劉慧梁,孫 茜,楚 堯,彭 菲,鮑曉月,江 帆,張馨予,田 蕾,呂紅劍,蔡亞星
(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094;2.國(guó)家航天局 衛(wèi)星通信系統(tǒng)創(chuàng)新中心,北京 100094 3.啟元實(shí)驗(yàn)室,北京 100095)
隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的國(guó)家或企業(yè)開始重視發(fā)展低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。截至2022年,數(shù)量龐大的非靜止軌道(non-geostationary orbit,NGSO)衛(wèi)星星座已經(jīng)相繼部署,且呈持續(xù)快速攀升狀態(tài)[1-2]。軌道和頻率是通信衛(wèi)星能夠正常運(yùn)行的先決條件,隨著衛(wèi)星頻率和軌道資源的日益擁擠,NGSO衛(wèi)星星座面臨著與靜止軌道(geostationary orbit,GSO)衛(wèi)星系統(tǒng)、地面業(yè)務(wù),以及其他NGSO衛(wèi)星星座的頻率共存問(wèn)題,頻率資源形勢(shì)非常嚴(yán)峻,潛在的干擾風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)逐漸增加。開展系統(tǒng)間頻率干擾概率分析并針對(duì)潛在有害干擾進(jìn)行預(yù)規(guī)劃設(shè)計(jì),已經(jīng)成為NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[3-5]。
針對(duì)NGSO系統(tǒng)對(duì)GSO系統(tǒng)的干擾問(wèn)題,目前已形成了較為完善的分析方法及干擾評(píng)估體系,例如:國(guó)際電聯(lián)(International Telecommunication Union,ITU)建議書ITU-R S.1323中的I/N(Interference/Noise)干擾指標(biāo)評(píng)價(jià)體系[6],以及ITU規(guī)則第22條當(dāng)中的等效功率通量密度(effective power flux density,EPFD)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系等[7]?;诔墒斓母蓴_評(píng)估體系及NGSO系統(tǒng)對(duì)GSO系統(tǒng)最惡劣干擾場(chǎng)景的分析,眾多研究者已構(gòu)建了系統(tǒng)間干擾規(guī)避方法,其中具有里程碑意義的是以O(shè)neWeb為代表的NGSO衛(wèi)星星座操作者提出的漸進(jìn)俯仰(progressive pitch)規(guī)避策略,通過(guò)調(diào)整NGSO衛(wèi)星在低緯度地區(qū)的姿態(tài),通過(guò)增大隔離角的方式消除對(duì)高軌衛(wèi)星的干擾。
與GSO系統(tǒng)相對(duì)靜止的特點(diǎn)不同,NGSO系統(tǒng)具有衛(wèi)星位置高動(dòng)態(tài)性、干擾鏈路行為復(fù)雜的特征,因此NGSO系統(tǒng)間的頻率干擾場(chǎng)景建模分析將變得十分復(fù)雜。ITU在相關(guān)建議書中對(duì)理想條件下NGSO星座系統(tǒng)中衛(wèi)星位置概率分析模型進(jìn)行了初步探索[8-9],但針對(duì)NGSO系統(tǒng)間有害干擾概率分析方法,國(guó)際上并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、解決方案。
