彭菲,劉慧梁,*,孫茜,楚堯,鮑曉月,江帆,張馨予

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

1 引言

近年來(lái),隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)熱潮興起, ITU相繼收到大批NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申請(qǐng),呈現(xiàn)出大規(guī)模NGSO星座系統(tǒng)快速發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí),以美國(guó)Starlink和OneWeb為代表的NGSO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座已進(jìn)入快速部署階段[1-2]。此時(shí),大規(guī)模星座系統(tǒng)不僅僅像以往只是落實(shí)到紙面上,而是覆蓋全球規(guī)模的系統(tǒng)部署狀態(tài)已基本成為現(xiàn)實(shí)。軌道和頻率是通信衛(wèi)星能夠正常運(yùn)行的先決條件,不斷增加的NGSO大規(guī)模星座系統(tǒng),會(huì)對(duì)使用相同頻率的其他NGSO星座系統(tǒng)造成潛在干擾,最終導(dǎo)致更嚴(yán)峻的頻率軌道資源分配問題[3]。因此,在NGSO星座系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)前開展干擾分析已經(jīng)成為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

由于對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道(geostationary orbit, GSO)系統(tǒng)的鏈路空間位置相對(duì)固定,與GSO系統(tǒng)的干擾分析研究時(shí)間長(zhǎng),目前頻率協(xié)調(diào)規(guī)則相對(duì)成熟,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)清晰,干擾模式、分析方法、保護(hù)機(jī)制相對(duì)統(tǒng)一[4-6]。例如OneWeb提出的漸進(jìn)傾斜技術(shù),通過(guò)隔離角的方式消除對(duì)高軌衛(wèi)星的干擾。但是,NGSO星座系統(tǒng)之間的干擾場(chǎng)景十分復(fù)雜,干擾行為實(shí)時(shí)變化,傳統(tǒng)的干擾建模場(chǎng)景和評(píng)價(jià)體系難以刻畫NGSO星座間的干擾。目前國(guó)際電聯(lián)正在開展議題研究,探討仿真場(chǎng)景和干擾評(píng)估方法處于初級(jí)階段,大多為針對(duì)特定干擾場(chǎng)景的系統(tǒng)參數(shù)開展干擾仿真分析,一旦改變低軌星座場(chǎng)景特性,則需要重新分析。因此迫切需要建立低軌星座系統(tǒng)之間統(tǒng)一的頻率兼容評(píng)價(jià)體系。

在之前的相關(guān)研究中,已經(jīng)建立低軌衛(wèi)星系統(tǒng)之間同頻干擾分析的數(shù)學(xué)模型[7]。也有研究提出了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)之間相互干擾的鏈路夾角概率分析方法,在此基礎(chǔ)上建立了全星座干擾分析軟件仿真模型,該模型適用于不同低軌衛(wèi)星系統(tǒng)之間的同頻干擾分析[8]。為驗(yàn)證該方法的有效性,該研究以在國(guó)際電聯(lián)中登記的兩個(gè)低軌衛(wèi)星系統(tǒng),即OneWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和O3b衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為例,計(jì)算衛(wèi)星系統(tǒng)間干擾保護(hù)的鏈路夾角限值范圍,并給出了全球范圍內(nèi)衛(wèi)星鏈路夾角、干擾狀態(tài)及可用性比例的概率分布結(jié)果,為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)之間干擾分析提供了一種可參考的手段。但該方法僅統(tǒng)計(jì)出干擾量級(jí),沒有提出系統(tǒng)級(jí)的干擾指標(biāo),沒有形成定量化的NGSO系統(tǒng)間頻率干擾評(píng)價(jià)體系。在此基礎(chǔ)上,也有研究分析了不同軌道構(gòu)型的NGSO系統(tǒng)之間在Ku頻段下行鏈路的干擾情況,包含了GSO、中地球軌道(medium Earth orbit,MEO)、低地球軌道(low Earth orbit,LEO)、高橢圓軌道(highly elliptical orbit,HEO)四種軌道類型系統(tǒng)之間互相干擾的情況,給出了不同構(gòu)型星座之間的不同的干擾規(guī)避策略[9]。針對(duì)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,有研究建立了概率評(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[10],并進(jìn)一步考慮了新型星載天線性能,給出了系統(tǒng)間衛(wèi)星出現(xiàn)概率分布與有害干擾概率量級(jí)之間的關(guān)系[11]。此外,有些研究在大量NGSO系統(tǒng)間干擾分析的基礎(chǔ)上,初步提出了容量損失的概念,給出了區(qū)別于單一鏈路級(jí)指標(biāo)參數(shù)的系統(tǒng)級(jí)干擾評(píng)估方法[9,12]。在目前實(shí)踐中,NGSO系統(tǒng)間頻率干擾分析通常參考NGSO星座與靜止軌道衛(wèi)星的分析方法,采用鏈路級(jí)干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)作為判斷有害干擾的標(biāo)準(zhǔn),但對(duì)于存在多鏈路的星座系統(tǒng),單鏈路級(jí)的指標(biāo)不能夠全面反映整個(gè)系統(tǒng)受干擾程度。本文在容量損失評(píng)估指標(biāo)這一系統(tǒng)級(jí)干擾評(píng)估方法相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入自適應(yīng)編碼和調(diào)制后的頻率利用效率參考值,構(gòu)建多鏈路系統(tǒng)容量評(píng)估方法,在不同規(guī)避措施,例如空域隔離角、地面站地理隔離條件下,給出了混合構(gòu)型星座間干擾仿真結(jié)果,并針對(duì)性地提出了適用于不同規(guī)模星座的干擾規(guī)避策略建議。

