駱 盛，王 迪，趙 靜

（1.國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，安徽合肥230037；2.安徽建筑大學(xué)，安徽合肥230601）

0 引言

星鏈（starlink）是以SpaceX公司的航天工程技術(shù)應(yīng)用為背景，美國當(dāng)前正集中力量發(fā)展的一種覆蓋全球的低成本、高寬帶低軌全球互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座系統(tǒng)，其爭奪地球低軌道和頻譜資源的目的明顯，軍事意義和軍事運(yùn)用潛力尤其重大：可大幅增強(qiáng)美軍全球范圍高速寬帶通信能力，大幅提高美軍全地域全天時(shí)無縫隙偵察監(jiān)視能力，大幅提高美軍空間目標(biāo)態(tài)勢感知能力及天基防御、打擊能力，大幅提高美軍非線性作戰(zhàn)、超視距遠(yuǎn)程精確打擊、無人設(shè)備特種作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行能力，有助于美軍進(jìn)行“非對稱性”、“非接觸性”、“非線性”戰(zhàn)爭。因此，該計(jì)劃受到了美軍方的高度關(guān)注，拿到了多筆投資并已開展了多項(xiàng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)。

本文旨在通過對某熱點(diǎn)地區(qū)的starlink衛(wèi)星星座覆蓋特性進(jìn)行分析和討論，為后續(xù)進(jìn)一步提出應(yīng)對策略提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)描述

1.1 初步發(fā)射計(jì)劃

“星鏈計(jì)劃”是迄今為止人類提出發(fā)展的規(guī)模最大的空間星座項(xiàng)目。

該計(jì)劃初步擬在2027年底之前在低中高三個軌道上部署11927顆衛(wèi)星（由4409顆分布在550～1 300 km左右的LEO星座和7518顆分布在340 km左右的VLEO星座構(gòu)成）、建立100萬個接入型地面站、6個衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)站，覆蓋地球南北緯15°～60°之間，總投資預(yù)計(jì)達(dá)100億美元。其初步計(jì)劃構(gòu)建大致分三個階段：

1）第一階段發(fā)射1 584顆衛(wèi)星分布在24個LEO軌道面上，對全球完成初步覆蓋。其中首批800顆衛(wèi)星重點(diǎn)用于滿足美國、加拿大等國的天基高速互聯(lián)網(wǎng)需求。

2）第二階段發(fā)射2 825顆LEO衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)。前2個階段，均主要工作在常規(guī)的Ka和Ku波段。

3）第三階段發(fā)射7 518顆衛(wèi)星組成更為激進(jìn)的VLEO星座，工作在V波段。

以上每個階段中每批次衛(wèi)星發(fā)射后都會不斷增加星上組件、功能和改進(jìn)缺陷。在2027年底初步計(jì)劃完成后，該計(jì)劃再增多部署3萬顆衛(wèi)星，最終會形成近42 000顆衛(wèi)星的超巨型星座。整個系統(tǒng)全部部署完成后，將覆蓋赤道和兩極，達(dá)到真正的全球覆蓋。

1.2 最新發(fā)射和在軌情況

starlink計(jì)劃第一批發(fā)射和部署1584顆衛(wèi)星，分布在24個軌道平面。主要由美國范登堡空軍基地、卡納維拉爾角空軍基地或肯尼迪航天中心，分別利用“獵鷹”9號運(yùn)載火箭先后發(fā)射（60顆/箭），批次情況如表1所示。最新一次發(fā)射為2020年4月22日19∶30（UTC），SpaceX成功發(fā)射并部署了第7批60顆starlink衛(wèi)星，使得目前（截至2020年4月底）成功發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到417顆。

starlink衛(wèi)星并不會直接進(jìn)入預(yù)定的550 km軌道，而是進(jìn)入位于300 km左右的軌道，之后通過星上氪離子推進(jìn)器進(jìn)行軌道爬升進(jìn)入預(yù)定軌道。當(dāng)前，約有37%（155顆）衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道，其余63%基本上都處于軌道爬升過程。第七批衛(wèi)星由于剛發(fā)射，全部處于300～400 km高度上。

表1 starlink發(fā)射批次

馬斯克曾表示只需要大約400顆衛(wèi)星就能提供“初步運(yùn)營能力”，800顆衛(wèi)星能進(jìn)一步提升到“重大運(yùn)營能力”。這意味著在此次成功發(fā)射之后，Starlink已擁有啟動星鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營所需的最低數(shù)量衛(wèi)星，具備了開展實(shí)際初步運(yùn)營測試的能力。

