典型低轨通信星座系统的确定性干扰分析

韩 锐，张 磊，刘珊杉通讯作者

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 低轨通信星座系统

随着全球互联网与物联网等业务需求的爆炸式增长，低轨通信星座系统成为了当今和未来一段时间研究的热点。而OneWeb、Starlink、Telesat和Kuiper等典型星座的快速发展，更是吸引了全球技术专家和投资资本对低轨通信星座系统的关注[1][2]。

低轨卫星的轨道高度一般为500-2，000 km，相对较低的高度使卫星传输延时更短，路径损耗更小。低轨通信星座系统旨在通过数千颗低轨卫星在全球范围内提供宽带互联网接入，对于偏远地区来说，低轨互联网比传统地面网络部署更加简便、成本更加低廉。

2 FCC批准的主要低轨通信星座概述

目前，全球低轨通信星座数量较多，其中在美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）申请并予批准的低轨通信系统就有6个[3]，具体信息如表1所示。可见，低轨通信星座的轨道构型比较复杂，可以是多种轨道高度、轨道面和轨道倾角的组合，主要使用的频率资源为Ku、Ka和Q/V频段。

3 干扰确定性计算

为了评估低轨通信星座系统对其他低轨通信星座系统地面终端的干扰，本文选取OneWeb、StarLink、Telesat和Kuiper四个典型星座，依据公开资料中的技术参数，建立干扰与受扰的模型来评估低轨通信卫星系统间地面终端的干扰情况。

表1 FCC批准的主要低轨通信星座概况

3.1 典型低轨卫星星座参数

通过查询国际频率信息通报（BR IFIC 2919，2020.04.28），以及网络公开信息，典型低轨星座OneWeb、StarLink、Telesat以及Kuiper的相关天线、波束等参数[4]如表2所示。

可以看出，大部分低轨星座的卫星天线类型为ITU-R S.1528模型[5]，亚马逊公司的Kuiper卫星则为自定义天线类型。终端天线类型全部为《无线电规则》附录8（AP8）天线模型，在噪声温度、增益等参数上有所不同。

3.2 确定性计算方法

表2 典型低轨星座相关参数

2.未查询到公开数据，假定值。

通过地球半径R、卫星轨道高度h，卫星建链仰角θ，假设卫星天线指向星下点位置，当卫星按照运行轨道逐渐移动至受扰终端，计算干扰噪声比达到干扰协调门限（I/N≥-12.2）时，卫星到达地面的功率通量密度（到地PFD）和卫星与受扰终端之间的最小隔离角度φ。

图1 干扰计算示意图

干扰噪声比可通过卫星等效全向辐射功率、天线增益、噪声温度、路径损耗等参数计算，具体计算公式如下：

I/N=EIRPT+Gr-L-k-TS-BN（1）

式中，EIRPT为干扰卫星系统的发射信号的EIRP值，单位dBW；Gr表示被干扰系统接收端天线增益，单位dBi；L为卫星通信信号传播损耗，单位dB；k为玻尔兹曼常量；TS为被干扰卫星系统接收端系统噪声，单位K；BN为干扰卫星系统接收端噪声等效带宽，单位Hz。

4 干扰分析结果

4.1 不同星座下行链路干扰协调计算结果

不同星座卫星从可通信仰角起始，逐渐运行至受扰点过程中，达到干扰协调门限（I/N≥-12.2）时，卫星到地PFD、卫星与受扰终端之间的最小隔离角度，以及受扰时长如表3所示。

表3 计算结果

4.2 轨道高度与通信仰角的影响

为分析卫星轨道高度与通信仰角对受扰点隔离角、到地PFD以及影响时长的影响，固定其他参数不变，将卫星轨道高度和通信仰角从500 km至1，100 km、20°至60°等间隔采样，得到如图2结果。

图2 到地PFD计算结果

如图2所示，随着卫星轨道高度的增大，到地PFD逐渐减小，这主要是由于卫星到干扰点的距离的随之增大。同时可见卫星可通信仰角对到地PFD的影响较小，在同一轨道高度下的条件下，不同的通信仰角其卫星运行至干扰协调触发点的到地PFD基本一致。

图3 隔离角计算结果

如图3所示，受扰点的隔离角度（即与干扰卫星的偏轴角度）随着卫星轨道高度的增大而减小，取值范围大致从3.3°至1.5°变化。可通信仰角对隔离角度影响较小。

图4 影响时长计算结果

影响时长随轨道高度和卫星可通信仰角的变化如图4所示。由于影响时长可由隔离角两倍弧长除以卫星在轨道中的线速度得出，因此影响时长的整体趋势与图3隔离角的趋势基本相同。随着卫星轨道高度从500 km增加到1，100 km，影响时长从100 s左右降低至50 s。

5 结束语

通过上述分析可以得出结论，到地PFD、隔离角和受扰时长受轨道高度的影响较大，而受通信仰角的影响较小。

本文提供的分析框架用于开展干扰的确定性分析，采用的各类仿真参数主要来源于ITU公开发布的卫星网络资料，与工程实际取值有一定差异，后续研究可从以下几个方面深入：

（1）链路预算角度。后续可以考虑轨道精度、大气衰减、雨衰，以及指向精度的影响。

（2）通信的实际地理环境。实际干扰计算中可通信仰角还需考虑周围地理环境的影响，如天际线仰角等。

（3）干扰门限标准。目前的干扰协调标准采用的是干扰将接收端底噪抬升12.2 dB方法，在实际系统中，可以通过计算C/（N+I）与受扰系统的解调门限相比较，这就需要进一步研究分析受扰系统的误码率、调制方式等一系列链路级参数。

（4）天线模型。目前卫星操作者在申报网络资料时，卫星天线模型基本都采用ITU-R S.1528模型，但是从网络公开宣传资料看，使用相控阵天线居多，并且形状不规则，如图5所示。不同的天线赋型与半波角宽度、频率复用方式，以及波束覆盖，都对仿真结果有较大影响。

图5 典型低轨星座天线覆盖图

综上，如考虑如上因素进行定性分析，真实情况下当卫星经过受扰点时，受扰地球站无法解调信号的隔离角度将进一步缩小，同时导致影响时间将进一步变小。