2 系統(tǒng)模型

2.1 干擾類型和場(chǎng)景

本文重點(diǎn)關(guān)注Ka頻段下行兩個(gè)NGSO星座系統(tǒng)之間的同頻同極化干擾。圖1展示了兩個(gè)NGSO星座系統(tǒng)地面站同址時(shí)的下行干擾場(chǎng)景。NGSO星座系統(tǒng)1與自身地面站通信時(shí)會(huì)對(duì)NGSO星座系統(tǒng)2地面站產(chǎn)生干擾,反之亦然。

圖1 NGSO系統(tǒng)間地面站同址時(shí)的干擾場(chǎng)景示意Fig.1 Interference scene when two NGO constellation system ground stations are in the same location

假設(shè)每個(gè)NGSO星座系統(tǒng)地面站在同一時(shí)刻僅與自身系統(tǒng)的一顆NGSO衛(wèi)星通信。

系統(tǒng)的初始選星策略為,每個(gè)星座地面站選擇仰角最大的衛(wèi)星進(jìn)行通信,衛(wèi)星天線主瓣始終指向接入鏈路的地面站,地面站天線主瓣始終指向接入鏈路的衛(wèi)星。本文考慮了4種不同的場(chǎng)景:1)基線場(chǎng)景,每個(gè)星座系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營(yíng),不考慮其他星座系統(tǒng)的干擾;2)干擾場(chǎng)景,兩個(gè)星座系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營(yíng),互相對(duì)另一個(gè)星座均產(chǎn)生同頻干擾;3)NGSO星座系統(tǒng)1主動(dòng)進(jìn)行波束避讓,NGSO星座系統(tǒng)1為規(guī)避對(duì)NGSO星座系統(tǒng)2的干擾,地面站采取空域隔離角主動(dòng)規(guī)避NGSO星座系統(tǒng)2,NGSO星座系統(tǒng)2仍按照初始選星策略通信;4)NGSO星座系統(tǒng)2主動(dòng)進(jìn)行波束避讓,NGSO星座系統(tǒng)2為規(guī)避對(duì)NGSO星座系統(tǒng)1的干擾,地面站采取空域隔離角主動(dòng)規(guī)避NGSO星座系統(tǒng)1,NGSO星座系統(tǒng)1仍按照初始選星策略通信。

2.2 干擾減緩措施

2.2.1 空域隔離角

使用空域隔離角進(jìn)行干擾減緩是一種基于天線波束指向的干擾規(guī)避技術(shù),在受擾衛(wèi)星系統(tǒng)的鏈路與施擾系統(tǒng)的所有干擾鏈路之間施加最小隔離角以降低干擾強(qiáng)度。隔離角頂點(diǎn)為受擾系統(tǒng)地面站,兩個(gè)端點(diǎn)分別是受擾系統(tǒng)衛(wèi)星和施擾系統(tǒng)衛(wèi)星。圖2為空域隔離角示意圖。當(dāng)沒有干擾減緩措施時(shí),衛(wèi)星系統(tǒng)和地面站的選星策略是兩個(gè)系統(tǒng)地面站都選取仰角最高的衛(wèi)星接入鏈路,這樣NGSO星座系統(tǒng)1衛(wèi)星和NGSO星座系統(tǒng)2衛(wèi)星的鏈路夾角是φ1。當(dāng)NGSO星座系統(tǒng)1應(yīng)用空域隔離角作為干擾減緩措施時(shí),設(shè)定空域隔離角φth來(lái)判定兩系統(tǒng)鏈路夾角和空域隔離角的大小關(guān)系。當(dāng)鏈路夾角φ1≤φth,NGSO星座系統(tǒng)1的衛(wèi)星不和地面站建立通信鏈路,應(yīng)選取鏈路夾角φ2>φth的衛(wèi)星建立通信鏈路。

