韓朝暉，周 寧，彭 沛

一種低軌道衛(wèi)星傳輸鏈路干擾仿真分析方法

韓朝暉，周 寧，彭 沛

全球范圍內(nèi)低軌道小衛(wèi)星數(shù)量越來越多，已被世界各國(guó)廣泛用于通信、遙感、導(dǎo)航等各領(lǐng)域。國(guó)際電聯(lián)對(duì)非靜止軌道衛(wèi)星的協(xié)調(diào)要求日益收緊，對(duì)在軌衛(wèi)星的干擾沖突評(píng)估越發(fā)務(wù)實(shí)。本文針對(duì)上述現(xiàn)實(shí)情況，提出了一種低軌道衛(wèi)星傳輸鏈路干擾仿真分析方法，分別從頻域、空間、時(shí)間、能量四個(gè)層面逐級(jí)評(píng)估鏈路影響，為開展國(guó)際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)提供了切實(shí)可行的量化方法。

低軌道（LEO）衛(wèi)星；可見性；時(shí)間概率

1 引言

截止2016年8月，我國(guó)實(shí)際在軌的低軌道（LEO）衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到百余顆。由于軌道高度、傾角、相位等多種因素的相互作用，低軌道相對(duì)于靜止軌道而言有著先天的優(yōu)勢(shì)，能夠在空間容納更多數(shù)量的衛(wèi)星。但是隨著航天工業(yè)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化邁上新的臺(tái)階，民營(yíng)資本的介入，每年LEO衛(wèi)星搭載發(fā)射次數(shù)激增，2015年我國(guó)曾創(chuàng)下了一箭二十星的紀(jì)錄。LEO衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域及方式越來越多樣化，但是應(yīng)用頻段卻相對(duì)比較集中（比如S，X是小衛(wèi)星低速數(shù)傳的常規(guī)使用頻段，Ka是高速數(shù)傳頻段），軌道類型也比較接近，大部分采用的是太陽(yáng)同步軌道。此外，我國(guó)用于接收小衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)的地面接收站分布也較為集中（如北京、三亞、喀什、牡丹江等地）。這種時(shí)間、空間、頻域上的相似性，就要求我們?cè)谛l(wèi)星發(fā)射前、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料國(guó)際申報(bào)前做好預(yù)先分析工作，避免潛在干擾。下面就以常規(guī)遙感衛(wèi)星為例，介紹低軌道衛(wèi)星傳輸鏈路干擾仿真分析方法，該方法對(duì)其他非靜止軌道衛(wèi)星也具有較強(qiáng)的通用性。

2 低軌道特點(diǎn)

低軌道衛(wèi)星高度一般分布在200～2000km高度上，由于軌道低，所以星地鏈路傳輸時(shí)延小，路徑損耗也小。低軌道衛(wèi)星與對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星不同，它無法對(duì)地球表面某一指定區(qū)域?qū)嵤┏掷m(xù)觀測(cè)，由于軌道高度和軌道傾角的原因，低軌道衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋區(qū)域總是變化的，要實(shí)現(xiàn)對(duì)某一區(qū)域的持續(xù)覆蓋，需要多顆衛(wèi)星組成星座，相互配合才能完成。對(duì)于低軌道衛(wèi)星的數(shù)據(jù)回傳，必須在地面站與衛(wèi)星可見的那段時(shí)間內(nèi)集中接收，或者在不可見的那段時(shí)間里通過星間鏈路進(jìn)行中繼回傳才能確保數(shù)據(jù)的完整性。正是由于上述軌道的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在分析衛(wèi)星鏈路質(zhì)量的時(shí)候必須充分考慮空間和時(shí)間要素。

3 方法概述

ITU SA（space applications）系列建議書給出了一系列關(guān)于科學(xué)類遙感衛(wèi)星的干擾評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，都是基于鏈路性能加時(shí)間概率的聯(lián)合檢驗(yàn)門限，而非單一的C/I，I/N，?T/T。為了進(jìn)一步理解和弄清低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾原理，我們可以依據(jù)“先頻率篩查、再可見性與時(shí)間概率分析、后鏈路質(zhì)量判斷”的次序開展沖突預(yù)判。如果頻率不重疊，則可以共用；如果頻率重疊，空間上不可見，則可以共用；如果頻率重疊，空間上部分可見，但可見的時(shí)間概率很小，則可以共用；如果頻率重疊，空間上部分可見，可見的時(shí)間概率超出ITU規(guī)定門限，則需要估算鏈路的實(shí)際傳輸質(zhì)量，據(jù)此來判斷是否實(shí)現(xiàn)最終共用。簡(jiǎn)而言之，只有當(dāng)頻域、空域、時(shí)域、能量域要素均不滿足條件的情況下，兩個(gè)低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)才無法兼容，只要其中一個(gè)條件改善，都能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兼容，這為開展低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)找到了一個(gè)非常明確的解決方案，如圖1所示。

