考虑链路干扰的低轨通信星座优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32196

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

考虑链路干扰的低轨通信星座优化设计

罗文¹^,², 张进¹^,², 李海阳¹^,²(), 訾心怡¹^,², 李胜西¹^,²

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.太空系统运行与控制全国重点实验室，长沙 410073

收稿日期:2025-05-07 修回日期:2025-06-12 接受日期:2025-07-07 出版日期:2025-07-21 发布日期:2025-07-18
通讯作者: 李海阳 E-mail:lihaiyang@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12402421);湖南省自然科学基金(2025JJ60056)

Optimization design of LEO communication constellation considering link interference

Wen LUO¹^,², Jin ZHANG¹^,², Haiyang LI¹^,²(), Xinyi ZI¹^,², Shengxi LI¹^,²

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.State Key Laboratory of Space System Operation and Control，Changsha 410073，China

Received:2025-05-07 Revised:2025-06-12 Accepted:2025-07-07 Online:2025-07-21 Published:2025-07-18
Contact: Haiyang LI E-mail:lihaiyang@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12402421);Natural Science Foundation of Hunan Province(2025JJ60056)

摘要/Abstract

摘要：

地球静止轨道（GEO）卫星链路受低轨（LEO）通信星座干扰的问题日趋严峻，在LEO星座设计阶段考虑链路干扰影响可以帮助缓解这种问题。提出了一种考虑链路干扰的低轨通信星座优化设计方法，改进了干扰规避区域，并建立干扰评估的半解析模型提高了计算效率。首先，以星座轨道及构型参数为设计变量，以LEO星座建设成本及其对GEO卫星链路干扰水平为目标函数，考虑通信范围、地面站跟踪策略、星座不间断通信、构型限制等约束，建立了LEO星座优化设计问题模型；然后，设计了改进干扰规避区域，并利用低轨卫星通过干扰规避区域的时间占比来评估星座干扰水平；最后，采用非支配排序遗传算法进行优化求解。结果表明，改进的干扰规避区域可以更有效地表征不同轨道高度、不同地面站分布下的有害干扰区域分布；设计的时间占比指标与传统的干扰评价指标相似性达0.998，且计算速度提升了约40倍；卫星相位优化能够在不新增成本的情况下使GEO下行链路受到的干扰水平降低超过5%，星座构型优化能够在新增成本小于原成本1/3的情况下使干扰水平降低超过90%。

关键词: 星座设计, 下行链路, 通信干扰, 低轨卫星, 地球静止轨道卫星

Abstract:

The issue of the interference from the Low Earth Orbit （LEO） communication constellation to the Geostationary Earth Orbit （GEO） satellite links has become increasingly severe. Considering the impact of link interference during the design phase of LEO constellation can help mitigate this issue， this paper proposes an optimized design method for LEO communication constellation that incorporates link interference consideration. An improved interference exclusion zone is introduced and a semi-analytical interference assessment model is established to enhance computational efficiency. First， a multi-objective optimization model for LEO constellation design is established， with the constellation orbital and configuration parameters as design variables， and the LEO constellation construction cost and interference levels on GEO satellite links as objectives. Constraints include the communication coverage， ground station tracking strategy， uninterrupted communication of constellation， and configuration limitations. Second， an improved interference exclusion zone is designed， and the interference level of the constellation is evaluated using the time proportion of LEO satellites passing through this zone. Finally， the non-dominated sorting genetic algorithm is employed to solve the optimization problem.Results demonstrate that the improved interference exclusion zone can more effectively characterize harmful interference zones under different orbital altitudes and ground station distributions. The proposed time proportion metric exhibits a similarity of 0.998 with the traditional interference evaluation index while achieving a 40-fold acceleration in the computational efficiency. The optimization of the satellite phase reduces the interference level on GEO downlinks by over 5% without the additional cost， and the optimization of the constellation configuration reduces the interference level by more than 90% with a cost increase of less than one-third of the original design.

Key words: constellation design, downlink, communication interference, low Earth orbit satellites, geostationary Earth orbit satellite

中图分类号:

V412.4

罗文, 张进, 李海阳, 訾心怡, 李胜西. 考虑链路干扰的低轨通信星座优化设计[J]. 航空学报, 2026, 47(4): 332196.

