Starlink星座對我國國土及周邊空間域影響分析

龔力瑋 呂蓉

(1 南京信息工程大學 電子與信息工程學院,南京 210044) (2 國防科技大學第六十三研究所,南京 210007)

Starlink星座是美國太空探索技術公司(SpaceX)于2015年計劃推出的一項通過低地軌道衛星網,第一階段部署1584顆衛星,軌道高度為550km。2019年,SpaceX公司又提交申請,準備追加3萬顆星鏈衛星,“星鏈計劃”衛星數量總計約4.2萬顆[1]。Starlink星座提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務。Starlink星座的目標是為全球各地的消費者提供低延遲、高帶寬的網絡連接,尤其是那些目前缺乏或無法獲得可靠網絡服務的地區。

然而Starlink星座給許多國家地面的網絡安全和主權帶來了覆蓋影響。據報道,SpaceX宣布,Starlink星座現已對全球32個國家提供服務,其中包括烏克蘭。這意味著“星鏈”可以繞過地面的網絡基礎設施,直接向用戶提供互聯網接入,從而可能影響到其他國家的網絡管控和監管。

此外,Starlink星座也可能被用于軍事目的,為美國提供戰略優勢。例如,“星鏈”可以為美軍提供全球范圍內的高速通信和數據傳輸,增強其指揮、控制、情報、偵察和監視能力[2]。同時,Starlink星座也可以作為一種反制手段,干擾或破壞其他國家的衛星通信或導航系統。因此,“星鏈”的覆蓋影響是一個不容忽視的問題。本文針對Starlink星座對我國大陸、臺海地區和臺灣省的覆蓋能力進行了仿真分析,評估了其在不同地區的覆蓋水平。同時,本文還考慮了Starlink星座對我國地球靜止軌道(GEO)衛星下行鏈路的干擾影響,仿真計算了我國不同地區的地面信關站受到Starlink星座干擾的時間百分比,并繪制了可視化的態勢圖,探討了其對我國軍事通信的潛在影響。

目前已有的對于Starlink星座的空間域影響分析還處于初步階段,文獻[3]結合熱點地區的實際情況,利用STK仿真軟件,建立了目前已發射的星鏈衛星星座模型,并選取了合適的覆蓋對象和品質因數,計算和分析了其覆蓋性能;在此基礎上,文獻[4]利用STK軟件建立了Starlink星座的覆蓋模型,對其在南北緯70°范圍內的覆蓋能力進行了定量分析,為評估星鏈星座的性能提供了一種有效的方法,對Starlink星座在不同地區的覆蓋情況進行了詳細的比較,展示了星鏈星座在不同地區的覆蓋能力,并探討了其軍事應用潛力,分析了其可以為軍事通信、導航、情報偵察等提供強大支撐的可能性和優勢。然而,目前已有的空間域影響分析文獻只關注了覆蓋重數,缺乏對Starlink星座下行通信性能(如頻率、載干比、干擾等因素)的研究,例如文獻[5-6]中Starlink星座對地球同步軌道(GSO)衛星系統饋電鏈路的下行同頻干擾分析,這些因素對于我國具體用頻設備的干擾非常重要。此外,缺乏結合地理信息系統(GIS)做可視化分析的案例,無法直觀地展示Starlink星座對我國不同地區的覆蓋特性和干擾特性。因此,本文在對我國大陸、臺海地區和臺灣省進行Starlink星座覆蓋分析的基礎上,還利用STK軟件的通信分析模塊,以載干比(C/I)和干擾時間百分比為指標,分析了Starlink星座對我國特定GEO衛星和不同地面信關站下行通信的干擾,并結合GIS,繪制出了Starlink星座覆蓋特性和下行干擾特性的態勢圖,更為直觀地展示了Starlink星座對我國不同地區的覆蓋特性和干擾特性。