圖1 頻域、空域、時(shí)域、能量域耦合關(guān)系

鑒于頻域分析主要針對(duì)頻率是否重疊，無需更多技術(shù)分析，本文不再討論。下述章節(jié)將分別對(duì)空域、時(shí)域、能量域分析逐一展開說明。

4 空域分析

空域分析解決的是判斷兩個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)是否同覆蓋，也就是對(duì)干擾衛(wèi)星與受擾地球站之間的可見性進(jìn)行判斷。假設(shè)兩顆LEO衛(wèi)星分別為SAT1，SAT2，各自對(duì)應(yīng)的地球站為STN1，STN2，分別按照各自的軌道運(yùn)行，地球站接收各自下傳數(shù)據(jù)。首先分析SAT1在給STN1傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，STN2是否正好位于SAT1的覆蓋區(qū)內(nèi)？或者STN 2是否與SAT1可見？如果不可見，說明不存在空間沖突，兩個(gè)系統(tǒng)可以兼容。這種分析方式簡(jiǎn)、明、快，也比較直觀。

4.1 鏈路可見性

在開展仿真分析過程中，需要在場(chǎng)景中設(shè)置好兩顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)、地球站的經(jīng)緯度，以及衛(wèi)星與地球站之間的跟蹤策略，仿真工具通常會(huì)提供不同的軌道外推模型，大大簡(jiǎn)化了對(duì)衛(wèi)星飛行軌道的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，據(jù)此可以初步判定干擾衛(wèi)星與受擾地球站之間的可視程度。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于衛(wèi)星和地球站都不是兩個(gè)幾何點(diǎn)，而是搭載了星載天線和地球站天線的兩個(gè)平臺(tái)。因此，在計(jì)算可見性時(shí)要充分考慮星載天線及地球站天線的波束張角，只有傳遞至波束張角之內(nèi)的干擾信號(hào)才能算真正“可見”，因此，需要將星載天線及地球站天線模型加載進(jìn)去后，再計(jì)算可見性。

4.2 天線的空間特性

整個(gè)傳輸鏈路包括兩類天線，一類是星載天線，另一類是地球站天線。

4.2.1 星載天線

低軌道衛(wèi)星常用的星載天線一般有三類：全向天線、等通量天線、方向性天線。

4.2.1.1 全向天線

全向天線通常在偏軸角-60至60度之間的增益相同。

圖2 全向天線方向圖示意（紅色為理論值，藍(lán)色為測(cè)量值）

4.2.1.2 等通量天線

等通量天線每個(gè)仰角的功率通量密度（PFD）值都是恒定的。

圖3 等通量天線方向圖示意（紅色為理論值，藍(lán)色為測(cè)量值）

4.2.1.3 方向性天線

方向性天線也即高增益天線，以0.3m的拋物面天線為例，采用貝塞爾函數(shù)，則

圖4 方向性天線方向圖示意

目前，我國(guó)低軌遙感衛(wèi)星數(shù)傳天線采用的均為等通量天線，即常規(guī)的鞍狀天線，該天線方向圖的解析表達(dá)式為

式中，k為天線最大增益值。

4.2.2 地球站天線

在實(shí)際天線類型未告知的情況下，可以參看ITU《無線電規(guī)則》的Appendix8，Annex3。

根據(jù)我國(guó)地球站天線的實(shí)際使用情況及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的申報(bào)情況，地球站天線一般遵循電聯(lián)建議書ITU-R S.465規(guī)定的2-31GHz頻段范圍內(nèi)地球站天線的偏軸增益特性，即

其中，當(dāng)D/λ≥50時(shí)，φmin=1o或者是100λ/D度，取大值；當(dāng)D/λ＜50時(shí)，φmin=2o或者是114(D/λ)-1.09度，取大值。