Wen LUO, Jin ZHANG, Haiyang LI, Xinyi ZI, Shengxi LI. Optimization design of LEO communication constellation considering link interference[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(4): 332196.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表1

LEO地面站分布

序号	纬度/（ $°$ ）	经度/（ $°$ ）	序号	纬度/（ $°$ ）	经度/（ $°$ ）
1	23.010 29	101.739 13	18	34.117 00	117.391 30
2	23.010 29	106.956 52	19	39.670 36	76.666 67
3	23.010 29	112.173 91	20	39.670 36	83.333 33
4	28.563 64	86.086 96	21	39.670 36	90.000 00
5	28.563 64	91.304 35	22	39.670 36	96.666 67
6	28.563 64	96.521 74	23	39.670 36	103.333 33
7	28.563 64	101.739 13	24	39.670 36	110.000 00
8	28.563 64	106.956 52	25	39.670 36	116.666 67
9	28.563 64	112.173 91	26	40.044 08	116.854 74
10	28.563 64	117.391 30	27	40.216 37	116.407 26
11	34.117 00	80.869 57	28	40.769 33	116.338 51
12	34.117 00	86.086 96	29	45.223 71	83.333 33
13	34.117 00	91.304 35	30	45.223 71	90.000 00
14	34.117 00	96.521 74	31	45.223 71	116.666 67
15	34.117 00	101.739 13	32	45.223 71	123.333 33
16	34.117 00	106.956 52	33	45.223 71	130.000 00
17	34.117 00	112.173 91	34	50.777 07	123.333 33

表1

表2

仿真参数［8，31-32］

参数	参数设置
轨道预报模型	考虑J₂摄动
链路类型	下行链路
LEO卫星最大视场角/（ $°$ ）	45
LEO地面站最小仰角/（ $°$ ）	25
LEO卫星天线峰值增益/dBi	27.6
LEO卫星传输功率/dBW	30.94
LEO系统通信频率/（GHz）	18.5
LEO卫星天线模型	ITU-R S.1528
GEO卫星升交点经度/（ $°$ ）	110.5
GEO地面站天线峰值增益/dBi	51.8
GEO系统通信频率/（GHz）	18.45
GEO地面站天线模型	ITU-R S.465
通信带宽/（MHz）	150
GEO地面站天线噪声温度/K	110
星座高度下限和上限/km	400，2 000
干扰规避区域高度间隔/km	50

表2

图 9

图 10

表3

不同卫星数量下单次仿真计算的平均耗时

参数	算例1	算例2	算例3
卫星数量	56	78	224
仿真时间/d	1	1	2
$R E Z$ 指标计算耗时/s	0.189 79	0.192 55	0.446 86
$P h a r m$ 指标计算耗时/s	8.477 56	8.404 62	17.381 84
计算速度比值	44.67	43.65	38.90

表3

表4

单个目标函数最优的星座构型参数

类型	成本最优	$R E Z$ 指标最优
星座构建成本评价指标/（10⁶美元）	75.13	98.53
星座干扰水平评价指标（%）	14.21	0
基准卫星轨道半径/km	8 364.54	8 364.54
基准卫星轨道倾角/（ $°$ ）	53.0	53.0
基准卫星升交点赤经/（ $°$ ）	280.33	354.02
基准卫星纬度幅角/（ $°$ ）	328.56	166.38
回归系数	45， 4	45， 4
星座构型	56， 14， 3	75， 15， 0