圖2 空域隔離角示意Fig.2 Illustration of the avoidance angle

2.2.2 地面站地理隔離

地面站地理隔離是基于地面站空間位置分集技術(shù),通過(guò)拉開兩個(gè)系統(tǒng)的地面站間距,避免受擾系統(tǒng)衛(wèi)星、施擾系統(tǒng)衛(wèi)星和地面站出現(xiàn)“三點(diǎn)一線”的共線場(chǎng)景,從而減緩受擾系統(tǒng)接收到的干擾功率量級(jí)。圖3展示了地面站地理隔離的場(chǎng)景,兩系統(tǒng)地面站通過(guò)設(shè)置隔離間距,避免鏈路間共線場(chǎng)景。

圖3 NGSO系統(tǒng)間地面站間距600km時(shí)的干擾場(chǎng)景示意Fig.3 Interference scene when two NGSO constellation system earth stations are 600km apart

2.3 干擾評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)由一種或多種軌道構(gòu)型組成,通常具有多重覆蓋特性,即地面站可視空域內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量大于1,所以地面站接入星座系統(tǒng)時(shí)存在多條鏈路可選,與此同時(shí),每個(gè)衛(wèi)星通常也設(shè)計(jì)有多個(gè)波束,具備同時(shí)建立多條鏈路服務(wù)多個(gè)地面終端的能力,僅僅評(píng)估單個(gè)鏈路的性能惡化或失效并不能真實(shí)反映整個(gè)系統(tǒng)性能的惡化程度,而往往會(huì)高估了有害干擾量級(jí)。這種情況下,I/N、C/I、C/(N+I)等針對(duì)單個(gè)鏈路的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)并不能完整地代表系統(tǒng)性能的好壞,因此,參考文獻(xiàn)[9]提出了容量損失ΔR和相應(yīng)的參考值,初步構(gòu)建低軌星座系統(tǒng)級(jí)干擾評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。首先,受擾系統(tǒng)接收機(jī)處的載波信號(hào)與干擾噪聲比C/(N+I)如公式(1)所示:

(1)

其中N/C和Ii/C是受擾衛(wèi)星系統(tǒng)自身載波信號(hào)噪聲比和第i個(gè)施擾衛(wèi)星系統(tǒng)載波干擾比的倒數(shù)(真值)。

其次,如公式(2)所示,容量R與帶寬BW和頻譜利用效率SE相關(guān),帶寬與系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān),頻譜利用效率和鏈路Es/N0呈正相關(guān)關(guān)系。

R=BW×SE

(2)

文獻(xiàn)[13]給出了香農(nóng)極限,根據(jù)不同公式擬合的DVB-S2X ACM在非線性衛(wèi)星信道的頻譜利用效率如圖4所示。使用圖4曲線擬合方法,通過(guò)使用兩個(gè)最小二乘最小誤差二階多項(xiàng)式來(lái)擬合非線性衛(wèi)星信道上的DVB-S2X ACM的頻譜效率,即曲線擬合方法給出了Es/N0和頻譜利用效率的映射關(guān)系。

圖4 擬合非線性衛(wèi)星信道上的DVB-S2X ACM的頻譜效率與香農(nóng)限的比較[13]Fig.4 Fit DVB-S2X ACM on a nonlinear satellite channel spectral efficiency compared with Shannon-Hartley bound[13]

(3)

容量損失ΔR可以表示為公式(3)。其中BWAct是實(shí)際工作帶寬,BWFull是全部可用帶寬,SERef是參考頻譜利用效率,根據(jù)圖4這里等于DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)中的最大頻譜利用效率5.9bit/(s·Hz)。同時(shí),本文僅考慮BWAct=BWFull的情況,也就是說(shuō)假設(shè)兩個(gè)低軌星座系統(tǒng)間頻段完全重疊,通過(guò)獲取鏈路C/(N+I),得到單鏈路頻譜利用效率,通過(guò)與DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)中最高頻譜利用效率5.9bit/(s·Hz)相比較,得到容量損失ΔR。通過(guò)統(tǒng)計(jì)多鏈路容量損失均值,刻畫在不同場(chǎng)景下系統(tǒng)性能的損失。