軸向增益遵循

我國(guó)現(xiàn)有地球站接收天線的典型值是：12m拋物面天線，最大增益為57.6d B i，天線效率在55%～65%之間，最小可視仰角5度。

根據(jù)衛(wèi)星及地球站的設(shè)置條件不同，可見性的精細(xì)程度也不同。當(dāng)干擾衛(wèi)星及受擾地球站均考慮了天線因素后，其可見性的精細(xì)程度最高，見表1。

表1 不同精細(xì)程度的可見性分析

5 時(shí)域分析

時(shí)域分析解決的是計(jì)算兩個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)同覆蓋的概率有多大?？沼蚝蜁r(shí)域分析通常是捆綁進(jìn)行的，兩個(gè)要素同時(shí)考慮才有意義。

可見不代表一定有干擾，ITU給出的SA.609《有人和無人操縱的近地科學(xué)衛(wèi)星的無線電通信鏈路的保護(hù)準(zhǔn)則》建議書中指出，“對(duì)于有人操縱的任務(wù)，干擾時(shí)間概率不超過0.001%的時(shí)間，對(duì)于所有其他的近地空間探索任務(wù)，時(shí)間概率不超過0.1%的時(shí)間”，因此，時(shí)間概率也是分析受擾程度的關(guān)鍵要素。

式中，Paccess表示干擾衛(wèi)星進(jìn)入到受擾地球站可視范圍內(nèi)的時(shí)間概率；Taccess表示干擾衛(wèi)星進(jìn)入到受擾地球站可視范圍內(nèi)的累計(jì)時(shí)間；Tworking表示受擾地球站實(shí)際的工作累計(jì)時(shí)間。

低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)之間，干擾鏈路相對(duì)于有用鏈路出現(xiàn)的概率本來就小，為了統(tǒng)計(jì)出具有代表性的時(shí)間累計(jì)值，在仿真中應(yīng)考慮足夠數(shù)量的仿真采樣點(diǎn)，即可視點(diǎn)。鑒于仿真時(shí)長(zhǎng)通常包括實(shí)際衛(wèi)星鏈路的工作時(shí)段及空閑時(shí)段，可視點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)只針對(duì)工作時(shí)段，不應(yīng)包括空閑時(shí)段。仿真采樣點(diǎn)的確立一般有兩種方式：

圩堤設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為在湖盆區(qū)圩堤以防御相應(yīng)湖口22.50m(吳淞)的洪水位，在五河尾閭區(qū)圩堤防御各河20年一遇的洪水位，穿堤建筑物設(shè)計(jì)洪水位按所在堤段設(shè)計(jì)洪水位加高0.5m，堤防等級(jí)為4級(jí)。主要建設(shè)內(nèi)容為堤加高加固、堤基堤身防滲處理、堤岸堤坡防護(hù)、堤系建筑物除險(xiǎn)加固。至2013年，第六個(gè)單項(xiàng)共下達(dá)計(jì)劃投資25.0億元，其中國(guó)投資金13.4億元，地方自籌11.6億元。

（1）確定仿真的持續(xù)時(shí)間D和步進(jìn)時(shí)間Ts，從而估計(jì)出可視點(diǎn)的數(shù)量。通常，步進(jìn)時(shí)間為1～10秒，1年的仿真時(shí)間。如果希望事件發(fā)生的次數(shù)在100次以上，這兩個(gè)參數(shù)的選擇要盡量精確，以便有0.001的統(tǒng)計(jì)概率精度。在仿真精度和仿真時(shí)間上進(jìn)行折中。

（2）隨意選擇步進(jìn)時(shí)間，再確定仿真的點(diǎn)數(shù)，如10,000個(gè)點(diǎn)。如果，確認(rèn)10個(gè)錯(cuò)誤事件發(fā)生的精度已經(jīng)足夠，則干擾標(biāo)準(zhǔn)就是不超過時(shí)間的0.1%。

當(dāng)多顆低軌道干擾衛(wèi)星同時(shí)過頂時(shí)，干擾波束的旁瓣落入有用信號(hào)波束的時(shí)間往往非常短暫，為了防止步進(jìn)時(shí)間過大把這種情況遺漏掉，建議步進(jìn)時(shí)間盡可能地?。ㄈ?s），取1年以上作為仿真時(shí)長(zhǎng)，這樣既考慮了仿真精度，又考慮了仿真點(diǎn)數(shù)的完備性。