2 仿真分析

2.1 仿真背景

starlink在軌417顆衛(wèi)星已經(jīng)具有初步運(yùn)營能力，可開始為某熱點(diǎn)T地區(qū)提供低成本的高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，相對于前大大增強(qiáng)了在該地區(qū)內(nèi)的軍事應(yīng)用能力。具體應(yīng)用形式有：T區(qū)范圍內(nèi)指揮機(jī)構(gòu)進(jìn)行跨大地域戰(zhàn)略寬帶通信；地面前線指揮所和各作戰(zhàn)單元之間進(jìn)行常規(guī)窄帶戰(zhàn)術(shù)通信；由偵察機(jī)升空進(jìn)行偵察，對情報(bào)進(jìn)行傳輸和分發(fā)；空中加油機(jī)和偵察機(jī)及其他受油機(jī)之間僅依靠直接雙向鏈路傳輸進(jìn)行對接；在以上各類力量的支持下，大規(guī)模無人設(shè)備攻擊群開展特種作戰(zhàn)，以謀求局部優(yōu)勢。在此過程中，所有作戰(zhàn)力量均不依靠預(yù)警機(jī)和其他高軌軍事通信衛(wèi)星的支持，僅靠starlink的低軌通信星座實(shí)現(xiàn)相互配合。

仿真過程主要包括對starlink星座的構(gòu)建，衛(wèi)星的波束設(shè)定，重點(diǎn)仿真單顆衛(wèi)星以及衛(wèi)星星座對T地區(qū)的整體覆蓋情況，從時(shí)間域、空間域上分析其覆蓋性能，為開展應(yīng)對措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.2 星座構(gòu)建

目前在軌情況是大約只有37%衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入預(yù)定的軌道高度，其余仍正處于軌道爬升過程。因此，在仿真中暫不考慮這個軌道爬升的變化過程，仿真參數(shù)全部直接引用于近期一次更新了星歷后的實(shí)際軌道數(shù)據(jù)，即假定當(dāng)前數(shù)據(jù)為所有衛(wèi)星全部成功入軌后的數(shù)據(jù)。

按空間飛行器目錄編號升序排列，以最高編號71369的衛(wèi)星為例，其基本信息如表2所示。

使用 STK（AGI公司的 Systems Tool Kit）創(chuàng)建仿真環(huán)境，選擇NORAD開發(fā)的SGP4軌道預(yù)報(bào)模型，該模型考慮了地球非球形引力、日月引力、太陽輻射壓及大氣阻力等攝動力的影響，應(yīng)用于軌道周期小于225 min的近地球物體。導(dǎo)入基于SGP4的417顆starlink衛(wèi)星的兩行星歷TLE數(shù)據(jù)，為后續(xù)計(jì)算和分析方便，將每批次發(fā)射的衛(wèi)星分別構(gòu)建為不同的Constellation_StarN（星座），并設(shè)為不同的顏色。按照發(fā)射批次的順序，從第1批到第7批分別用不同的顏色依次表示為：亮綠色、天藍(lán)色、紫紅色、藍(lán)色、白色、橙色、墨綠色，仿真周期為2020年5月21日04∶00∶00.000 UTCG 至 2020年 5月 22日 04∶00∶00.000 UTCG，共計(jì)24 h。

星座構(gòu)建完成，2020年 5月 21日 04∶00∶00.000 UTCG時(shí)星座整體分布態(tài)勢如圖1所示。

表2 STARLINK-1369基本信息

圖1 7批次starlink全球分布態(tài)勢3D示意圖

2.3 傳感器構(gòu)建

starlink星上載荷利用先進(jìn)的相控陣波束成形和數(shù)字處理技術(shù)，以高效利用頻譜資源并與其他天基和地面許可用戶靈活共享頻譜；該系統(tǒng)的用戶終端采用相控陣技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)衛(wèi)星的高定向天線波束。目前已知的是每顆衛(wèi)星上的所有下行鏈路1.5°窄波束都可以在地球的整個視場上獨(dú)立控制，但是這些窄波束數(shù)量、分布特征、控制方法均未公開。另外已知用戶終端和網(wǎng)關(guān)能以至少35°的仰角與衛(wèi)星進(jìn)行通信。因此，如圖2所示，以VLEO星座中的衛(wèi)星為例[1]，在335.9 km高度的距離上能提供距視軸最大51.09°的下行鏈路服務(wù)。

圖2 VLEO衛(wèi)星最大有效波束覆蓋范圍

據(jù)此，為簡化操作，為每顆衛(wèi)星添加一個簡單圓錐形波束Sensor（傳感器），表征該星可能的最大有效波束覆蓋范圍，設(shè)定其圓錐半角為51.09°，為后續(xù)覆蓋分析做準(zhǔn)備。同樣為計(jì)算和分析方便，也為不同批次的衛(wèi)星傳感器也分別建立星座Constellation_SensorN，并按照發(fā)射批次順序，從第1批到第7批分別用不同的顏色依次表示。