3 仿真設(shè)置

本章使用基于時(shí)間序列的干擾仿真方法,仿真時(shí)間步長(zhǎng)為1min,對(duì)于每個(gè)場(chǎng)景仿真總時(shí)長(zhǎng)為60d。以下詳細(xì)描述仿真星座構(gòu)型和仿真鏈路參數(shù)。

3.1 星座構(gòu)型

本文分析了大規(guī)模和中小規(guī)模星座系統(tǒng)之間下行鏈路兼容共用的場(chǎng)景。小規(guī)模星座是指達(dá)到全球單重覆蓋的星座系統(tǒng),中規(guī)模星座是指達(dá)到全球2～3重覆蓋的星座系統(tǒng),大規(guī)模星座是指超過(guò)3重覆蓋的星座系統(tǒng)。選取SpaceX申報(bào)的USASAT-NGSO-3B-R網(wǎng)絡(luò)資料[14]的參數(shù)作為大規(guī)模系統(tǒng)仿真參數(shù)。設(shè)計(jì)典型的混合構(gòu)型星座系統(tǒng)參數(shù)作為中規(guī)模及小規(guī)模系統(tǒng)仿真參數(shù)。星座構(gòu)型見表1。

表1 星座構(gòu)型Table 1 Constellation configuration

3.2 通信鏈路參數(shù)

選取SpaceX申報(bào)的USASAT-NGSO-3B-R網(wǎng)絡(luò)資料[14]的載波參數(shù)作為大規(guī)模系統(tǒng)下行通信鏈路參數(shù)。設(shè)計(jì)典型的混合構(gòu)型星座系統(tǒng)鏈路參數(shù)作為中小規(guī)模系統(tǒng)下行通信鏈路仿真參數(shù),如表2所示。

表2 下行通信鏈路參數(shù)Table 2 Downlink parameter

4 仿真結(jié)果

仿真場(chǎng)景設(shè)置為兩系統(tǒng)地面站同址和地面站間距為600km,其結(jié)果及分析分別于4.1節(jié)和4.2節(jié)展示。每種場(chǎng)景都針對(duì)單鏈路和多鏈路進(jìn)行了不同場(chǎng)景的仿真分析。

根據(jù)表1和表2中星座構(gòu)型參數(shù)和通信鏈路參數(shù)建立干擾仿真分析模型,通過(guò)獲取每一時(shí)刻鏈路C/(N+I),得到鏈路頻譜利用效率,通過(guò)公式(3)計(jì)算得到該時(shí)刻容量損失ΔR,統(tǒng)計(jì)仿真時(shí)長(zhǎng)中所有時(shí)刻的ΔR,利用公式(4)計(jì)算互補(bǔ)累積分布函數(shù)(complementary cumulative distribution function,CCDF)。CCDF曲線表示所有大于橫坐標(biāo)ΔR的值,其出現(xiàn)概率的和。

CCDF(ΔR)=P(x>ΔR)

(4)

4.1 兩系統(tǒng)地面站同址

4.1.1 單鏈路

兩系統(tǒng)地面站同址時(shí)的單鏈路干擾場(chǎng)景如圖1所示。小規(guī)模大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果如圖5所示,紅色線條為大規(guī)模星座系統(tǒng)容量惡化情況,藍(lán)色線條為小規(guī)模星座系統(tǒng)容量惡化情況。線條越靠左,證明容量惡化越少,系統(tǒng)性能越好。

圖5 小規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站同址單鏈路)Fig.5 ΔR in the sharing between small NGSO system and large NGSO system(earth station in the same site,single link)

粗實(shí)線代表2.1節(jié)中描述的1)基線場(chǎng)景,即只有一個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)的容量損失。細(xì)實(shí)線代表2.1節(jié)中描述的2)干擾場(chǎng)景,即兩個(gè)系統(tǒng)互相干擾時(shí),各個(gè)系統(tǒng)的容量損失。虛線和點(diǎn)線代表2.1節(jié)中描述的3)4)場(chǎng)景,即有一個(gè)系統(tǒng)采取主動(dòng)規(guī)避措施來(lái)減緩干擾。具體的,虛線代表小規(guī)模星座系統(tǒng)采用隔離角主動(dòng)規(guī)避時(shí)的容量損失。點(diǎn)線代表大規(guī)模星座系統(tǒng)采用隔離角主動(dòng)規(guī)避時(shí)的容量損失。隔離角頂點(diǎn)為地面站,兩個(gè)端點(diǎn)分別為接入地面站系統(tǒng)的衛(wèi)星和另一系統(tǒng)的所有衛(wèi)星,即,以主動(dòng)采取規(guī)避措施的系統(tǒng)地面站為頂點(diǎn),兩個(gè)端點(diǎn)分別為主動(dòng)采取規(guī)避措施的系統(tǒng)中接入地面站的衛(wèi)星、另一系統(tǒng)的所有衛(wèi)星。本文仿真所使用的隔離角為5°。