在此背景下,深入研究了NGSO系統(tǒng)間同頻干擾概率分析方法,建立了基于可視空域衛(wèi)星出現(xiàn)概率的分析體系,并在此基礎(chǔ)上提出了NGSO系統(tǒng)間同頻有害干擾概率分析模型,該方法適用于不同NGSO系統(tǒng)間同頻干擾分析。以O(shè)neWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、O3b衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及SpaceX的STEAM-2B衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為例,展示了所提出的同頻干擾分析的仿真結(jié)果,驗(yàn)證了不同星座軌道構(gòu)型對(duì)干擾概率分布的影響,并分析了基于空域預(yù)劃分的干擾規(guī)避策略對(duì)NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間頻譜共享的有效性。
目前NGSO通信衛(wèi)星星座大部分采用Walker星座構(gòu)型,本文旨在探索星座構(gòu)型對(duì)NGSO系統(tǒng)間同頻干擾發(fā)生概率的影響,故選取3個(gè)典型的單一構(gòu)型Walker星座系統(tǒng)作為研究對(duì)象,具體通信系統(tǒng)的軌道參數(shù)如表1所列。其中,OneWeb星座系統(tǒng)包括720顆衛(wèi)星,軌道高度1200km,傾角為87.9°[10],構(gòu)型如圖1中藍(lán)色點(diǎn)表示;O3b星座系統(tǒng)包括24顆衛(wèi)星,軌道高度8062km,傾角為0°[11],構(gòu)型如圖1中綠色點(diǎn)表示;SpaceX(STEAM-2B)星座系統(tǒng)包括1600顆衛(wèi)星,軌道高度1150km,傾角為53°[1],構(gòu)型如圖1中紅色點(diǎn)表示。
表1 非靜止軌道通信星座軌道參數(shù)Tab.1 Orbit parameters of NGSO satellite systems
圖1 星座構(gòu)型示意圖(藍(lán)色:OneWeb星座,綠色:O3b星座,紅色:SpaceX星座)Fig.1 Schematic of the NGSO satellite systems (blue:OnewWeb, green:O3b,red:SpaceX)
在衛(wèi)星系統(tǒng)干擾分析中,除基于軌道外推的時(shí)域統(tǒng)計(jì)方法外,利用衛(wèi)星分布概率確定星座空間位置關(guān)系、模擬概率分布曲線,是完成星座系統(tǒng)性能優(yōu)化及干擾評(píng)估的一種重要方法[12]。在ITU建議書ITU-R S.1527中,推導(dǎo)了特定軌道衛(wèi)星在確認(rèn)空域的出現(xiàn)概率以及星座空間分布規(guī)律。之后相關(guān)研究也展示了基于空間位置概率法與軌道外推獲取的結(jié)果幾乎一致,且大大提升了仿真計(jì)算效率[13-14]。
圖2 地面終端可視空域劃分示意圖Fig.2 Schematic of the field of view (FOV) division of the user terminal on earth
本小節(jié)將研究衛(wèi)星出現(xiàn)概率隨仰角、方位角的變化規(guī)律。首先將任意地面終端可視空域劃為更小的子空域。如圖2所示,以邊長(zhǎng)為10.5°的正六邊形為網(wǎng)格劃分可視空域,正六邊形單元緊密排列,各區(qū)域中心呈三角形排布,共得到85個(gè)子空域,方位角0°表示正北方向,90°表示正東方向,180°表示正南方向,極軸長(zhǎng)度表示仰角范圍,坐標(biāo)中心點(diǎn)表示地面終端正上方,即仰角為90°。將表1中不同構(gòu)型星座分別代入基于軌道外推的時(shí)域統(tǒng)計(jì)模型及基于ITU-R S.1527的空間概率分布模型[8],并選取北緯0°、30°和60°三個(gè)地面終端觀測(cè)位置,得到空間概率分布分析結(jié)果如圖3所示。
圖3 衛(wèi)星星座在不同緯度地面終端可視空域分布關(guān)系圖Fig.3 Simulation results of the NGSO satellite distribution in the field of view (FOV) of the user terminal at different latitude on earth for (a) OneWeb (b) O3b (c) SpaceX.