2.4 覆蓋分析

覆蓋性能是衛(wèi)星通信系統(tǒng)在特定的時(shí)間和地點(diǎn)動態(tài)集中所需節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星通信容量的能力，具有時(shí)間域和空間域兩種屬性。分析一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)對某區(qū)域的覆蓋特性通常有單星覆蓋統(tǒng)計(jì)性能、多星覆蓋統(tǒng)計(jì)性能、星座覆蓋統(tǒng)計(jì)性能等多級別指標(biāo)，這些覆蓋性能均可以通過STK的覆蓋分析模塊對預(yù)先建立的衛(wèi)星軌道模型和傳感器模型仿真得到。該模塊考慮各種約束條件下的一顆衛(wèi)星或一組衛(wèi)星對所需區(qū)域的覆蓋性能[2]，分析對象主要是Coverage Definition（覆蓋對象）及其子對象Figure of Merit（覆蓋品質(zhì)因數(shù)）兩類，分析結(jié)果是基于對覆蓋區(qū)域柵格點(diǎn)的計(jì)算。

2.4.1 覆蓋對象定義

1）場景中添加一個Coverage Definition（覆蓋分析定義[3]）對象CD_T，以下所做分析均是針對T區(qū)全區(qū)進(jìn)行，總面積約36 625.75 km2；

2）定義 Grid（地理柵格）：指定Custom Regions，關(guān)聯(lián)T區(qū)，設(shè)定該覆蓋區(qū)內(nèi)Point Granularity（柵格點(diǎn)間隔）為Lat/Lon=0.1°（柵格的經(jīng)緯度大小，T區(qū)被分為238個柵格）；

3）定義Assets（覆蓋資源）：選擇預(yù)先建立的Sensor星座，進(jìn)行 Assign；

4）定義Interval（覆蓋周期）：選擇覆蓋分析周期為整個場景的仿真周期，共24 h。

2.4.2 覆蓋品質(zhì)因數(shù)定義

FigureOfMerit（FOM覆蓋品質(zhì)因數(shù)）是覆蓋對象的子對象，用來定義評估覆蓋資源覆蓋品質(zhì)的各種參數(shù)，可以進(jìn)行各種約束條件設(shè)定。

1）在覆蓋對象CD_T下添加一個FOM_NC，設(shè)置Type為N Asset Coverage，該類型用于分析覆蓋期間同時(shí)覆蓋的資源數(shù)量，設(shè)置Compute（計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)）為Maximum；

2）在CoverageDefinition下添加一個FOM_CT，設(shè)置Type為Coverage Time，該類型用于分析柵格點(diǎn)被覆蓋的時(shí)間總和，設(shè)置Compute（計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)）為Total；

3）在CoverageDefinition下添加一個FOM_RT，設(shè)置Type為Revisit Time，該類型用于分析無覆蓋時(shí)段的時(shí)間間隔，設(shè)置Compute（計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)）為Maximum；

2.4.3 計(jì)算覆蓋性能

1）通過Grid Inspector（柵格檢查工具）對覆蓋品質(zhì)因數(shù)對象FOM_NC進(jìn)行分析

①右鍵FOM_NC，彈出菜單中選擇FigureOfMeritGrid Inspector，Action 中選擇 Select Regions，在 2D視圖中鼠標(biāo)單擊T區(qū)CD_T進(jìn)行選中；

②保持Grid Inspector窗口不能關(guān)閉，右鍵FOM_NC，彈出菜單中點(diǎn)擊Report&Graph Manager，在彈出的對話框Style（數(shù)據(jù)輸出內(nèi)容和風(fēng)格）中選中GI Region FOM（注意：“GI”前綴的 Style僅能由 Grid Inspector定義輸出，而不能由Report&Graph Manager直接輸出，此為Grid Inspector窗口不能關(guān)閉的原因），點(diǎn)擊Generate按鈕，輸出數(shù)據(jù)報(bào)告或圖形。

同理，對FOM_CT、FOM_RT進(jìn)行類似操作，輸出數(shù)據(jù)報(bào)告或圖形。

2）通過Grid Inspector（柵格檢查工具）對覆蓋資源對象CD_T進(jìn)行分析：同上述類似操作，在Report&Graph Manager窗口的Style中分別選擇Gaps in Global Coverage、GI Region Pass Coverage和 GI RegionCoverage等項(xiàng)，輸出數(shù)據(jù)報(bào)告或圖形。

2.4.4 圖表分析報(bào)告

1）圖3是目標(biāo)區(qū)域同時(shí)覆蓋資源（衛(wèi)星）數(shù)示意圖，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，縱坐標(biāo)是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)同時(shí)覆蓋資源（衛(wèi)星）數(shù)。可以看見對T區(qū)某些地點(diǎn)最多同時(shí)有9顆衛(wèi)星波束能夠覆蓋；最少時(shí)全區(qū)無衛(wèi)星，表明存在覆蓋間隙，即處于無網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)。顯然，T區(qū)在無衛(wèi)星覆蓋時(shí)采取行動的可能性很低；而當(dāng)最多9顆衛(wèi)星可以同時(shí)覆蓋該區(qū)域時(shí)，其服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的健壯性達(dá)到最強(qiáng)，對其采取應(yīng)對措施將非常困難。

