低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析

信息技术XINXUISHU2021年第2期低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析
代建中，冯旭哲
(国防科技大学智能科学学院，长沙410000)
摘要：随着空间科学的发展，低轨(LEO)卫星的宽带业务需求不断增大，其使用频段向Ka等高频段扩展，不可避免地与静止轨道(GEO)卫星系统产生同频干扰。

文中对GEO卫星系统受到LEO卫星系统的干扰及其规避措施进行了研究，通过建立上、下行同频干扰模型，对GEO卫星系统受到的干扰进行了仿真分析；进而，提出了基于空间隔离角和基于屏蔽最大干扰LEO卫星的两种干扰规避策略，并对其进行了仿真分析。

结果表明，基于空间隔离角的策略可减小EPFD值干扰，但效果与空间隔离角阈值的选取有关，而基于屏蔽最大干扰LEO卫星的策略可将EPFD干扰控制在规定门限值之内。

关键词：低轨(LEO)；静止轨道(GEO)；等效功率通量密度(EPFD)；干扰规避
中图分类号：V411.8文献标识码：A文章编号：1009-2552(2021)02-0079-06
DOI：10.13274/ki.hdzj.2021.02.014
Simulation and analysis of spectrum interference and mitigation of LEO satellite system
DAI Jian-zhong,FENG Xu-zhe
(College of Intelligence Science and Technology,National University of Defense Technology,Changsha 410000,China)
Abstract:With the development of space science,the increasing demand for broadband services of low-or­bit(LEO)satellites is leading to the expansion of their use frequency bands to high frequency bands such as Ka,which inevitably causes co-frequency interference for geostationary(CEO)satellite systems.This paper studies the interference caused by LEO satellite system to GEO satellite system and the interference a-voidance strategy・Firstly，by establishing the uplink and downlink co-frequency interference model,the in­terference for the CEO satellite system was simulated and analyzed・Furthermore,two interference mitiga­tion strategies based on the space isolation angle and based on shielding the LEO satellite that cause the greatest interference are proposed,and specific simulation analysis is carried out.The results show that the strategy based on the spatial isolation angle can reduce EPFD interference,but the effect is related to the selection of the threshold of the spatial isolation angle,while the strategy based on shielding the LEO satel­lite that causes the greatest interference can control the EPFD interference within the specified threshold・Key words：low earth orbit(LEO)；geostationary orbit(GEO)；equivalent power flux density(EPFD)；interference mitigation
o引言
近年来，以One W eb、Starlink为代表的低轨(LEO)卫星星座被提出和建设。

LEO卫星系统
作者简介：代建中(1995-)，男，硕士研究生，研究方向为空间仪器工程。

使用频段向Ka、Ku频段扩展，导致与静止轨道(GEO)卫星系统之间存在一定程度的同频干扰问题。

针对此问题,国际电信联盟(ITU)在《无线电规则》中明确规定，LEO卫星系统不得对GEO 卫星系统造成干扰,其频率协商工作应以等效功
—79—
低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析一代建中等
率通量密度(EPFD)限制条件作为参考指标⑴。

目前国内外已经对LEO.GEO卫星系统的同频干扰问题进行了一定的研究。

文献［2-3］结合ITU规定的干扰噪声比(I/N)指标，通过自适应功率控制的方式降低了LEO.GEO卫星系统间的同频干扰。

文献［4-5］则通过划分频谱信道或认知无线电的方式，提高了频谱的利用率。

文献［6］采用空间隔离的方法，通过设置空间隔离角与隔离禁区对干扰进行规避。

文献［7］详细论证了LEO系统与GEO系统之间空间隔离角的确定方法，同时考虑GEO卫星轨道摄动带来的影响，进而确定干扰规避区域。

上述文献仅考虑了单颗LEO卫星对GEO卫星系统造成的干扰，未对整个LEO星座造成的干扰进行分析和仿真。

随着LEO星座规模的日趋庞大,整个星座对GEO卫星系统造成的干扰不能通过单星的干扰进行表征，分析LEO星座的干扰具有重要的理论与现实意义。

本文参考ITU规定的EPFD限制指标，分别建立LEO与GEO卫星系统上、下行同频干扰模型,对其EPFD值进行仿真分析；在此基础上，提出了基于空间隔离角和基于屏蔽最大干扰LEO卫星的两种干扰规避策略，并通过仿真分析验证了其干扰规避性能。