OneWeb衛(wèi)星星座在不同緯度地面終端可視空域概率分布如圖3(a)所示,結(jié)果中圓圈位置表示子空域中心,顏色圖例表示該NGSO系統(tǒng)衛(wèi)星出現(xiàn)在子空域的概率,方位角0°表示正北方向,極軸長(zhǎng)度表示仰角范圍,坐標(biāo)中心點(diǎn)表示地面終端正上方,即仰角為90°。當(dāng)?shù)孛娼K端位于0°N時(shí),正上方空域衛(wèi)星出現(xiàn)概率最低,隨著仰角降低,四周子空域衛(wèi)星出現(xiàn)概率逐漸增加。當(dāng)?shù)孛娼K端位于30°N及60°N時(shí),隨著地面終端緯度增加,圖中北方的衛(wèi)星出現(xiàn)概率會(huì)逐漸高于南方。
O3b衛(wèi)星星座在不同緯度地面終端可視空域概率分布如圖3(b)所示,由于O3b星座傾角為0°,其空間分布概率結(jié)果和OneWeb近極軌道星座表現(xiàn)出較大差異。當(dāng)?shù)孛娼K端位于0°N時(shí),衛(wèi)星出現(xiàn)概率大于0的子空域沿東西方向分布,即方位角90°及270°方向,其他子空域衛(wèi)星出現(xiàn)概率為0。當(dāng)?shù)孛娼K端位于30°N時(shí),隨著地面終端緯度增加,圖中衛(wèi)星出現(xiàn)概率大于0的區(qū)域會(huì)逐漸移向南方。當(dāng)?shù)孛娼K端位于60°N時(shí),僅正南方向低仰角區(qū)域的兩個(gè)子空域的衛(wèi)星出現(xiàn)概率大于40%。
SpaceX衛(wèi)星星座在不同緯度地面終端可視空域概率分布如圖3(c)所示,由于SpaceX星座傾角為53°,其空間分布概率結(jié)果和之前所述近極軌道星座以及0°傾角星座也表現(xiàn)出一定差異。當(dāng)?shù)孛娼K端位于0°N時(shí),正上方空域衛(wèi)星出現(xiàn)概率最低,隨著仰角降低,四周子空域衛(wèi)星出現(xiàn)概率逐漸增加,由于SpaceX星座包含衛(wèi)星數(shù)量遠(yuǎn)高于其他兩星座,所以在視場(chǎng)邊緣衛(wèi)星出現(xiàn)概率約為100%。當(dāng)?shù)孛娼K端位于30°N時(shí),隨著地面終端緯度增加,圖中北方的衛(wèi)星出現(xiàn)概率會(huì)略高于南方。當(dāng)?shù)孛娼K端位于60°N時(shí),可視范圍內(nèi)南方大部分區(qū)域衛(wèi)星出現(xiàn)概率約等于100%,北方區(qū)域概率為0,若地面終端繼續(xù)向北移動(dòng),將接近覆蓋區(qū)邊緣。傾斜軌道星座的覆蓋區(qū)極限范圍由星座傾角及高度共同決定。
以上星座空間概率分布的仿真結(jié)果均與理論分析結(jié)果相一致。
對(duì)于NGSO星座系統(tǒng)對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界已開展了大量基礎(chǔ)研究工作。例如NGSO系統(tǒng)對(duì)GSO系統(tǒng)的干擾分析,基于ITU建議書ITU-R S.1503中分析方法[15],可計(jì)算NGSO星座系統(tǒng)等效功率通量密度EPFD,其對(duì)GSO保護(hù)的合規(guī)限值epfd↓、epfd↑以及epfdis,在ITU《無(wú)線電規(guī)則》第22條中有詳細(xì)規(guī)定,從而形成了較為完善的系統(tǒng)間干擾分析方法。此外,基于ITU建議書ITU-R S.1323中考慮集總干擾的分析方法,系統(tǒng)間由干擾引起的等效噪聲溫度變化需小于等于接收系統(tǒng)噪聲的6%,即△T/T≤6%,這一干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)也可等效為干擾噪聲比小于等于-12.2dB,即I/N≤-12.2dB。