6 能量域分析

能量域的分析主要是分析鏈路性能能否滿足干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。在可見性加時(shí)間概率的聯(lián)合分析中，如果限制區(qū)域設(shè)置不理想（比如過窄），往往會(huì)導(dǎo)致旁瓣攝入的干擾能量被忽略，如果一旦干擾衛(wèi)星數(shù)量眾多，這些旁瓣干擾集總值同樣會(huì)對(duì)有用信號(hào)造成影響，從而導(dǎo)致目標(biāo)鏈路受損，這時(shí)就需要從信號(hào)能量域作進(jìn)一步考量。

在地球站接收波束中通常會(huì)混雜多個(gè)同頻或者鄰頻的干擾信號(hào)，當(dāng)每個(gè)干擾信號(hào)的電平值均小于數(shù)字信道接收機(jī)的干擾噪聲電平時(shí)，接收機(jī)所遭受的集總干擾電平可以按功率疊加計(jì)算。對(duì)于載波頻率不完全相同的情況，還應(yīng)考慮干擾信號(hào)在接收機(jī)傳輸帶寬中的積分效應(yīng)，這部分值稱之為干擾降低因子。

式中，IRFi為第i個(gè)干擾源的干擾降低因子。干擾降低因子按如下公式計(jì)算

式中，W(f)為信號(hào)功率歸一化頻譜密度（Hz-1）；W i(f)為干擾功率歸一化頻譜密度（Hz-1）；f0為干擾源載波頻率與數(shù)字信號(hào)載波頻率的差值（Hz）；Y(f)為接收機(jī)濾波器選擇性。

6.1 有用信號(hào)電平C的計(jì)算

式中，[EIRP]為發(fā)射系統(tǒng)實(shí)際有效全向輻射功率（dBW）；[Gr]為接收天線增益（dB）；[Lf]為有用信號(hào)的自由空間傳輸損耗（dB）；[La]為其他損耗，包括大氣損耗、饋線損耗、極化失配損耗等。

6.2 干擾信號(hào)電平I的計(jì)算

式中，[Pi]為干擾信號(hào)的發(fā)射功率（dBW）；[Gir]為干擾發(fā)射天線在地面站方向上的增益（dB）；[Gri]為地面站接收天線在干擾來波方向上的增益（dB）；[Lfi]為干擾信號(hào)的自由空間傳輸損耗（dB）；[Lai]為干擾信號(hào)在傳輸路徑上的其他損耗（dB）。上述干擾電平值是接收天線的輸出值。

6.3 干擾降低因子的計(jì)算

干擾降低因子IRF計(jì)算公式中，對(duì)于數(shù)傳鏈路使用的MPSK類型信號(hào)，以載波頻率為中心的歸一化功率頻譜密度。

在開展能量域計(jì)算的過程中，除了考慮帶寬內(nèi)的作用因素外，還應(yīng)考慮天線旁瓣能量的攝入。

7 結(jié)束語(yǔ)

全球范圍內(nèi)低軌道衛(wèi)星數(shù)量已超過千顆，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)量巨大，按照本文提出的“先頻率篩查、再可見性與時(shí)間概率分析、后鏈路質(zhì)量判斷”的沖突仿真分析方法可以大大簡(jiǎn)化工作量，為開展低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)提供了一種有效的技術(shù)手段。■

A Simulation Method on LEO Satellites Transm ission Interference Analysis

Han Zhaohui, Zhou Ning, Peng Pei

More and more Low Equator Orbit (LEO) satellites have been universally used in satellite communications，remote sensing, navigation and etc. ITU has taken stricter actions not only on non-geostationary orbit satellite network coordination, but also on interference conflict evaluation. This paper provides a simulation method on LEO satellites transm ission interference analysis from aspects of frequency, space, time and energy, which is also an effective way in international satellite network coordination.

Low Equator Orbit (LEO) Satellite; Visibility; Time Probability

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.04.001

TN 927

A

1672-7274（2017）04-0001-05

韓朝暉，女，高級(jí)工程師，現(xiàn)工作于中國(guó)人民解放軍31007部隊(duì)，主要從事衛(wèi)星資源管理工作。

周 寧，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)工作于中國(guó)人民解放軍31007部隊(duì)，主要從事電磁頻譜仿真分析工作。

彭 沛，66138部隊(duì)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事頻譜管理工作。