“星链”卫星威胁及分析

毋晓鹤，林 夏，尹艳伟，杨 昭

（中国人民解放军63893 部队，河南 洛阳 471000）

0 引言

“星链”（Starlink）是美国太空服务公司SpaceX 正在构建的低轨卫星通信系统，计划用其取代传统的地面通信设施，为全球提供宽带、低延迟且价格优惠的互联网接入服务［1］。 “星链”系统由高度在540～570 km的LEO 星座和高度在340 km 左右的VLEO 星座，以及地面控制站、网关站和用户终端组成。根据公开资料，“星链”系统LEO 星座计划发射4 408 颗卫星，VLEO 星座计划发射7 518 颗卫星，截至2022 年11 月在轨卫星数量已达3 453 颗。

考虑到“星链”系统接近12 000 颗的在轨卫星规模、不受主权国家控制的接入服务，国际社会普遍担忧其潜在的军事用途，比如用作低轨卫星通信系统、低轨卫星监视系统、低轨动能武器系统［2-3］。尤其是可搬移式“星链”终端在俄乌冲突中的大规模应用，更显示了“星链”系统的军事价值［4］。有分析认为，“星链”系统很可能步“铱星”后尘，打着民用的幌子最终建设成为一个庞大的军事应用系统［5］。截至目前，SpaceX 一方面声称“星链”面向全球提供互联网接入服务，另一方面明确将中俄排除在外。此外，有报道称中国台湾省与“星链”计划有合作关系［6-7］。

本文通过分析“星链”卫星系统参数，仿真计算其通信支持能力，研究分析空域压制、空域跟踪瞄准等干扰对抗方法的可行性及条件，为应对“星链”卫星现实和未来威胁提供参考。

1 “星链”系统通信支持能力

“星链”系统星座计划如表1—2 所示［8-9］。根据AGI 官方网站公开的“星链”在轨卫星数据，仿真运行“星链”系统星座模型，结果如图1 所示。可以看出，“星链”系统基本上在540～570 km 和340 km 左右高度的低轨织就了2 张密不透风的“网”。本节从时间域和空间域上就“星链”系统对某地区覆盖情况进行分析，以表明其通信支持能力，阐释其对各类作战行动的威胁。

图1 “星链”系统星座运行仿真

表1 “星链”系统LEO 星座参数

表2 “星链”系统VLEO 星座参数

1.1 单星覆盖能力分析

根据SpaceX 官方数据，“星链”系统LEO 星座卫星轨道高度约为550 km，可在距视轴最远44.85°的范围内提供服务，由此可计算其单星地面覆盖半径约为573.5 km，用户终端和网关可以最低40°的仰角与卫星进行通信，如图2 所示。

图2 “星链”系统LEO 星座卫星覆盖情况

VLEO 星座卫星轨道高度约为335.9 km，可在距视轴最远51.09°的范围内提供服务，由此可计算其单星地面覆盖半径约为435 km，用户终端和网关可以最低35°的仰角与卫星进行通信，如图3 所示。

图3 VLEO 星座卫星覆盖情况

1.2 时空域覆盖能力分析

基于2023 年1 月份卫星轨道数据，利用仿真计算“星链”系统对某地区（T 区）的覆盖品质因数可知，“星链”系统能够对T 区提供24 h 通信服务，最多同时覆盖卫星数达13 颗，最少同时覆盖卫星数为1 颗，平均同时覆盖卫星数量在4 颗左右。通过仿真分析，能够得到13 颗“星链”卫星同时覆盖T 区的覆盖时刻表，如表3 所示。随着“星链”入轨卫星数量持续增加，同时可服务卫星个数也会变化。

根据SpaceX 官方数据，以“星链”用户终端最大可视角110°（VLEO 星座）仿真可知能够服务T 区的“星链”卫星实时轨迹，计算得到其对T 区最大可服务空域范围（LEO 轨道）半径约为730.81 km，面积约为1 677 849.7 km2（虚线包围部分），如图4 所示。

图4 “星链”卫星对T 区最大可服务空域范围

2 “星链”干扰方法研究

2.1 干扰空域覆盖

由于“星链”用户终端数量多、分布广，对“星链”卫星下行链路干扰成本高、难度大，因此主要研究对其上行链路的干扰方法。从空域覆盖角度看，对“星链”卫星上行链路的干扰方法可分为空域压制干扰和空域跟踪瞄准干扰。

空域压制干扰通过多部干扰机的干扰波束覆盖拼接，实现对T 区上空“星链”系统可服务空域的完全覆盖，特点在于对某一固定空域进行压制干扰，无需精确跟踪运动的卫星，技术实现简单。图5 给出了空域压制干扰的示意图，其中黄色虚线代表对T 区最大可服务空域范围，红色实现代表单部干扰机照射到对应轨道高度的波束。