以上干擾評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法均針對(duì)NGSO系統(tǒng)與GSO系統(tǒng),對(duì)于NGSO系統(tǒng)間有害干擾概率評(píng)估方法及指標(biāo)限值,國(guó)際上目前并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、解決方案。在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中,清華大學(xué)針對(duì)NGSO系統(tǒng)間干擾分析,創(chuàng)新提出了基于鏈路夾角的概率分析方法[16],該方法在復(fù)雜的時(shí)空關(guān)系特征中通過(guò)提取地面站共址時(shí)受擾鏈路與干擾鏈路之間的夾角,比對(duì)實(shí)時(shí)夾角與產(chǎn)生有害干擾時(shí)夾角的閾值,判斷有害干擾情況的發(fā)生,為NGSO星座間干擾分析提供了可參考的指標(biāo)。但是,在鏈路干擾保護(hù)夾角閾值的計(jì)算過(guò)程中,這一方法并沒(méi)有充分考慮當(dāng)?shù)厍蛘疚恢冒l(fā)生變化時(shí),星地鏈路距離實(shí)時(shí)變化的特性,僅通過(guò)某一特定干擾場(chǎng)景下星地距離確定干擾保護(hù)夾角閾值,沒(méi)有充分體現(xiàn)空間位置的時(shí)變特性對(duì)于干擾評(píng)估結(jié)果的影響,分析結(jié)果與現(xiàn)實(shí)干擾情況可能存在一定偏差。本文NGSO系統(tǒng)間干擾分析場(chǎng)景如圖4所示:
圖4 不同NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)間干擾場(chǎng)景示意圖Fig.4 Schematic of the interference scenario between different NGSO satellite systems
假設(shè)NGSO系統(tǒng)通信頻段存在重疊時(shí),NGSO系統(tǒng)1衛(wèi)星的部分發(fā)射功率會(huì)被NGSO系統(tǒng)2地面站的接收天線捕獲,形成如圖4中虛線所示同頻干擾鏈路,干擾信號(hào)強(qiáng)度可由式(1)衡量:
(1)
其中P1為衛(wèi)星發(fā)射功率,G1、G2分別為天線在特定角度的發(fā)射增益及接收增益,θ1、θ2為天線凝視系統(tǒng)內(nèi)部目標(biāo)時(shí)與其他系統(tǒng)對(duì)象間的離軸角(如圖4中所示),λ為工作波長(zhǎng),d為干擾衛(wèi)星與受擾地面站間星地距離(即圖4中虛線距離)。
在評(píng)估系統(tǒng)間干擾程度時(shí),本研究參考ITU建議書ITU-R S.1323,選用干擾噪聲比I/N作為干擾評(píng)估指標(biāo),如式(2)所示:
(2)
其中,k為玻爾茲曼常數(shù),T2為接收機(jī)噪聲溫度,W2為接收機(jī)工作帶寬。
在同頻有害干擾分布仿真中,假設(shè)典型Ka頻段鏈路下行中心頻點(diǎn)為19GHz,帶寬為3.9MHz。地面接收機(jī)噪聲溫度為300K。以表1中所列星座為例,使用Matlab建立通信系統(tǒng)模型,各星座均采用最佳仰角接入策略,地面用戶可實(shí)時(shí)選擇仰角最大的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò),星載天線采用可動(dòng)點(diǎn)波束模型,接入衛(wèi)星采用凝視跟蹤模式,即主瓣中心對(duì)準(zhǔn)地面用戶站,其余衛(wèi)星同頻波束指向各自星下點(diǎn)。星載天線波束方向圖模型參考ITU-R S.1528[17],其表達(dá)式如式(3)所示:
(3)
其中GT為發(fā)射增益,Gm為主瓣最大增益,φ為離軸角,φb為3dB波束寬度的一半,參數(shù)Z等于1.5φb×10[0.04×(Gm-6.75)]。參數(shù)取值參考ITU公布的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料,其中OneWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料ID為113520120,選取下行波束GTA,Gm為27.6dBi;O3b-A衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料ID為108520116,選取下行波束T1R,Gm為37.6dBi;SpaceX衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料ID為117520027,選取下行波束DB283,Gm為28.3dBi。
