典型低軌通信星座系統的確定性干擾分析

韓 銳，張 磊，劉珊杉通訊作者

（國家無線電監測中心，北京 100037）

1 低軌通信星座系統

隨著全球互聯網與物聯網等業務需求的爆炸式增長，低軌通信星座系統成為了當今和未來一段時間研究的熱點。而OneWeb、Starlink、Telesat和Kuiper等典型星座的快速發展，更是吸引了全球技術專家和投資資本對低軌通信星座系統的關注[1][2]。

低軌衛星的軌道高度一般為500-2，000 km，相對較低的高度使衛星傳輸延時更短，路徑損耗更小。低軌通信星座系統旨在通過數千顆低軌衛星在全球范圍內提供寬帶互聯網接入，對于偏遠地區來說，低軌互聯網比傳統地面網絡部署更加簡便、成本更加低廉。

2 FCC批準的主要低軌通信星座概述

目前，全球低軌通信星座數量較多，其中在美國聯邦通訊委員會（Federal Communications Commission，FCC）申請并予批準的低軌通信系統就有6個[3]，具體信息如表1所示?？梢姡蛙壨ㄐ判亲能壍罉嬓捅容^復雜，可以是多種軌道高度、軌道面和軌道傾角的組合，主要使用的頻率資源為Ku、Ka和Q/V頻段。

3 干擾確定性計算

為了評估低軌通信星座系統對其他低軌通信星座系統地面終端的干擾，本文選取OneWeb、StarLink、Telesat和Kuiper四個典型星座，依據公開資料中的技術參數，建立干擾與受擾的模型來評估低軌通信衛星系統間地面終端的干擾情況。

表1 FCC批準的主要低軌通信星座概況

3.1 典型低軌衛星星座參數

通過查詢國際頻率信息通報（BR IFIC 2919，2020.04.28），以及網絡公開信息，典型低軌星座OneWeb、StarLink、Telesat以及Kuiper的相關天線、波束等參數[4]如表2所示。

可以看出，大部分低軌星座的衛星天線類型為ITU-R S.1528模型[5]，亞馬遜公司的Kuiper衛星則為自定義天線類型。終端天線類型全部為《無線電規則》附錄8（AP8）天線模型，在噪聲溫度、增益等參數上有所不同。

3.2 確定性計算方法

表2 典型低軌星座相關參數

2.未查詢到公開數據，假定值。

通過地球半徑R、衛星軌道高度h，衛星建鏈仰角θ，假設衛星天線指向星下點位置，當衛星按照運行軌道逐漸移動至受擾終端，計算干擾噪聲比達到干擾協調門限（I/N≥-12.2）時，衛星到達地面的功率通量密度（到地PFD）和衛星與受擾終端之間的最小隔離角度φ。

圖1 干擾計算示意圖

干擾噪聲比可通過衛星等效全向輻射功率、天線增益、噪聲溫度、路徑損耗等參數計算，具體計算公式如下：

I/N=EIRPT+Gr-L-k-TS-BN（1）

式中，EIRPT為干擾衛星系統的發射信號的EIRP值，單位dBW；Gr表示被干擾系統接收端天線增益，單位dBi；L為衛星通信信號傳播損耗，單位dB；k為玻爾茲曼常量；TS為被干擾衛星系統接收端系統噪聲，單位K；BN為干擾衛星系統接收端噪聲等效帶寬，單位Hz。

4 干擾分析結果

4.1 不同星座下行鏈路干擾協調計算結果

不同星座衛星從可通信仰角起始，逐漸運行至受擾點過程中，達到干擾協調門限（I/N≥-12.2）時，衛星到地PFD、衛星與受擾終端之間的最小隔離角度，以及受擾時長如表3所示。

表3 計算結果

4.2 軌道高度與通信仰角的影響

為分析衛星軌道高度與通信仰角對受擾點隔離角、到地PFD以及影響時長的影響，固定其他參數不變，將衛星軌道高度和通信仰角從500 km至1，100 km、20°至60°等間隔采樣，得到如圖2結果。

圖2 到地PFD計算結果

如圖2所示，隨著衛星軌道高度的增大，到地PFD逐漸減小，這主要是由于衛星到干擾點的距離的隨之增大。同時可見衛星可通信仰角對到地PFD的影響較小，在同一軌道高度下的條件下，不同的通信仰角其衛星運行至干擾協調觸發點的到地PFD基本一致。

圖3 隔離角計算結果

如圖3所示，受擾點的隔離角度（即與干擾衛星的偏軸角度）隨著衛星軌道高度的增大而減小，取值范圍大致從3.3°至1.5°變化?？赏ㄐ叛鼋菍Ω綦x角度影響較小。

圖4 影響時長計算結果

影響時長隨軌道高度和衛星可通信仰角的變化如圖4所示。由于影響時長可由隔離角兩倍弧長除以衛星在軌道中的線速度得出，因此影響時長的整體趨勢與圖3隔離角的趨勢基本相同。隨著衛星軌道高度從500 km增加到1，100 km，影響時長從100 s左右降低至50 s。

5 結束語

通過上述分析可以得出結論，到地PFD、隔離角和受擾時長受軌道高度的影響較大，而受通信仰角的影響較小。

本文提供的分析框架用于開展干擾的確定性分析，采用的各類仿真參數主要來源于ITU公開發布的衛星網絡資料，與工程實際取值有一定差異，后續研究可從以下幾個方面深入：

（1）鏈路預算角度。后續可以考慮軌道精度、大氣衰減、雨衰，以及指向精度的影響。

（2）通信的實際地理環境。實際干擾計算中可通信仰角還需考慮周圍地理環境的影響，如天際線仰角等。

（3）干擾門限標準。目前的干擾協調標準采用的是干擾將接收端底噪抬升12.2 dB方法，在實際系統中，可以通過計算C/（N+I）與受擾系統的解調門限相比較，這就需要進一步研究分析受擾系統的誤碼率、調制方式等一系列鏈路級參數。

（4）天線模型。目前衛星操作者在申報網絡資料時，衛星天線模型基本都采用ITU-R S.1528模型，但是從網絡公開宣傳資料看，使用相控陣天線居多，并且形狀不規則，如圖5所示。不同的天線賦型與半波角寬度、頻率復用方式，以及波束覆蓋，都對仿真結果有較大影響。

圖5 典型低軌星座天線覆蓋圖

綜上，如考慮如上因素進行定性分析，真實情況下當衛星經過受擾點時，受擾地球站無法解調信號的隔離角度將進一步縮小，同時導致影響時間將進一步變小。