表4

表5

图 11

参考文献 33

[1]	肖瑶，郭帅，杨震，等. 序列式低轨星座全连通网络拓扑结构设计方法［J］. 航空学报， 2023， 44（24）： 328600.
	XIAO Y， GUO S， YANG Z， et al. Sequence-based fully-connected network topology design method for LEO constellation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（24）： 328600 （in Chinese）.
[2]	刘嫒荣，熊永清，惠建江，等. SpaceX星链卫星发布星历的研究［J］. 天文学报， 2024， 65（6）： 42-61.
	LIU A R， XIONG Y Q， HUI J J， et al. Research on starlink ephemeris published by SpaceX［J］. Acta Astronomica Sinica， 2024， 65（6）： 42-61 （in Chinese）.
[3]	KOZHAYA S， KASSAS Z M. A first look at the OneWeb LEO constellation： Beacons， beams， and positioning［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2024， 60（5）： 7528-7534.
[4]	PACHLER N， DEL PORTILLO I， CRAWLEY E F， et al. An updated comparison of four low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband［C］∥2021 IEEE International Conference on Communications Workshops （ICC Workshops）. Piscataway： IEEE Press， 2021： 1-7.
[5]	JALALI M， LAGUNAS E， HAQIQATNEJAD A， et al. Downlink beamforming strategies for interference-aware NGSO satellite systems［J］. IEEE Open Journal of the Communications Society， 2024， 5： 3468-3483.
[6]	董苏惠. NGSO星座系统对GSO卫星系统的频率干扰评估与规避技术研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2022： 1-13.
	DONG S H. Research on frequency interference evaluation and avoidance technology of NGSO constellation system to GSO satellite system［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2022： 1-13 （in Chinese）.
[7]	AL-HRAISHAWI H， CHOUGRANI H， KISSELEFF S， et al. A survey on nongeostationary satellite systems： The communication perspective［J］. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2023， 25（1）： 101-132.
[8]	YAN D， HE Y Z， FU H J. Interference analysis of NGSO constellation to GEO satellite communication system based on spatio-temporal slices［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2023， 10（18）： 16605-16616.
[9]	赵毅，乔凯，白鹤峰，等. 静止轨道卫星通信系统抗干扰计算分析方法［J］. 航天器工程， 2023， 32（1）： 16-22.
	ZHAO Y， QIAO K， BAI H F， et al. Anti-interference calculation and analysis method for geostationary satellite communications system［J］. Spacecraft Engineering， 2023， 32（1）： 16-22 （in Chinese）.
[10]	ITU. 1432-1-Apportionment of the allowable error performance degradations to fixed-satellite service （FSS） hypothetical reference digital paths arising from time invariant interference for systems operating below 30 GHz ［S］. Geneva： ITU， 2006.
[11]	Maximum permissible levels of interference in a satellite network （GSO/FSS； non-GSO/FSS； non-GSO/MSS feeder links） in the fixed-satellite service caused by other codirectional FSS networks below 30 GHz：［S］. Geneva： ITU-R， 2002.
[12]	ÖZTÜRK F， KARA A. Exclusion zone minimization and optimal operational mode selection for co-existent geostationary and non-geostationary satellites［J］. International Journal of Satellite Communications and Networking， 2022， 40（3）： 191-203.
[13]	GU P， LI R， HUA C Q， et al. Dynamic cooperative spectrum sharing in a multi-beam LEO-GEO co-existing satellite system［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2022， 21（2）： 1170-1182.
[14]	JALALI M， ORTIZ F， LAGUNAS E， et al. Joint power and tilt control in satellite constellation for NGSO-GSO interference mitigation［J］. IEEE Open Journal of Vehicular Technology， 2023， 4： 545-557.
[15]	ZHU L P， PI X Y， MA W Y， et al. Dynamic beam coverage for satellite communications aided by movable-antenna array［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2025， 24（3）： 1916-1933.
[16]	ORTIZ F， LAGUNAS E， SAIFALDAWLA A， et al. Emerging NGSO constellations： Spectral coexistence with GSO satellite communication systems［EB/OL］. arXiv preprint： 2404. 12651， 2024.
[17]	WANG H W， WANG C， YUAN J， et al. Coexistence downlink interference analysis between LEO system and GEO system in ka band［C］∥2018 IEEE/CIC International Conference on Communications in China （ICCC）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 465-469.
[18]	HUANG Y， LI S L， LI W， et al. Co-frequency interference analysis between ultra-large-scale NGSO constellations and GSO systems［J］. Journal of Communications and Information Networks， 2023， 8（1）： 80-89.