地面終端天線方向圖模型參考ITU-R S.1428[18],其表達(dá)式如式(4)所示:
(4)
其中GR為接收增益,φ為離軸角,λ為工作波長(zhǎng),D為天線直徑(本文仿真均選用0.75m天線模型),Gmax為主瓣最大增益,表達(dá)式如式(5)所示:
(5)
參數(shù)G1與φm的表達(dá)式如式(6)、式(7)所示:
(6)
(7)
考慮NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)地面站重合且任意系統(tǒng)不實(shí)施干擾規(guī)避措施的極端情況下,假設(shè)受擾系統(tǒng)地面站可選擇視野范圍內(nèi)仰角大于0°的NGSO衛(wèi)星接入,相同可視范圍內(nèi)施擾系統(tǒng)的任意NGSO衛(wèi)星均有向共址地面站發(fā)送同頻信號(hào)的情況,基于式(2)可計(jì)算得到NGSO系統(tǒng)間任意兩衛(wèi)星產(chǎn)生同頻下行信號(hào)時(shí),在地面接收機(jī)產(chǎn)生的干擾噪聲比,借鑒ITU-R S.1323建議書中指標(biāo),計(jì)算I/N≥-12.2dB的概率,即下行鏈路中施擾信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)受擾系統(tǒng)保護(hù)閾值,從而產(chǎn)生同頻有害干擾的概率。在全球不同位置的地面站進(jìn)行以上計(jì)算,即可得到NGSO系統(tǒng)間產(chǎn)生有害干擾概率分布圖。
圖5為OneWeb系統(tǒng)對(duì)O3b系統(tǒng)有害干擾概率分布仿真結(jié)果,可見(jiàn)地面站位置不同,NGSO系統(tǒng)間產(chǎn)生大于保護(hù)閾值的有害干擾概率不同。由于NGSO星座系統(tǒng)構(gòu)型的對(duì)稱性,影響這一概率分布結(jié)果的主要因素是地面站所在緯度。當(dāng)?shù)孛嬲疚挥诘途暥鹊貐^(qū)時(shí),OneWeb系統(tǒng)在較高仰角范圍的衛(wèi)星出現(xiàn)概率較低,在低仰角范圍區(qū)域出現(xiàn)概率大,如圖3(a)所示;而O3b系統(tǒng)衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布集中于東西方向,在高仰角范圍和低仰角范圍的出現(xiàn)概率相對(duì)平均,如圖3(b)所示。這一分布特征的差異,使低緯度地區(qū)地面站在可視范圍選星組合中,有較多組合可以符合干擾保護(hù)閾值,產(chǎn)生有害干擾的總概率較小。隨著地面站緯度的增加,衛(wèi)星在可視范圍內(nèi)的出現(xiàn)概率也隨之變化,當(dāng)緯度接近50°時(shí),兩系統(tǒng)的大概率出現(xiàn)區(qū)域在低仰角范圍發(fā)生較大重合,從而使有害干擾概率有所增加。
圖5 OneWeb系統(tǒng)對(duì)O3b系統(tǒng)有害干擾概率分布圖Fig.5 Schematic of the interference scenario between OneWeb and O3b satellite systems
圖6為OneWeb系統(tǒng)對(duì)SpaceX系統(tǒng)有害干擾概率分布仿真結(jié)果,與圖5結(jié)果對(duì)比可見(jiàn),隨著施擾系統(tǒng)構(gòu)型變化,NGSO系統(tǒng)間產(chǎn)生有害干擾概率分布特征也隨之改變。當(dāng)?shù)孛嬲疚挥诘途暥鹊貐^(qū)時(shí),SpaceX系統(tǒng)與OneWeb系統(tǒng)衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布相近,均為在較高仰角范圍的衛(wèi)星出現(xiàn)概率較低,在低仰角范圍區(qū)域出現(xiàn)概率較大,如圖3(c)所示。這種特征的疊加大大增加了同頻共線干擾的概率,使圖6中有害干擾結(jié)果在低緯度地區(qū)呈現(xiàn)出較高的分布。隨著緯度增加至大于50°的范圍時(shí),由于SpaceX系統(tǒng)特定傾角下的覆蓋特性,使衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布發(fā)生了較大變化,地面站可視范圍內(nèi),有超過(guò)一半的區(qū)域不會(huì)有衛(wèi)星出現(xiàn),從而使這一區(qū)域OneWeb系統(tǒng)衛(wèi)星受干擾概率大大降低。