仿真結(jié)果顯示,大規(guī)模星座系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)容量損失為0。小規(guī)模星座系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)有一定的容量損失,這是由于衛(wèi)星數(shù)量較少,地面站可能會(huì)選取較低的仰角建鏈,與DVB-S2X最大頻譜利用效率5.9bit/(s·Hz)相比,在1%的時(shí)間概率以下有約3%的容量損失。

細(xì)實(shí)線代表了兩系統(tǒng)互相干擾,不采取任何規(guī)避措施時(shí)的容量損失。仿真結(jié)果顯示,兩系統(tǒng)都有一定的容量損失。

虛線為小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng),仿真結(jié)果顯示,小規(guī)模星座系統(tǒng)容量損失較大,在0.04%的時(shí)間概率以下直接就達(dá)到了100%,容量損失100%也就是發(fā)生了斷鏈的情況;而大規(guī)模星座系統(tǒng)則沒有容量損失。仿真結(jié)果顯示,小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng),會(huì)給小規(guī)模星座系統(tǒng)帶來(lái)較大的容量損失。

點(diǎn)線為大規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避小規(guī)模星座系統(tǒng),采用這種規(guī)避措施,大規(guī)模星座系統(tǒng)沒有容量損失,小規(guī)模星座系統(tǒng)容量損失也小于不采取任何規(guī)避措施時(shí)的情況。

從圖5可以看出,在0.001%時(shí)間概率以下,若大規(guī)模星座主動(dòng)采取干擾規(guī)避措施,最大系統(tǒng)容量損失將從35%降低為0;若小規(guī)模星座主動(dòng)采取干擾規(guī)避措施,最大系統(tǒng)容量損失將從78%惡化為100%。結(jié)果表明,隨著星座規(guī)模增大,主動(dòng)規(guī)避措施可有效緩解頻率干擾帶來(lái)的容量損失,反之當(dāng)星座規(guī)模減小,主動(dòng)規(guī)避措施會(huì)增加鏈路中斷風(fēng)險(xiǎn),造成系統(tǒng)容量惡化。

也就是說(shuō),當(dāng)小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng)時(shí),會(huì)對(duì)小規(guī)模星座系統(tǒng)的容量造成較大損失,甚至?xí)?dǎo)致無(wú)法連續(xù)覆蓋,產(chǎn)生斷鏈場(chǎng)景。但反過(guò)來(lái),若大規(guī)模星座系統(tǒng)采取規(guī)避措施,不但不會(huì)對(duì)自身的容量造成損失,小規(guī)模星座系統(tǒng)的性能也會(huì)比不采取任何規(guī)避措施時(shí)有所提升。

圖6為兩系統(tǒng)地面站同址,中規(guī)模和大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果。紅色線條為大規(guī)模星座系統(tǒng)容量惡化情況,藍(lán)色線條為中規(guī)模星座系統(tǒng)容量惡化情況。仿真結(jié)果顯示,在這種場(chǎng)景下,大規(guī)模和中規(guī)模星座系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)的容量損失均為0。不采取任何規(guī)避措施時(shí),都有一定的容量損失。當(dāng)中規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避時(shí),自身沒有容量損失,大規(guī)模星座系統(tǒng)有一定的容量損失;當(dāng)大規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避時(shí),自身沒有容量損失,中規(guī)模星座系統(tǒng)有了一定的容量損失。

圖6 中規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站同址單鏈路)Fig.6 ΔR in the sharing between medium NGSO system and large NGSO system(earth station in the same site,single link)

這和圖5小規(guī)模星座系統(tǒng)和大規(guī)模星座系統(tǒng)的仿真結(jié)果有較大區(qū)別。這展示了一個(gè)現(xiàn)象,當(dāng)兩個(gè)星座系統(tǒng)都是能夠滿足多重覆蓋、數(shù)量較多的星座系統(tǒng),如果都不采取規(guī)避措施,雙方容量損失較大;如果一方主動(dòng)采取規(guī)避措施,主動(dòng)規(guī)避方容量損失改善大于被規(guī)避方容量損失改善。