綜上,本文首先建立了Starlink一期星座(1584顆)對我國大陸、臺海地區和臺灣省的覆蓋模型,以及對我國特定GEO衛星和不同地面信關站的下行干擾模型;其次通過Matlab軟件采集STK仿真數據分析了一天內的覆蓋特性數據和下行干擾數據;計算了等效全向輻射功率(EIRP)等電磁參數;最后結合GIS,繪制出可視化程度高的態勢圖,從多個角度分析了Starlink星座在軍事通信、導航、情報偵察等方面對我國安全所產生的影響,為我國后續的區域安全和應對Starlink星座提供了有效參考。

由于SpaceX獵鷹火箭的相對低成本和強大運力,星鏈衛星可以頻繁發射,每次發射可以搭載多達60個衛星,截至2023年3月22日,Starlink星座在軌衛星3293顆,占世界在軌航天器總數的近一半。本文選取Starlink一期星座共1584顆衛星進行建模與仿真。

要進行Starlink星座對的空間域覆蓋分析,首先要對覆蓋場景進行建模。根據官方數據,Starlink衛星Ku頻段天線覆蓋角度部署初期可能僅有25°,但最終會提高到40°,半錐角會達到44.85°[7],圖1為Starlink衛星在軌道高度550km、覆蓋角度40°,覆蓋半錐角44.85°的覆蓋示意圖。

圖1 Starlink衛星覆蓋示意圖Fig.1 Starlink satellite coverage diagram

由于Starlink一期星座采用了Ku和Ka頻率[8-9],與我國GEO衛星下行通信頻段存在重疊[10],所以若GEO衛星波束與Starlink衛星波束相重疊,則存在Starlink星座對我國GEO衛星下行通信的干擾。圖2為Starlink衛星對GEO衛星地面信關站的下行干擾模型。

圖2 Starlink衛星對GEO地面信關站的下行干擾Fig.2 Downlink interference of Starlink satellite to GEO ground gateway station

針對Starlink星座對我國的空間域影響,本文使用STK和Arcgis兩種工具,對我國大陸區域、臺海區域、臺灣省進行了Starlink星座覆蓋分析,并在GIS上繪制了態勢圖,對其進行可視化分析。

2.1 仿真參數設置

仿真建模的過程中,首先要完成Starlink星座系統的軌道拓撲構建,其次要設置Starlink衛星天線覆蓋模型,并建立目標覆蓋區域。Starlink一期星座的軌道參數如表1所示,最后要構建如圖1所示的下行通信鏈路干擾模型,下行鏈路干擾仿真參數如表2所示。本仿真采用Starlink星座初期部署的模型,共1584顆衛星。根據Starlink衛星軌道高度特點,仿真時長設置為一天可以保證每顆衛星基本實現回歸的效果,因此,設置仿真周期為協調世界時(UTC)2021-03-27T06:14:00至2021-03-28T06:14:00。

廣泛性焦慮(generalized anxiety disorder,GAD)又稱慢性焦慮癥,主要表現為與現實不相符的持續痛苦、擔憂,患者警惕性增高易發脾氣,過分關注周圍環境或自身健康而不能放松下來。GAD的發病機制尚無確切的結論,遺傳因素可能是GAD的重要發病機制之一,有研究顯示廣泛性焦慮障礙患者和正常人的一級親屬患病風險率分別為19.5%和3.5%。對雙生子的研究也顯示,在同卵雙生子中,該病的共患率明顯高于異卵雙生子。

表1 Starlink一期星座軌道參數Table 1 Starlink Phase I orbital parameters

表2 下行鏈路干擾仿真參數Table 2 Downlink interference simulation parameters

2.2 仿真模型構建

根據表1的軌道參數,利用Matlab軟件在STK仿真軟件中生成Starlink一期星座,并設置Starlink衛星天線半錐角為44.85°;在我國(3°51′北～53°33′北,73°33′東～135°05′東)范圍內建立覆蓋區域(覆蓋柵格經緯度大小均為1°),共包含3213個覆蓋柵格。構成本文的仿真場景。仿真時長為1天,仿真步長為60s。Starlink星座分布模型圖和Starlink衛星天線覆蓋模型圖如圖3、圖4所示,Starlink星座對GEO衛星的干擾模型圖如圖5所示。