圖6 OneWeb系統(tǒng)對(duì)SpaceX系統(tǒng)有害干擾概率分布圖Fig.6 Schematic of the interference scenario between OneWeb and SpaceX satellite systems
圖7為O3b系統(tǒng)對(duì)SpaceX系統(tǒng)有害干擾概率分布仿真結(jié)果,與圖6結(jié)果對(duì)比可見(jiàn),隨著受擾系統(tǒng)構(gòu)型變化,NGSO系統(tǒng)間產(chǎn)生有害干擾概率分布特征也隨之改變。當(dāng)?shù)孛嬲疚挥诘途暥鹊貐^(qū)時(shí),O3b系統(tǒng)衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布集中于東西方向,在高仰角范圍和低仰角范圍的出現(xiàn)概率相對(duì)平均,如圖3(b)所示;而SpaceX系統(tǒng)在較高仰角范圍的衛(wèi)星出現(xiàn)概率較低,在低仰角范圍區(qū)域出現(xiàn)概率大,如圖3(c)所示。這一衛(wèi)星出現(xiàn)分布特征的差異使低緯度地區(qū)有害干擾概率分布較低。隨著緯度的增加,兩系統(tǒng)間衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布特征趨同,受覆蓋范圍限制,高緯度地區(qū)兩系統(tǒng)衛(wèi)星均集中于低仰角區(qū)域,從而使有害干擾產(chǎn)生的概率大幅增加。
基于以上仿真結(jié)果,可以看出,NGSO星座系統(tǒng)構(gòu)型會(huì)直接影響不同緯度地面站可視范圍內(nèi)的衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布,而系統(tǒng)間衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布趨同時(shí),會(huì)使同頻有害干擾的概率增加,反之不同NGSO系統(tǒng)衛(wèi)星在可視空域出現(xiàn)概率分布有較大差異時(shí),有害干擾較低。
對(duì)于NGSO系統(tǒng)間同頻干擾概率評(píng)估問(wèn)題,通過(guò)分析星座構(gòu)型與地面站可視空域內(nèi)衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布特性的關(guān)系,利用地面站接收端干擾噪聲比保護(hù)閾值建立了概率評(píng)估參數(shù)指標(biāo),并以O(shè)neWeb系統(tǒng)、O3b系統(tǒng)以及SpaceX系統(tǒng)為例,分析了對(duì)于全球范圍地面站不同NGSO系統(tǒng)間發(fā)生有害干擾的概率分布特性,當(dāng)系統(tǒng)間衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布趨同會(huì)使有害干擾概率增加,反之不同NGSO系統(tǒng)衛(wèi)星在可視空域出現(xiàn)概率分布的較大差異會(huì)有效降低有害干擾概率。
建議未來(lái)在后發(fā)NGSO系統(tǒng)星座構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)充分考慮已部署或已申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)資料的NGSO系統(tǒng)的構(gòu)型特征,在系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)著重針對(duì)可視空域內(nèi)概率分布特征進(jìn)行差異化設(shè)計(jì),以降低同頻有害干擾發(fā)生概率。而對(duì)于可視空域內(nèi)出現(xiàn)概率分布趨同的NGSO星座,后續(xù)應(yīng)著重研究合理部署頻率、時(shí)間、空間分集的干擾規(guī)避策略,降低有害干擾發(fā)生的概率。
感謝中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目(2021QNRC001)的資助。