图5 空域压制干扰示意图

典型对星干扰装备一般采用抛物面天线，干扰辐射波束宽度2θ0.5与天线口径D的关系为：

式中，λ为波长，最佳照射情况下常数因子k可取典型值70。在“星链”卫星上行链路频率取Ku 频段14.25 GHz，卫星轨道高度550 km，干扰设备抛物面天线口径分别为0.6 m、2.4 m、3.7 m、6.2 m 条件下，计算可得采用区域拼接空域压制干扰法干扰T 区上空“星链”系统所需干扰装备数量，如表4 所示。总体来讲，所需干扰机数量较多。天线口径越小，所需干扰装备数量越少，但是对干扰机功率要求越高。可见，空域压制干扰虽然无需精确跟踪卫星，技术实现简单，但其需要较多的干扰设备，成本高，实施困难。

表4 不同天线口径与天线波束关系

一种更加可行的干扰方法是空域跟踪瞄准干扰。跟踪瞄准干扰指的是干扰装备跟踪瞄准单颗过顶卫星实施干扰。由前面分析可知，T 区上空同时可服务“星链”卫星数量最多为13 颗。因此，理论上最多只需13 套干扰装备一对一瞄准，即可实现对T 区“星链”通信服务支持的彻底切断。这种方法要求干扰装备具备精确的侦察、空域跟踪能力。

2.2 干扰功率需求分析

数字通信系统干扰效果一般用误码率Pe来度量，通常当Pe≥0.2 时判定干扰有效［10］。误码率与归一化信噪比的关系为：

式中，Eb为每单位比特信息能量，no为单位频带噪声功率。设“星链”终端有效全向辐射功率为EIRPE，干扰装备有效全向辐射功率为EIRPJ，上行链路传播损耗为LU，卫星转发器接收天线增益为GRS，卫星转发器接收系统馈线损耗为LFRS，大气损耗为La，则卫星转发器接收机输入端的信噪比为：

式中，TS为卫星转发器输入端等效噪声温度，BS为卫星转发器接收机带宽，PJ为干扰信号到达卫星转发器接收机输入端的干扰功率。信噪比与归一化信噪比的关系为：

式中，ES为符号能量，对于M进制符号，则ES=Eblog2M；R′为符号速率；R为比特速率，R=R′log2M；B为接收系统等效带宽。

“星链”用户终端到“星链”卫星的上行链路频率范围为14.0～14.5 GHz，可实现20～40 Mbps 的上行传输速率。下面分析对“星链”上行链路实施有效干扰所需的干扰功率。在LEO 轨道（550 km），Ku 频段（14.25 GHz）条件下，仿真了不同干扰带宽时，干扰装备EIRP 与星链系统误码率的关系。假设T 区某“星链”用户终端，坐标（23.8°N，120.9°E），与经T 区上空的Starlink-1948“星链”卫星进行通信。“星链”用户终端发射机功率10 W，天线增益33 dB，数据速率20 Mbps，中心频率14.25 GHz，调制样式BPSK，干扰装备坐标（25.2°N，119.1°E）。根据式（2）—（5），仿真计算干扰装备分别采用20 MHz、500 MHz 两种干扰带宽，“星链”系统误码率与干扰装备EIRP 的关系如图7 所示。由图7 可知，20 MHz 干扰带宽条件下，当干扰装备EIRP 大于0.12 MW 时，“星链”系统误码率大于0.2，被有效干扰；500 MHz 干扰带宽条件下，当干扰装备EIRP 大于1.5 MW 时，“星链”系统误码率大于0.2，被有效干扰。

图7 不同干扰带宽条件下干扰机EIRP 与“星链”系统误码率关系图

根据抛物面天线增益Gt（单位dBi）、天线口径D、EIRP、发射机功率Pt的关系：

计算0.6 m 和6.2 m 抛物面天线产生有效干扰所需的干扰装备发射机功率，如表5 所示。由表5 可知，由于抛物面天线增益较大，在对“星链”卫星进行干扰时对干扰装备发射机功率要求不高，一定程度上表明了对抗装备研制的可行性。

表5 不同口径抛物面天线有效干扰所需发射机功率

3 结束语

本文从时空覆盖等方面分析了“星链”卫星的通信支持能力，研究了区域拼接空域压制、空域跟踪瞄准等干扰方法，计算了不同干扰带宽、天线口径条件下有效干扰所需的功率、干扰装备数量要求等，可为应对“星链”威胁提供参考。