(geng)大(da)的(de)干擾(rao)規(gui)避增益，對GSO系(xi)(xi)(xi)統的(de)具(ju)體干擾(rao)情(qing)形有(you)待進一步論證。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??四、總結與展望(wang)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

本(ben)文對(dui)Starlink首期主(zhu)星座為研(yan)究對(dui)象，對(dui)該(gai)星座與(yu)高(gao)軌GSO系統的(de)干擾(rao)情況進行(xing)了分析(xi)。總結而(er)言(yan)，大致(zhi)有(you)如下結論：

· Starlink星座的(de)端(duan)星接入(ru)策(ce)略，對GSO系統產生的(de)干擾由關重(zhong)要(yao)。

?· Starlink星(xing)座系(xi)統在提供(gong)服(fu)務時，必須考慮其對(dui)GSO系(xi)統的干擾規避，否(fou)則將產生過大的干擾時間(jian)比例；

· Starlink可(ke)利(li)用星載跳(tiao)波束技術(shu)，通過選擇合適的衛星為終端服務(wu)，可(ke)規避(bi)對(dui)GSO系統的干擾。

在上述工作(zuo)基礎上，我們后續(xu)將(jiang)針對如下三方面開展工作(zuo)：

（1）結合更多ITU相關規則，分析包括干擾(rao)功率譜密(mi)度PFD、EPFD等指(zhi)標；

（2）結合Starlink干擾(rao)規避策略，進一(yi)步分析Starlink系統容量(liang)、時延(yan)等性能指標。

（3）Starlink星座潛(qian)在(zai)軍事(shi)用途探討與分析。