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

圖4 Starlink衛星天線覆蓋模型Fig.4 Starlink satellite antenna coverage model

圖5 Starlink星座干擾模型Fig.5 Interference model of starlink constellation

2.3 覆蓋仿真結果分析

本文首先分析了Starlink星座對我國境內的覆蓋情況,重點關注了臺海區域和臺灣省的覆蓋效果,并繪制了3種指標的態勢圖,分別是我國境內、臺海區域、臺灣省的最大可見衛星數、被覆蓋時間占比和最大無覆蓋時段的時間間隔,其中,區域被覆蓋時間占比定義為區域被Starlink星座覆蓋的時間與仿真時長之比;其次,本文對我國不同位置的GEO衛星地面信關站受到Starlink星座下行通信干擾的情況進行了分析,并利用Arcgis軟件繪制了我國不同區域的GEO衛星地面信關站受到Starlink星座有害干擾時間占比的態勢圖。

2.3.1 我國大陸覆蓋情況

圖6為我國大陸各區域最大可見衛星數態勢圖,圖7為我國大陸各區域被Starlink星座覆蓋的時間占比態勢圖,圖8為我國大陸各區域無覆蓋時段的最大時間間隔態勢圖。

圖6 我國大陸各區域最大可見衛星數態勢圖Fig.6 Maximum number of visible satellites in various regions of mainland of China

圖7 我國大陸被覆蓋的時間占比態勢圖Fig.7 Proportion of time covered in mainland of China

如圖6所示,我國大陸的最小可見衛星數為4顆,最大可見衛星數為14顆。一個區域的最大可見Starlink星座衛星數反映了該區域的Starlink星座服務網絡的穩定性,也反映了對該區域采取應對措施的難度。顯然,對于最小可見衛星數為4顆的區域,采取應對措施相對容易;而對于最大可見衛星數為14顆的區域,采取應對措施將非常困難。

圖8 我國大陸無覆蓋時段的最大時間間隔態勢圖Fig.8 Maximum time interval situation map of uncovered period in mainland of China

如圖7所示,我國大陸絕大部分區域的覆蓋時間占比達到100%,只有少數區域存在覆蓋間隙,即無網絡服務狀態。Starlink星座在無衛星覆蓋時進行活動的可能性很低。

圖8顯示了我國大陸各區域無覆蓋時段的時間間隔(最大值),即覆蓋間隙,也即無網絡服務狀態時段。這一時段越長,越有利于對Starlink星座的活動進行應對。然而,在1584顆Starlink衛星的模型中,無網絡服務狀態時段的最大值僅為40s左右,并且隨著Starlink衛星發射數量和速度的增加,覆蓋時間占比會逐漸接近100%,無網絡服務狀態時段也會越來越短。

2.3.2 我國臺海區域覆蓋情況

圖9為臺海區域最大可見衛星數態勢圖,圖10為臺海區域被Starlink星座覆蓋的時間占比態勢圖,圖11為臺海區域無覆蓋時段的最大時間間隔態勢圖。

圖9 臺海區域最大可見衛星數態勢圖Fig.9 Maximum number of visible satellites in Taiwan Strait area

圖10 臺海區域被覆蓋的時間占比態勢圖Fig.10 Proportion of time covered by Taiwan Strait area

圖11 臺海區域無覆蓋時段的最大時間間隔態勢圖Fig.11 Maximum time interval situation map of uncovered period in Taiwan Strait area

由圖9可見,臺海區域的衛星可見性較高,最少可見4顆衛星,最多可見9顆衛星。由圖10可見,臺海區域的衛星覆蓋率也較高,大部分地區的覆蓋時間占比在90%至99%之間。圖11顯示了臺海區域的無覆蓋時段的時間間隔(最大值),大多數地區在0～40s之間。綜合上述3圖分析,釣魚島和赤尾嶼周邊地區的衛星網絡服務具有較強的健壯性,但又由于其周邊無覆蓋時段的時間間隔最大,說明其存在較長的無服務時段,可以加以利用,對Starlink星座進行應對。