1LEO-GEO卫星系统同频干扰建模
当LEO.GEO卫星系统的工作频段存在重叠的情况时,就存在相互干扰的可能性。

下面针对LEO.GEO卫星通信系统之间相互十扰的情形，分别对上行干扰场景和下行干扰场景建立相应的数学模型，分析其干扰情况⑻。

1.1上行干扰
如图1所示，考虑LEO卫星系统对CEO卫星系统的干扰，当两个系统的上行工作链路存在频段重叠时，LEO地面站的部分发射功率会被GEO卫星的接收天线捕获，形成“LEO地面站一GEO卫星”的干扰链路。

由于两卫星系统间通常存在的是部分频段重叠的情况，此时只考虑带内干扰。

首先需要计算LEO卫星系统发射信号的功率谱密度，再计算重叠频带内的功率值,将重叠频带内的功率值作为干扰信号链路的发射功率。

设LEO.GE0卫星系—80—统发射信号的载波频率分別为f L和九，通信带宽分别为W r,和，假设干扰信号的功率谱密度在带宽内均匀分布，则两卫星系统的频率使用情况如图2所示,久创⑷为两系统上行链路的重叠带宽。

GEO地面站LEO地面站
图1上行干扰示意图
f G f L
图2卫星系统频段重叠示意图
若LEO地面站的发射功率为P TX2，则带内干扰信号发射功率为：
P t X2
p Overlap
=TX2W[(1)在计算得到带内干扰信号的发射功率后, LEO地面站的发射功率在GEO卫星处产生的等效功率通量密度EPFD冲为:
EPFD^=101g^P m•G t X2(.G rxi(&2))Q)
G«Xl,max'
其中,为上行干扰场景中LEO地面站在重叠频带内的发射功率；G tx2(8\)为LEO地面站的发射天线在偏离其主轴®角度的犬线增益；为LEO卫星系统的上行工作链路与干扰链路之间的夹角；(&2)为GEO卫星的接收天线在偏离其主轴&2角度的天线增益；&2为GEO
卫星系
低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析一代建中等
统的上行工作链路与干扰链路之间的夹角；必为
上行干扰场景中干扰链路的距离，即LEO地面站
到GEO卫星的距离；G朋冲为GEO卫星的接收
天线峰值增益。

1.2下行干扰
下行干扰场景与上行干扰场景类似。

如图3
所示，考虑LEO卫星系统对GEO卫星系统的干
扰，当两个系统的下行工作链路存在频段重叠时，
LEO卫星的部分发射功率会被GEO地面站的接
收天线捕获，形成“LEO卫星一GEO地面站”的干
扰链路。

卫1
GEO地面站LEO地面站
图3下行干扰示意图
参考上行干扰场景下的干扰信号的数学模
型,LEO卫星的发射功率在GEO地面站处产生的
等效功率通量密度EPFD^n为：
EPFD z G说（爲）
4oTd；
G rxi(04)\/o\
G缶，喰丿
其中，P'rxi为下行干扰场景中LEO卫星在重叠频带内的发射功率;GL（03）为LEO卫星的发射天线在偏离其主轴％角度时的天线增益；03为LEO 卫星系统的下行工作链路与干扰链路之间的夹角；&缶（。

4）为GEO地面站的接收天线在偏离其主轴04角度时的天线增益；e4为GEO卫星系统的下行工作链路与干扰链路之间的夹角；为下行于扰场景中干扰链路的距离，即LEO卫星到GEO地面站的距离；G缶，唤为GEO地面站的接收天线峰值增益。

2仿真结果与分析
2.1LEO-GEO同频干扰场景的建立
本文通过仿真搭建LEO卫星系统、GEO卫星系统,分别对GEO地面站受到LEO卫星下行信号的干扰和对GEO卫星受到LEO地面站上行信号的干扰进行仿真分析。

考虑到STK具有强大的轨道资源计算能力但不具备可编程能力，木文采用MATLAB与STK联合仿真的方法，利用STK 获取LEO.GEO卫星的轨道数据，进而通过MAT­LAB对GEO卫星系统受到的集总EPFD干扰进行计算⑼。

本文采用2020.06.0100：00-2020.06.02 00：00的广播星历进行仿真。

LEO卫星系统参考Starlink星座在轨道高度为550km的1584颗LEO 卫星，采用1584/24/1型Walker星座；GEO卫星系统参考我国中星16号卫星，其定点于110.5°E；地面站取为三亚卫星观测站（109.5°E,18.25°N）,假设该地面站同时具有与LEO.GEO卫星系统进行通信的能力。