這是由于主動(dòng)采取規(guī)避措施的系統(tǒng)知曉被規(guī)避星座系統(tǒng)的星歷等數(shù)據(jù),通過(guò)采取主動(dòng)規(guī)避措施,能夠降低自身系統(tǒng)容量損失。由于主動(dòng)采取規(guī)避措施的星座知曉被規(guī)避星座的星歷等數(shù)據(jù),就能夠避開存在較大概率產(chǎn)生強(qiáng)干擾的鏈路,而被規(guī)避的星座系統(tǒng)并不知道有一個(gè)系統(tǒng)在主動(dòng)進(jìn)行波束避讓,繼續(xù)使用原來(lái)的選星策略接入系統(tǒng),地面站相比基線無(wú)干擾狀態(tài)多接收到下行干擾功率,從而造成部分容量損失。

因此,建議當(dāng)兩個(gè)星座系統(tǒng)都是數(shù)量較多、能夠滿足多重覆蓋的星座系統(tǒng),互相進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)需知曉對(duì)方星座系統(tǒng)星歷、鏈路等參數(shù),主動(dòng)采取規(guī)避措施,就能夠保證自身星座系統(tǒng)容量沒有損失。

4.1.2 兩條鏈路

兩系統(tǒng)同址的兩條鏈路干擾場(chǎng)景如圖7所示。

圖7 NGSO系統(tǒng)間地面站同址,每系統(tǒng)有兩個(gè)間距600km地面站(即兩條鏈路)場(chǎng)景干擾示意Fig.7 Interference scene when two NGO system ground stations are in the same location and each NGSO system has two earth stations separated by 600km(i.e.two links)

圖8為兩系統(tǒng)地面站同址,每個(gè)系統(tǒng)有兩條鏈路時(shí),小規(guī)模和大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果。

圖8 小規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站同址,兩條鏈路)Fig.8 ΔR in the sharing between small NGSO system and large NGSO system(earth station in the same site,two links)

仿真結(jié)果顯示,大規(guī)模星座系統(tǒng)在單獨(dú)工作、主動(dòng)規(guī)避、被小規(guī)模星座系統(tǒng)規(guī)避時(shí)均沒有容量損失。僅在不采取任何規(guī)避措施時(shí)在0.01%的時(shí)間概率以下有容量損失,容量損失小于圖5單鏈路場(chǎng)景,可以看出,提升站點(diǎn)部署數(shù)量對(duì)于減緩容量損失有積極作用。

小規(guī)模星座系統(tǒng)在單獨(dú)工作時(shí)有一定的容量損失。當(dāng)有干擾且無(wú)規(guī)避措施時(shí),0.01%時(shí)間概率以下約有40%的損失,容量損失小于圖5單鏈路場(chǎng)景,可以看出,提升站點(diǎn)部署數(shù)量對(duì)于減緩容量損失有積極作用。當(dāng)小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng)時(shí),自身容量損失更大;當(dāng)大規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避小規(guī)模星座系統(tǒng)時(shí),小規(guī)模星座系統(tǒng)容量損失較小。這和圖5單鏈路場(chǎng)景現(xiàn)象一致。

圖9為兩系統(tǒng)地面站同址,每個(gè)系統(tǒng)有兩條鏈路時(shí),中規(guī)模和大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果。

圖9 中規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站同址,兩條鏈路)Fig.9 ΔR in the sharing between medium NGSO system and large NGSO system(earth station in the same site,two links)

仿真結(jié)果顯示,大規(guī)模星座系統(tǒng)在單獨(dú)工作、主動(dòng)規(guī)避時(shí)均沒有容量損失。在不采取任何規(guī)避措施時(shí)在0.01%的時(shí)間概率以下有近10%的容量損失,容量損失小于圖6單鏈路場(chǎng)景,可以看出,提升站點(diǎn)部署數(shù)量對(duì)于減緩容量損失有積極作用。被中規(guī)模星座系統(tǒng)規(guī)避時(shí)在0.001%的時(shí)間概率以下有5%的容量損失。

中規(guī)模星座系統(tǒng)在單獨(dú)工作、主動(dòng)規(guī)避時(shí)均沒有容量損失。在不采取任何規(guī)避措施時(shí),有較大的容量損失,容量損失小于圖6單鏈路場(chǎng)景,同樣的,提升站點(diǎn)部署數(shù)量對(duì)于減緩容量損失有積極作用。被大規(guī)模星座系統(tǒng)規(guī)避時(shí)有一定的容量損失,但容量損失小于無(wú)規(guī)避場(chǎng)景。這和單鏈路場(chǎng)景圖6現(xiàn)象一致,即當(dāng)兩個(gè)星座系統(tǒng)都是能夠滿足多重覆蓋、數(shù)量較多的星座系統(tǒng),如果都不采取規(guī)避措施,雙方容量損失較大;如果一方主動(dòng)采取規(guī)避措施,主動(dòng)規(guī)避方容量損失改善大于被規(guī)避方容量損失改善。

