Starlink星座对我国国土及周边空间域影响分析

龚力玮 吕蓉

(1 南京信息工程大学 电子与信息工程学院,南京 210044) (2 国防科技大学第六十三研究所,南京 210007)

Starlink星座是美国太空探索技术公司(SpaceX)于2015年计划推出的一项通过低地轨道卫星网,第一阶段部署1584颗卫星,轨道高度为550km。2019年,SpaceX公司又提交申请,准备追加3万颗星链卫星,“星链计划”卫星数量总计约4.2万颗[1]。Starlink星座提供覆盖全球的高速互联网接入服务。Starlink星座的目标是为全球各地的消费者提供低延迟、高带宽的网络连接,尤其是那些目前缺乏或无法获得可靠网络服务的地区。

然而Starlink星座给许多国家地面的网络安全和主权带来了覆盖影响。据报道,SpaceX宣布,Starlink星座现已对全球32个国家提供服务,其中包括乌克兰。这意味着“星链”可以绕过地面的网络基础设施,直接向用户提供互联网接入,从而可能影响到其他国家的网络管控和监管。

此外,Starlink星座也可能被用于军事目的,为美国提供战略优势。例如,“星链”可以为美军提供全球范围内的高速通信和数据传输,增强其指挥、控制、情报、侦察和监视能力[2]。同时,Starlink星座也可以作为一种反制手段,干扰或破坏其他国家的卫星通信或导航系统。因此,“星链”的覆盖影响是一个不容忽视的问题。本文针对Starlink星座对我国大陆、台海地区和台湾省的覆盖能力进行了仿真分析,评估了其在不同地区的覆盖水平。同时,本文还考虑了Starlink星座对我国地球静止轨道(GEO)卫星下行链路的干扰影响,仿真计算了我国不同地区的地面信关站受到Starlink星座干扰的时间百分比,并绘制了可视化的态势图,探讨了其对我国军事通信的潜在影响。

目前已有的对于Starlink星座的空间域影响分析还处于初步阶段,文献[3]结合热点地区的实际情况,利用STK仿真软件,建立了目前已发射的星链卫星星座模型,并选取了合适的覆盖对象和品质因数,计算和分析了其覆盖性能;在此基础上,文献[4]利用STK软件建立了Starlink星座的覆盖模型,对其在南北纬70°范围内的覆盖能力进行了定量分析,为评估星链星座的性能提供了一种有效的方法,对Starlink星座在不同地区的覆盖情况进行了详细的比较,展示了星链星座在不同地区的覆盖能力,并探讨了其军事应用潜力,分析了其可以为军事通信、导航、情报侦察等提供强大支撑的可能性和优势。然而,目前已有的空间域影响分析文献只关注了覆盖重数,缺乏对Starlink星座下行通信性能(如频率、载干比、干扰等因素)的研究,例如文献[5-6]中Starlink星座对地球同步轨道(GSO)卫星系统馈电链路的下行同频干扰分析,这些因素对于我国具体用频设备的干扰非常重要。此外,缺乏结合地理信息系统(GIS)做可视化分析的案例,无法直观地展示Starlink星座对我国不同地区的覆盖特性和干扰特性。因此,本文在对我国大陆、台海地区和台湾省进行Starlink星座覆盖分析的基础上,还利用STK软件的通信分析模块,以载干比(C/I)和干扰时间百分比为指标,分析了Starlink星座对我国特定GEO卫星和不同地面信关站下行通信的干扰,并结合GIS,绘制出了Starlink星座覆盖特性和下行干扰特性的态势图,更为直观地展示了Starlink星座对我国不同地区的覆盖特性和干扰特性。

综上,本文首先建立了Starlink一期星座(1584颗)对我国大陆、台海地区和台湾省的覆盖模型,以及对我国特定GEO卫星和不同地面信关站的下行干扰模型;其次通过Matlab软件采集STK仿真数据分析了一天内的覆盖特性数据和下行干扰数据;计算了等效全向辐射功率(EIRP)等电磁参数;最后结合GIS,绘制出可视化程度高的态势图,从多个角度分析了Starlink星座在军事通信、导航、情报侦察等方面对我国安全所产生的影响,为我国后续的区域安全和应对Starlink星座提供了有效参考。

由于SpaceX猎鹰火箭的相对低成本和强大运力,星链卫星可以频繁发射,每次发射可以搭载多达60个卫星,截至2023年3月22日,Starlink星座在轨卫星3293颗,占世界在轨航天器总数的近一半。本文选取Starlink一期星座共1584颗卫星进行建模与仿真。

要进行Starlink星座对的空间域覆盖分析,首先要对覆盖场景进行建模。根据官方数据,Starlink卫星Ku频段天线覆盖角度部署初期可能仅有25°,但最终会提高到40°,半锥角会达到44.85°[7],图1为Starlink卫星在轨道高度550km、覆盖角度40°,覆盖半锥角44.85°的覆盖示意图。

图1 Starlink卫星覆盖示意图Fig.1 Starlink satellite coverage diagram

由于Starlink一期星座采用了Ku和Ka频率[8-9],与我国GEO卫星下行通信频段存在重叠[10],所以若GEO卫星波束与Starlink卫星波束相重叠,则存在Starlink星座对我国GEO卫星下行通信的干扰。图2为Starlink卫星对GEO卫星地面信关站的下行干扰模型。