为简化仿真过程,假设地面站天线可预先获取卫星轨道信息，在满足可见条件时自动指向卫星，且地面站具有足够多的天线能够与多颗卫星进行通信。

同时仿真主要针对卫星与地面站之间的馈线链路，假设GEO、LEO卫星均装载窄波束天线，且卫星天线在满足可见条件时自动指向地面站。

此外，取LEO、GE0卫星系统通信频率与通信带宽均相同，具体仿真参数如表1所示。

表1仿真参数〔们
参数数值
LEO卫星长半轴（km）6928.137
LEO卫星轨道倾角（。

）53
上行频率（GHz）28.5
上行带宽（MHz）500
上行等效全向辐射功率（EIRP）（dBW）68.4
下行频率（GHz）18.2
卜-行带宽（MHz）250
下行EIRP(dBW)39.44
LEO地而站天线口径（m）1
LEO卫星天线口径（m）0.4
GEO地面站天线口径（m）1
GEO卫星天线口径（m）3
LEO卫星天线增益见文献[11]
GEO卫星天线增益见文献[12]
地面站天线增益见文献[13]
—81
—
低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析一代建中等
2.2 LEO-GE 0同频干扰分析
根据ITU 相关规定，等效功率通量密度的门
限值如表2所示。

基于已建立的上行和下行干扰 场景，对1天内GEO 卫星系统受到的EPFD 干扰
随时间的变化情况进行仿真,上、下行干扰场景的
仿真结果分别如图4-5所示。

表2 EPFD 干扰门限⑴
I ：扰场景 频率(GHz)参考带宽(kHz) EPFD 门限(dB(W/m 2))
上行 27.5 -28.6 40 -162
-164
下行 17.8-18.6
40
505050505
34455667711 11 1A 11 11 1A 1A 11 11
_5 10 15 20 25
时间(h)
5311-18O o
图4上行干扰场景的EPFD 值随时间的变化情况
5 0 5 0 5 04 4 5 5
6 6 71A 1± -■1* 11
11
1A
11
------- ((主 M
)H P )f £d w
75
5 10 15时间(h)
20 25
图5下行干扰场景的EPFD 值随时间的变化情况
对照ITU 规定的EPFD 门限值，由图4 - 5可 知,上、下行干扰场景均存在超过各自门限值的情
况，特别是在下行链路中，LEO 星座对GEO 地面 站产生的集总EPFD 的最小值与门限值- 164dB
(W/m 2)相当。

同时，图中EPFD 值的变化情况呈
现出lh 的周期性，这是因为仿真中LEO 星座为
具有24个轨道面的Walker 星座，恰好每间隔lh,
—82 —
后一轨道面运动至前一轨道面的位置，导致
EPFD 值的变化情况呈现出lh 的周期性。

根据EPFD 值呈现出的周期性特征，进一步 对一个周期即lh 内的EPFD 干扰情况进行仿真, 上行和下行干扰场景的仿真结果分别如图6-7
所示。

图7下行干扰场景的EPFD 值lh 内的变化情况
(G
日匸
«p )
g d H
由图6-7可知,无论是上行还是下行干扰场 景，在lh 内EPFD 值均存在两次峰值，且峰值均
在同一时刻出现,这是由于LEO 星座具有24个
均匀分布的轨道面，因此在lh 仿真时间内LEO
卫星轨道面两次经过地面站上空；同时每个轨道 面内均匀分布有64颗LEO 卫星，当LEO 卫星轨 道面经过地面站上空附近时，总存在一颗LEO 卫
星，使得LEO 卫星、GEO 卫星和地面站三者大致 处于共线状态，此时LEO 卫星系统对GEO 卫星 系统造成的EPFD 干扰出现峰值。

低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析一代建中等
2.3干扰规避策略仿真与分析
上一节中对GEO卫星系统受到LEO卫星系
统的EPFD干扰随时间的变化情况进行了仿真分
析,结果表明在当前设置的仿真条件下，GEO卫
星系统受到LEO卫星系统的严重干扰，因此需要
采取干扰规避措施以降低GEO卫星系统受到的
干扰。

本文结合现有的研究成果,提出了基于空
间隔离角和基于屏蔽最大干扰LEO卫星的两种
干扰规避策略，并分别对其进行了仿真分析。

2.3.1基于空间隔离角的干扰规避策略
本文仿真中假设三亚卫星观测站同时具有与
LEO.GEO卫星进行通信的能力，故定义空间隔离
角为GEO卫星-地面站-LEO卫星三者构成的角
度，上行干扰场景中，空间隔离角即为GEO卫星
方向偏离LEO地面站发射天线主轴方向的角度,
而在下行干扰场景中，空间隔离角即为GEO地面
站方向偏离LEO卫星发射天线主轴方向的角度。