4.2 兩系統(tǒng)地面站間距600km

4.2.1 單鏈路

兩系統(tǒng)地面站間距600km的單鏈路干擾場(chǎng)景如圖3所示。圖10為兩系統(tǒng)地面站間距600km,單鏈路情況下,小規(guī)模和大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果。

圖10 小規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站間距600km,單鏈路)Fig.10 ΔR in the sharing between small NGSO system and large NGSO system(earth station separated by 600km,single link)

仿真結(jié)果顯示,兩系統(tǒng)獨(dú)立工作時(shí),大規(guī)模星座系統(tǒng)沒有容量損失,小規(guī)模星座系統(tǒng)有一定的容量損失,這和地面站同址時(shí)小規(guī)模星座系統(tǒng)獨(dú)立工作,即圖5的仿真結(jié)果是一致的。在有干擾無(wú)規(guī)避措施的情況下,兩站間距600km的場(chǎng)景下,大規(guī)模和小規(guī)模星座系統(tǒng)容量損失比圖5兩站同址場(chǎng)景要少很多,這表明,地面站地理隔離對(duì)于干擾減緩有積極作用。由于已經(jīng)隔離了600km,即使采取空域隔離角的規(guī)避措施,也不會(huì)減小單鏈路的容量損失,即不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能的提升有好處。

當(dāng)小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng)時(shí),自身容量損失更大;當(dāng)大規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避小規(guī)模星座系統(tǒng)時(shí),小規(guī)模星座系統(tǒng)容量損失較小。這和圖5單鏈路場(chǎng)景現(xiàn)象一致。印證了以下觀點(diǎn),小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng)得不償失,大規(guī)模星座系統(tǒng)有一定的抗干擾能力,在主動(dòng)規(guī)避其他星座系統(tǒng)時(shí),也能保證自身系統(tǒng)容量性能沒有損失。

圖11為兩系統(tǒng)地面站間距600km、單鏈路情況下,中規(guī)模和大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果。

圖11 中規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站間距600km,單鏈路)Fig.11 ΔR in the sharing between medium NGSO system and large NGSO system(earth station separated by 600km,single link)

仿真結(jié)果顯示,兩系統(tǒng)獨(dú)立工作時(shí),都沒有容量損失。不采取規(guī)避措施時(shí),都有一定的容量損失,與圖6地面站同址情況相比,容量損失小于同址情況。這表明地面站地理隔離對(duì)于干擾減緩有積極作用。

當(dāng)中規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避時(shí),自身沒有容量損失,大規(guī)模星座系統(tǒng)有一定的容量損失;當(dāng)大規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避時(shí),自身沒有容量損失,中規(guī)模星座系統(tǒng)有一定的容量損失。這和圖6單鏈路地面站同址現(xiàn)象一致,即當(dāng)兩個(gè)星座系統(tǒng)都是能夠滿足多重覆蓋、數(shù)量較多的星座系統(tǒng)時(shí),如果都不采取規(guī)避措施,雙方容量損失較大;如果一方主動(dòng)采取規(guī)避措施,主動(dòng)規(guī)避方容量損失改善大于被規(guī)避方容量損失改善。

4.2.2 多鏈路

兩系統(tǒng)地面站間距600km的多鏈路干擾場(chǎng)景如圖12所示。

圖12 NGSO系統(tǒng)間地面站間距600km,每個(gè)系統(tǒng)4條鏈路場(chǎng)景干擾示意Fig.12 Interference scene when two NGO system ground stations are 600km apart and each NGSO system has 4 links

圖13為兩系統(tǒng)地面站間距600km、多鏈路情況下,小規(guī)模和大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果。

圖13 小規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站間距600km,多鏈路)Fig.13 ΔR in the sharing between small NGSO system and large NGSO system(earth station separated by 600km,multiple links)

仿真結(jié)果顯示,大規(guī)模星座系統(tǒng)在單獨(dú)工作、主動(dòng)規(guī)避時(shí)無(wú)容量損失。不采取任何規(guī)避措施和被小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避時(shí)有相同的容量損失。