图2 Starlink卫星对GEO地面信关站的下行干扰Fig.2 Downlink interference of Starlink satellite to GEO ground gateway station

针对Starlink星座对我国的空间域影响,本文使用STK和Arcgis两种工具,对我国大陆区域、台海区域、台湾省进行了Starlink星座覆盖分析,并在GIS上绘制了态势图,对其进行可视化分析。

2.1 仿真参数设置

仿真建模的过程中,首先要完成Starlink星座系统的轨道拓扑构建,其次要设置Starlink卫星天线覆盖模型,并建立目标覆盖区域。Starlink一期星座的轨道参数如表1所示,最后要构建如图1所示的下行通信链路干扰模型,下行链路干扰仿真参数如表2所示。本仿真采用Starlink星座初期部署的模型,共1584颗卫星。根据Starlink卫星轨道高度特点,仿真时长设置为一天可以保证每颗卫星基本实现回归的效果,因此,设置仿真周期为协调世界时(UTC)2021-03-27T06:14:00至2021-03-28T06:14:00。

广泛性焦虑(generalized anxiety disorder,GAD)又称慢性焦虑症,主要表现为与现实不相符的持续痛苦、担忧,患者警惕性增高易发脾气,过分关注周围环境或自身健康而不能放松下来。GAD的发病机制尚无确切的结论,遗传因素可能是GAD的重要发病机制之一,有研究显示广泛性焦虑障碍患者和正常人的一级亲属患病风险率分别为19.5%和3.5%。对双生子的研究也显示,在同卵双生子中,该病的共患率明显高于异卵双生子。

表1 Starlink一期星座轨道参数Table 1 Starlink Phase I orbital parameters

表2 下行链路干扰仿真参数Table 2 Downlink interference simulation parameters

2.2 仿真模型构建

根据表1的轨道参数,利用Matlab软件在STK仿真软件中生成Starlink一期星座,并设置Starlink卫星天线半锥角为44.85°;在我国(3°51′北～53°33′北,73°33′东～135°05′东)范围内建立覆盖区域(覆盖栅格经纬度大小均为1°),共包含3213个覆盖栅格。构成本文的仿真场景。仿真时长为1天,仿真步长为60s。Starlink星座分布模型图和Starlink卫星天线覆盖模型图如图3、图4所示,Starlink星座对GEO卫星的干扰模型图如图5所示。

图3 Starlink星座分布模型Fig.3 Starlink constellation distribution model

图4 Starlink卫星天线覆盖模型Fig.4 Starlink satellite antenna coverage model

图5 Starlink星座干扰模型Fig.5 Interference model of starlink constellation

2.3 覆盖仿真结果分析

本文首先分析了Starlink星座对我国境内的覆盖情况,重点关注了台海区域和台湾省的覆盖效果,并绘制了3种指标的态势图,分别是我国境内、台海区域、台湾省的最大可见卫星数、被覆盖时间占比和最大无覆盖时段的时间间隔,其中,区域被覆盖时间占比定义为区域被Starlink星座覆盖的时间与仿真时长之比;其次,本文对我国不同位置的GEO卫星地面信关站受到Starlink星座下行通信干扰的情况进行了分析,并利用Arcgis软件绘制了我国不同区域的GEO卫星地面信关站受到Starlink星座有害干扰时间占比的态势图。

2.3.1 我国大陆覆盖情况

图6为我国大陆各区域最大可见卫星数态势图,图7为我国大陆各区域被Starlink星座覆盖的时间占比态势图,图8为我国大陆各区域无覆盖时段的最大时间间隔态势图。

图6 我国大陆各区域最大可见卫星数态势图Fig.6 Maximum number of visible satellites in various regions of mainland of China

图7 我国大陆被覆盖的时间占比态势图Fig.7 Proportion of time covered in mainland of China

如图6所示,我国大陆的最小可见卫星数为4颗,最大可见卫星数为14颗。一个区域的最大可见Starlink星座卫星数反映了该区域的Starlink星座服务网络的稳定性,也反映了对该区域采取应对措施的难度。显然,对于最小可见卫星数为4颗的区域,采取应对措施相对容易;而对于最大可见卫星数为14颗的区域,采取应对措施将非常困难。

图8 我国大陆无覆盖时段的最大时间间隔态势图Fig.8 Maximum time interval situation map of uncovered period in mainland of China

如图7所示,我国大陆绝大部分区域的覆盖时间占比达到100%,只有少数区域存在覆盖间隙,即无网络服务状态。Starlink星座在无卫星覆盖时进行活动的可能性很低。

图8显示了我国大陆各区域无覆盖时段的时间间隔(最大值),即覆盖间隙,也即无网络服务状态时段。这一时段越长,越有利于对Starlink星座的活动进行应对。然而,在1584颗Starlink卫星的模型中,无网络服务状态时段的最大值仅为40s左右,并且随着Starlink卫星发射数量和速度的增加,覆盖时间占比会逐渐接近100%,无网络服务状态时段也会越来越短。