2.3.3 臺灣省覆蓋情況

圖12為臺灣省最大可見衛星數態勢圖,圖13為臺灣省被Starlink星座覆蓋的時間占比態勢圖,圖14為臺灣省無覆蓋時段的最大時間間隔態勢圖。

圖12 臺灣省最大可見衛星數態勢圖Fig.12 Maximum number of visible satellites in Taiwan

圖13 臺灣省被覆蓋的時間占比態勢圖Fig.13 Trend map of time proportion covered in Taiwan

圖14 臺灣省無覆蓋時段的最大時間間隔態勢圖Fig.14 Maximum time interval situation map of uncovered period in Taiwan

根據上述三圖,我們可以發現,臺灣省的最大可見衛星數為4～7顆之間,其覆蓋率為90%～99%,無覆蓋時段的時間間隔為0～40s。此外,臺北市和臺南市所在的區域可見衛星數和覆蓋率都較低,臺北市所在的區域無網絡服務狀態時段也相對較長,這意味著對這些區域實施Starlink星座應對措施的難度相對較低。

2.4 下行干擾仿真結果分析

本文采取載干比作為評估Starlink星座對GEO衛星地面信關站干擾程度的指標。我國的全球移動通信系統(GSM)、美國的北美數字蜂窩(IS-54))系統和日本的個人數字蜂窩(PDC)系統等都規定載干比不得小于9dB,即C/I≥9dB[11-13]?？紤]到衛星通信系統復雜的鏈路情況和更高的通信要求,在工程應用中要加3～4dB的余量,一般認為衛星通信系統中載干比要不小于13dB,即C/I≥13dB[14-15]。因此,本文采取C0/I0=13dB為GEO下行鏈路的所能承受的干擾閾值。當天線接收處載干比低于閾值13dB時,視為Starlink星座對GEO衛星下行通信產生了有害干擾。

結合Starlink星座的下行干擾分析與空間域影響分析,在我國境內選取多個不同經緯度的GEO信關站,分別對其進行下行干擾仿真,計算出天線接收處載干比低于閾值13dB的時間百分比,并繪制態勢圖。圖15給出了我國境內不同區域GEO信關站天線接收處載干比低于閾值13dB的時間百分比。

圖15 我國不同區域GEO地面信關站所受Starlink星座干擾時間百分比態勢圖Fig.15 Percentage of starlink constellation interference time to GEO ground gateway station in different regions of China

由圖15可知,我國境內緯度越高的區域,地面信關站所受的有害干擾時間百分比越高,Starlink的干擾越強,這個結論和2.3.1節中我國大陸覆蓋特性態勢圖的結論相符,采集到的數據顯示,Starlink一期星座在50°北左右的覆蓋數量、干擾能力達到峰值。

本文結合STK軟件生成的仿真數據和Arcgis軟件繪制的態勢圖,高度可視化地展示了Starlink一期星座對我國大陸、臺海區域和臺灣省的空間域干擾情況。從目前Starlink衛星發射的規模和速度來看,在不久的將來就會達到對我國全境100%的覆蓋時間占比,伴隨著Starlink衛星數量的增加,最大可見衛星數會不斷增加,無覆蓋時段會不斷壓縮,最終歸零,我國對Starlink星座進行應對也將面臨著更加嚴峻的考驗?？紤]到Starlink星座的指揮、控制、情報、偵察和干擾能力過于突出,可以很好地支持美軍的自動化指揮系統(C4ISR)的行動,其軍事能力在俄烏戰場上得到了充分實證,因此針對熱點地區的區域作戰必須重視它的空間域影響。本文針對熱點區域提供Starlink星座空間域干擾態勢圖作為參考,同時還有以下幾點值得深入研究和改進之處:

(1)本文的仿真模型采用Starlink一期星座共1584顆衛星,隨著Starlink衛星的高頻次發射,會根據需求進一步增加仿真中的衛星數量,完善仿真模型;

(2)本文僅繪制了部分熱點地區的態勢圖,為了適應實際反制需求,后續會結合時間域、空間域和功率域的研究內容,豐富態勢圖的參數和分布情況,并制作可交互的態勢軟件。