小規(guī)模星座系統(tǒng)在單獨(dú)工作的情況下有一定的容量損失。不采取規(guī)避措施時(shí),有一定的容量損失,與圖10單鏈路情況相比,容量損失小于單鏈路情況。這表明,提升地面站部署數(shù)量對(duì)于減緩容量損失有積極作用。大規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避小規(guī)模星座系統(tǒng)和不采取規(guī)避的容量損失相同,這是由于兩系統(tǒng)地面站已經(jīng)隔離開來(lái),空域隔離角規(guī)避的意義和效果不大。

小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座會(huì)給自身帶來(lái)較大容量損失,這和圖10單鏈路場(chǎng)景一致。這印證了以下結(jié)論:小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng)得不償失,大規(guī)模星座系統(tǒng)有一定的抗干擾能力,在主動(dòng)規(guī)避其他星座系統(tǒng)時(shí),也能保證自身系統(tǒng)容量性能沒有損失。

圖14為兩系統(tǒng)地面站間距600km、多鏈路情況下,中規(guī)模和大規(guī)模星座系統(tǒng)地面站容量損失的仿真結(jié)果。

圖14 中規(guī)模星座系統(tǒng)與大規(guī)模星座系統(tǒng)共存容量損失情況(地面站間距600km,多鏈路)Fig.14 ΔR in the sharing between medium NGSO system and large NGSO system(earth station separated by 600km,multiple links)

仿真結(jié)果顯示,大規(guī)模和中規(guī)模星座系統(tǒng)在單獨(dú)工作、主動(dòng)規(guī)避時(shí)無(wú)容量損失,和圖11單鏈路場(chǎng)景一致。這印證了以下觀點(diǎn):當(dāng)兩個(gè)星座系統(tǒng)都是能夠滿足多重覆蓋、數(shù)量較多的星座系統(tǒng)時(shí),如果都不采取規(guī)避措施,雙方容量損失較大;如果一方主動(dòng)采取規(guī)避措施,主動(dòng)規(guī)避方容量損失改善大于被規(guī)避方容量損失改善。

大規(guī)模和中規(guī)模星座在有干擾不規(guī)避和對(duì)方星座主動(dòng)規(guī)避時(shí)容量損失相同,這是由于當(dāng)兩系統(tǒng)地面站已經(jīng)隔離開來(lái),空域隔離角規(guī)避的意義和效果不大。同時(shí),大規(guī)模和中規(guī)模星座在有干擾不規(guī)避時(shí)容量損失小于單鏈路情況(圖11)。這表明,提升地面站部署數(shù)量對(duì)于減緩容量損失有積極作用。

5 結(jié)論

本文以容量損失作為評(píng)價(jià)星座系統(tǒng)間同頻干擾分析的系統(tǒng)級(jí)干擾評(píng)估指標(biāo),依據(jù)ITU-R公布的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料參數(shù)對(duì)星座系統(tǒng)間同頻干擾場(chǎng)景進(jìn)行了建模,通過(guò)采取不同的規(guī)避措施對(duì)容量損失進(jìn)行了評(píng)估。最后,給出了大、中、小規(guī)模星座系統(tǒng)干擾規(guī)避的策略建議。

針對(duì)小規(guī)模星座系統(tǒng),當(dāng)小規(guī)模星座系統(tǒng)主動(dòng)規(guī)避大規(guī)模星座系統(tǒng)時(shí),會(huì)對(duì)小規(guī)模星座系統(tǒng)的容量造成較大損失,甚至?xí)?dǎo)致無(wú)法連續(xù)覆蓋,產(chǎn)生斷鏈場(chǎng)景。但反過(guò)來(lái),若大規(guī)模星座系統(tǒng)采取規(guī)避措施,不但不會(huì)對(duì)自身的容量造成損失,小規(guī)模星座系統(tǒng)的性能也會(huì)比不采取任何規(guī)避措施時(shí)有所提升。

針對(duì)衛(wèi)星數(shù)量較多、能夠滿足多重覆蓋的大規(guī)模和中規(guī)模星座系統(tǒng),建議兩個(gè)星座系統(tǒng)間進(jìn)行頻軌協(xié)調(diào)時(shí),需知曉對(duì)方衛(wèi)星系統(tǒng)星歷、鏈路參數(shù),主動(dòng)采取規(guī)避措施,這能夠保證自身系統(tǒng)容量性能不受損失。

針對(duì)地面站,不同NGSO星座系統(tǒng)地面站采取一定的隔離間距,能夠保證自身系統(tǒng)容量性能不受損失。同時(shí),提升地面站點(diǎn)部署數(shù)量,對(duì)于減緩容量損失有積極作用。