基于空间隔离角的干扰规避策略通过对空间隔离
角设定一定的阈值，当LEO卫星的空间隔离角位
于阈值范围之内时，该卫星与地面站不进行通信,
由其他LEO卫星接替其通信任务；当LEO空间
隔离角超过其阈值时,LEO卫星可与地面站进行
通信，从而保证对GEO卫星系统造成的EPFD干
扰位于其门限值之内。

仿真中设定空间隔离角阈值为5。

,对1天内
GEO卫星系统受到的EPFD干扰随时间的变化情
况进行仿真，上、下行干扰场景的仿真结果分别如
图8-9所75。

-135
-155
-165
-170
-175
-18o o1015
时间(h)2025
5
图8空间隔离角阈值为5。

时上行EPFD值的变化情况
((
主
M
«
p
)
！
m
d
H1111112520
图9空间隔离角阈值为5。

时下行EPFD值的变化情况
对比图4-5可知，设定空间隔离角阈值为5。

时，上、下行干扰场景的EPFD干扰峰值均出现了明显下降。

图8中上行干扰场景EPFD值可被控制在-177dB(W/m2)〜-169dB(W/m2),满足ITU规定的门限值要求，而图9中下行干扰场景中EPFD值可被控制在-169dB(W/m2)〜-156dB(W/m2),仍存在超过其门限值的情况。

上述结果表明，基于空间隔离角的干扰规避措施可一定程度上降低LEO卫星系统对GEO卫星系统造成的干扰，但其干扰规避的效果与隔离角阈值的选取有关。

2.3.2基丁屏蔽最大干扰LEO卫星的干扰规避策略
考虑到Ka波段天线波束宽度较窄，仿真中LEO卫星波束宽度仅取为3.2°,即在整个LEO卫星系统对GEO卫星系统造成的集总EPFD干扰中，仅有某一颗LEO卫星的干扰起决定性作用。

基于此，本文提出一种基于屏蔽最大干扰LEO卩.星的干扰规避策略,通过设置最大干扰的LEO卫星不进行通信，由具他LEO卫星接替其通信任务,来降低LEO卫星系统对GEO卫星系统造成的EPFD干扰。

对基于屏蔽最大干扰LEO卫星的干扰规避策略进行仿真，其上、下行干扰场景EPFD值的变化情况分别如图10-11所示。

对比图4-5可知，采用基于屏蔽最大干扰LEO卫星的干扰规避策略时，上、下行干扰场景的EPFD干扰峰值同样均岀现了明显下降。

图10
—83—
低轨卫星系统频谱干扰及其规避仿真与分析一代建中等
-135
-140
75
1A
70115
220
5
图10屏蔽最大干扰LEO 卫星时上行EPFD 值的变化情况
图11屏蔽最大干扰LEO 卫星时下行EPFD 值的变化情况
((K H P )
扌
u d H
为上行干扰场景，其EPFD 值可被控制在- 177dB
(W/m 2)〜-173dB(W/m 2)；图11为下行干扰场
景，其EPFD 值可被控制在-169dB ( W/n?)〜
-166dB(W/m 2)0显然，上、下行干扰场景的 EPFD 值的仿真结果均满足其各自的门限值要
求，即引入基于屏蔽最大干扰LEO 卫星的干扰规
避策略，能够使得LEO 卫星系统不会对GEO 卫
星系统造成于扰。

3结束语
本文针对LEO 与GEO 卫星系统之间的同频 干扰问题，基于MATLAB 与STK 联合仿真的方 式，对上、下行干扰场景的EPFD 干扰进行了仿 真，获取了 EPFD 值随时间的变化规律。

在此基
础上,提岀了基于空间隔离角和基于屏蔽最大干
扰LEO 卫星两种干扰规避策略，并分别进行了仿 真分析，仿真结果表明，基丁空间隔离角的干扰规 避策略可减小EPFD 干扰,但其干扰规避效果与
—84 —
空间隔离角阈值的选取有关，而基丁•屏蔽最大干
扰LEO 卫星的干扰规避策略可将EPFD 值控制 在规定门限值之内。

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—王同等
了LODCO算法的所有优点，能够很好地适应更复杂的环境,不仅在执行成本方面取得了显著的性能提升，而且有效地减少了任务失败。

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(责任编辑:杨静)
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