2.3.2 我国台海区域覆盖情况

图9为台海区域最大可见卫星数态势图,图10为台海区域被Starlink星座覆盖的时间占比态势图,图11为台海区域无覆盖时段的最大时间间隔态势图。

图9 台海区域最大可见卫星数态势图Fig.9 Maximum number of visible satellites in Taiwan Strait area

图10 台海区域被覆盖的时间占比态势图Fig.10 Proportion of time covered by Taiwan Strait area

图11 台海区域无覆盖时段的最大时间间隔态势图Fig.11 Maximum time interval situation map of uncovered period in Taiwan Strait area

由图9可见,台海区域的卫星可见性较高,最少可见4颗卫星,最多可见9颗卫星。由图10可见,台海区域的卫星覆盖率也较高,大部分地区的覆盖时间占比在90%至99%之间。图11显示了台海区域的无覆盖时段的时间间隔(最大值),大多数地区在0～40s之间。综合上述3图分析,钓鱼岛和赤尾屿周边地区的卫星网络服务具有较强的健壮性,但又由于其周边无覆盖时段的时间间隔最大,说明其存在较长的无服务时段,可以加以利用,对Starlink星座进行应对。

2.3.3 台湾省覆盖情况

图12为台湾省最大可见卫星数态势图,图13为台湾省被Starlink星座覆盖的时间占比态势图,图14为台湾省无覆盖时段的最大时间间隔态势图。

图12 台湾省最大可见卫星数态势图Fig.12 Maximum number of visible satellites in Taiwan

图13 台湾省被覆盖的时间占比态势图Fig.13 Trend map of time proportion covered in Taiwan

图14 台湾省无覆盖时段的最大时间间隔态势图Fig.14 Maximum time interval situation map of uncovered period in Taiwan

根据上述三图,我们可以发现,台湾省的最大可见卫星数为4～7颗之间,其覆盖率为90%～99%,无覆盖时段的时间间隔为0～40s。此外,台北市和台南市所在的区域可见卫星数和覆盖率都较低,台北市所在的区域无网络服务状态时段也相对较长,这意味着对这些区域实施Starlink星座应对措施的难度相对较低。

2.4 下行干扰仿真结果分析

本文采取载干比作为评估Starlink星座对GEO卫星地面信关站干扰程度的指标。我国的全球移动通信系统(GSM)、美国的北美数字蜂窝(IS-54))系统和日本的个人数字蜂窝(PDC)系统等都规定载干比不得小于9dB,即C/I≥9dB[11-13]。考虑到卫星通信系统复杂的链路情况和更高的通信要求,在工程应用中要加3～4dB的余量,一般认为卫星通信系统中载干比要不小于13dB,即C/I≥13dB[14-15]。因此,本文采取C0/I0=13dB为GEO下行链路的所能承受的干扰阈值。当天线接收处载干比低于阈值13dB时,视为Starlink星座对GEO卫星下行通信产生了有害干扰。

结合Starlink星座的下行干扰分析与空间域影响分析,在我国境内选取多个不同经纬度的GEO信关站,分别对其进行下行干扰仿真,计算出天线接收处载干比低于阈值13dB的时间百分比,并绘制态势图。图15给出了我国境内不同区域GEO信关站天线接收处载干比低于阈值13dB的时间百分比。

图15 我国不同区域GEO地面信关站所受Starlink星座干扰时间百分比态势图Fig.15 Percentage of starlink constellation interference time to GEO ground gateway station in different regions of China

由图15可知,我国境内纬度越高的区域,地面信关站所受的有害干扰时间百分比越高,Starlink的干扰越强,这个结论和2.3.1节中我国大陆覆盖特性态势图的结论相符,采集到的数据显示,Starlink一期星座在50°北左右的覆盖数量、干扰能力达到峰值。

本文结合STK软件生成的仿真数据和Arcgis软件绘制的态势图,高度可视化地展示了Starlink一期星座对我国大陆、台海区域和台湾省的空间域干扰情况。从目前Starlink卫星发射的规模和速度来看,在不久的将来就会达到对我国全境100%的覆盖时间占比,伴随着Starlink卫星数量的增加,最大可见卫星数会不断增加,无覆盖时段会不断压缩,最终归零,我国对Starlink星座进行应对也将面临着更加严峻的考验。考虑到Starlink星座的指挥、控制、情报、侦察和干扰能力过于突出,可以很好地支持美军的自动化指挥系统(C4ISR)的行动,其军事能力在俄乌战场上得到了充分实证,因此针对热点地区的区域作战必须重视它的空间域影响。本文针对热点区域提供Starlink星座空间域干扰态势图作为参考,同时还有以下几点值得深入研究和改进之处:

(1)本文的仿真模型采用Starlink一期星座共1584颗卫星,随着Starlink卫星的高频次发射,会根据需求进一步增加仿真中的卫星数量,完善仿真模型;

(2)本文仅绘制了部分热点地区的态势图,为了适应实际反制需求,后续会结合时间域、空间域和功率域的研究内容,丰富态势图的参数和分布情况,并制作可交互的态势软件。