熱點地區(qū)星鏈覆蓋性能仿真分析*

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，軍事意義和軍事運用潛力尤其重大：可大幅增強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，有助于美軍進行“非對稱性”、“非接觸性”、“非線性”戰(zhàn)爭。因此，該計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聯(lián)合實驗。

本文旨在通過對某熱點地區(qū)的starlink衛(wèi)星星座覆蓋特性進行分析和討論，為后續(xù)進一步提出應(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)射計劃

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

該計劃初步擬在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)計達(dá)100億美元。其初步計劃構(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、功能和改進缺陷。在2027年底初步計劃完成后，該計劃再增多部署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)星并不會直接進入預(yù)定的550 km軌道，而是進入位于300 km左右的軌道，之后通過星上氪離子推進器進行軌道爬升進入預(yù)定軌道。當(dāng)前，約有37%（155顆）衛(wèi)星進入預(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“初步運營能力”，800顆衛(wèi)星能進一步提升到“重大運營能力”。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)運營所需的最低數(shù)量衛(wèi)星，具備了開展實際初步運營測試的能力。

2 仿真分析

2.1 仿真背景

starlink在軌417顆衛(wèi)星已經(jīng)具有初步運營能力，可開始為某熱點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)指揮機構(gòu)進行跨大地域戰(zhàn)略寬帶通信；地面前線指揮所和各作戰(zhàn)單元之間進行常規(guī)窄帶戰(zhàn)術(shù)通信；由偵察機升空進行偵察，對情報進行傳輸和分發(fā)；空中加油機和偵察機及其他受油機之間僅依靠直接雙向鏈路傳輸進行對接；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24 h。

星座構(gòu)建完成，2020年 5月 21日 04∶00∶00.000 UTCG時星座整體分布態(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)在特定的時間和地點動態(tài)集中所需節(jié)點衛(wèi)星通信容量的能力，具有時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)計性能、多星覆蓋統(tǒng)計性能、星座覆蓋統(tǒng)計性能等多級別指標(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)域柵格點的計算。

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覆蓋的資源數(shù)量，設(shè)置Compute（計算標(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被覆蓋的時間總和，設(shè)置Compute（計算標(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段的時間間隔，設(shè)置Compute（計算標(biāo)準(zhǔn)）為Maximum；

2.4.3 計算覆蓋性能

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），點擊Generate按鈕，輸出數(shù)據(jù)報告或圖形。

同理，對FOM_CT、FOM_RT進行類似操作，輸出數(shù)據(jù)報告或圖形。

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，輸出數(shù)據(jù)報告或圖形。

2.4.4 圖表分析報告

1）圖3是目標(biāo)區(qū)域同時覆蓋資源（衛(wèi)星）數(shù)示意圖，橫坐標(biāo)是時間軸，縱坐標(biāo)是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)同時覆蓋資源（衛(wèi)星）數(shù)?？梢钥匆妼區(qū)某些地點最多同時有9顆衛(wèi)星波束能夠覆蓋；最少時全區(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)星覆蓋時采取行動的可能性很低；而當(dāng)最多9顆衛(wèi)星可以同時覆蓋該區(qū)域時，其服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的健壯性達(dá)到最強，對其采取應(yīng)對措施將非常困難。

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

2）圖4是目標(biāo)區(qū)域重訪時段分布示意圖，橫坐標(biāo)是時間軸，縱坐標(biāo)是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)各個覆蓋間隙的持續(xù)時間長短，可以看出顏色區(qū)域是無訪問時段，對T區(qū)的覆蓋情況并不非常好，存在大量的無訪問時段，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)域重訪時段分布示意圖

3）表3是T區(qū)內(nèi)所有柵格點完整的被覆蓋持續(xù)時間統(tǒng)計，總共231個時段，最大時段長為2 638.959 s，總時長39 023.698 s，占比45.17%，表明在接近半天的時間內(nèi)T區(qū)均處于全區(qū)有服務(wù)狀態(tài)，其余時間才會有部分無覆蓋區(qū)域。對于T區(qū)內(nèi)所有柵格點的覆蓋總次數(shù)是715次，其中某個柵格被覆蓋總時間最長的為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)時間統(tǒng)計

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覆蓋情況進行對比分析，數(shù)據(jù)報表表明，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)覆蓋時段或無覆蓋地點，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段和特定地點將完全無縫隙，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、某熱點地區(qū)的運行態(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。隨著時間的推移，星鏈的相關(guān)技術(shù)逐步公開或半公開，對其進行各個層面上的分析和研究才會具有更多的可行性?！?/p>