[19]	龚力玮，吕蓉，刘恒. Starlink对我国GEO卫星通信下行链路的时域干扰分析［J］. 航天器工程， 2023， 32（4）： 91-99.
	GONG L W， LYU R， LIU H. Time domain interference analysis of starlink of China’s GEO satellite communication downlink［J］. Spacecraft Engineering， 2023， 32（4）： 91-99 （in Chinese）.
[20]	WERNER M， JAHN A， LUTZ E， et al. Analysis of system parameters for LEO/ICO-satellite communication networks［J］. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1995， 13（2）： 371-381.
[21]	HAN Y， WANG L， FU W J， et al. LEO navigation augmentation constellation design with the multi-objective optimization approaches［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（4）： 265-278.
[22]	肖广瀚，胡泽岩，刘军虎，等. 空间目标偶数重连续覆盖星座设计方法［J］. 航空学报， 2024， 45（14）： 229637.
	XIAO G H， HU Z Y， LIU J H， et al. A design method of even-fold continuous-coverage constellation for space targets［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（14）： 229637 （in Chinese）.
[23]	MUTTIAH R. Satellite constellation design for 5G wireless networks of mobile communications［J］. International Journal of Satellite Communications and Networking， 2023， 41（5）： 441-459.
[24]	乔鹏昊，李涧青，钱霙婧. 基于双层优化的多目标覆盖星座优化设计［J］. 宇航学报， 2024， 45（9）： 1396-1407.
	QIAO P H， LI J Q， QIAN Y J. Satellite constellation design for multi-objective coverage based on double-layer optimization［J］. Journal of Astronautics， 2024， 45（9）： 1396-1407 （in Chinese）.
[25]	TANG X R， XU Y N， HUANG L Y， et al. A multiarea on-demand classification constellation design for satellite IoT［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2024， 11（13）： 23889-23905.
[26]	张泓湜，蒋伯峰. 基于空间隔离的低轨卫星系统频谱共享方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2018， 44（9）： 1909-1917.
	ZHANG H S， JIANG B F. Spatial isolation methodology for spectral coexistence in LEO satellite systems［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2018， 44（9）： 1909-1917 （in Chinese）.
[27]	MORTARI D， GONZALES M E A， LEE S. J2-propelled orbits and constellations［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2014， 37（5）： 1701-1706.
[28]	RECOMMENDATION ITU-R S. 1325-3-Simulation methodologies for determining statistics of short-term interference between co-frequency， codirectional non-geostationary-satellite orbit fixed-satellite service systems in circular orbits and other non-geostationary fixed-satellite service systems in circular orbits or geostationary-satellite orbit fixed-satellite service networks ［S］. Geneva： ITU， 2003.
[29]	ZHAO X Y， WANG C， CAI S S， et al. Cooperative design of dual-layer LEO satellite constellation based on diversified QoS requirements and seamless multi-coverage［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2025， 74（1）： 925-939.
[30]	BUZZI P G， SELVA D， HITOMI N， et al. Assessment of constellation designs for earth observation： Application to the TROPICS mission［J］. Acta Astronautica， 2019， 161： 166-182.
[31]	ITU. Satellite antenna radiation patterns for non-geostationary orbit satellite antennas operating in the fixed-satellite service below 30 GHz：［S］. Geneva： ITU-R， 2001.
[32]	ITU. Reference radiation pattern for earth station antennas in the fixed-satellite service for use in coordination and interference assessment in the frequency range from 2 to 31 GHz：［S］. Geneva： ITU-R， 2010.
[33]	ANDREW A M. Another efficient algorithm for convex hulls in two dimensions［J］. Information Processing Letters， 1979， 9（5）： 216-219.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
种群规模	300
进化代数	400
交叉概率	0.8
变异概率	0.4
锦标赛选择规模	3

考虑链路干扰的低轨通信星座优化设计

Optimization design of LEO communication constellation considering link interference

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 33

相关文章 3

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	金紫涵, 温昶煊, 乔栋. 卫星解体碎片云对低轨星座的碰撞影响分析[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730601-730601.
[2]	靳旭红, 黄飞, 张俊, 王学德, 程晓丽, 沈清. 上层大气层飞行器研究进展及气动技术挑战[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 30254-030254.
[3]	肖广瀚, 胡泽岩, 刘军虎, 王亮, 毛青堂. 空间目标偶数重连续覆盖星座设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 229637-229637.