圖3 目標(biāo)區(qū)域同時(shí)覆蓋資源（衛(wèi)星）數(shù)示意圖

2）圖4是目標(biāo)區(qū)域重訪時(shí)段分布示意圖，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，縱坐標(biāo)是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)各個覆蓋間隙的持續(xù)時(shí)間長短，可以看出顏色區(qū)域是無訪問時(shí)段，對T區(qū)的覆蓋情況并不非常好，存在大量的無訪問時(shí)段，即無網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)。對于完全理想的覆蓋狀態(tài)，縱值應(yīng)始終為0，即應(yīng)無法看到任何顏色區(qū)域。

圖4 目標(biāo)區(qū)域重訪時(shí)段分布示意圖

3）表3是T區(qū)內(nèi)所有柵格點(diǎn)完整的被覆蓋持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，總共231個時(shí)段，最大時(shí)段長為2 638.959 s，總時(shí)長39 023.698 s，占比45.17%，表明在接近半天的時(shí)間內(nèi)T區(qū)均處于全區(qū)有服務(wù)狀態(tài)，其余時(shí)間才會有部分無覆蓋區(qū)域。對于T區(qū)內(nèi)所有柵格點(diǎn)的覆蓋總次數(shù)是715次，其中某個柵格被覆蓋總時(shí)間最長的為55 656.125 s，最短的51 820.799 s，平均每個柵格被覆蓋時(shí)長53 489.196 s。

2.5 覆蓋性能隨批次變化分析

按照上述方法，共做7次仿真，仿真對象分別是各批次衛(wèi)星的累加，即批次1、批次1+批次2、批次1+批次2+批次3、…，最后是目前共7批次417顆全部在軌衛(wèi)星，結(jié)果表明隨著發(fā)射批次的增多帶來的衛(wèi)星總數(shù)的不斷增多，starlink對T區(qū)覆蓋性能逐步遞增變優(yōu)，數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表4所示。

表3 目標(biāo)區(qū)域訪問間隙持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表4 覆蓋性能隨發(fā)射批次變化情況

2.6 仿真小結(jié)

以上仿真分別從覆蓋資源及其3種覆蓋品質(zhì)因數(shù)對T區(qū)的starlink覆蓋情況進(jìn)行對比分析，數(shù)據(jù)報(bào)表表明，目前在軌417顆衛(wèi)星對T區(qū)的支持情況仍然不夠理想，存在很多無網(wǎng)絡(luò)服務(wù)覆蓋時(shí)段或無覆蓋地點(diǎn)，這是由于衛(wèi)星數(shù)量仍然不夠多。隨著未來發(fā)射批次增多（約1次60星/月），在軌衛(wèi)星數(shù)量將越來越多，這種無覆蓋情況將漸趨于消失，理想情況下在特定時(shí)段和特定地點(diǎn)將完全無縫隙，應(yīng)對T區(qū)在starlink支持下的各類作戰(zhàn)行動將越來越難。

3 應(yīng)對可行性

據(jù)稱，星鏈終端和衛(wèi)星不會采用ipv4或者ipv6協(xié)議，而是采用自己研發(fā)的基于硬件加密的p2p通信協(xié)議，且星鏈的數(shù)據(jù)以分布式存儲在類似區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)塊中，這些目前對外界保密。目前看來，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、協(xié)議保密、硬件加密、區(qū)塊鏈、分布式存儲等技術(shù)的堆疊應(yīng)用，為在網(wǎng)絡(luò)域上開展應(yīng)對帶來了巨大的困難，而在電磁域上的應(yīng)對可能性似乎相對更大一些，但是仍然很有限。

4 結(jié)束語

本文通過STK仿真軟件，建立目前已發(fā)射7批次在軌（截至2020年4月底）的星鏈衛(wèi)星星座，表征和分析其在全球范圍、某熱點(diǎn)地區(qū)的運(yùn)行態(tài)勢和覆蓋性能，仿真結(jié)果表明隨著星鏈衛(wèi)星發(fā)射的不斷增多，其星座性能勢必越來越優(yōu)，且每批次發(fā)射都做出具體的技術(shù)升級和調(diào)整，可以預(yù)見在未來星鏈部署完畢后將會占據(jù)全球空間態(tài)勢的主導(dǎo)地位。隨著時(shí)間的推移，星鏈的相關(guān)技術(shù)逐步公開或半公開，對其進(jìn)行各個層面上的分析和研究才會具有更多的可行性?！?/p>