馬斯克的「星鏈計劃」(Starlink)

前面五篇「漫談太空旅行」與讀者分享了企業家如Richard Branson、Jeff Bezos及Elon Musk是如何投入民用太空事業,這一篇我們繼續介紹Elon Musk的SpaceX公司所推出的「星鏈計劃」(Starlink)。

通信衛星

Elon Musk的太空事業版圖是從提供衞星發射服務開始,在暸解他的「垂直整合」(Vertical Integration)核心理念後,讀者應該不難理解馬斯克會逐步進入通信衛星產業, Jeff Bezos的Blue Origin所推出Kuiper衞星計劃1與SpaceX的「星鏈計劃」(Starlink)如出一轍。

在Starlink出現之前,HughesNet 和Viasat是兩家比較著名的全球「寬帶衞星網路」(Broadband Satellite Network)運營商 -- HughesNet有20多顆衛星、而Viasat 也有6顆衛星,它們全都分布在「地球同步軌道」(Geosynchronous Orbit, GEO)。所謂地球同步軌道是位於地球赤道上方36,000公里左右的圓形軌道,物體在軌道運行週期是一個「恆星日」(Sidereal Day)即是23小時56分4秒。

假如軌道傾角為零度即是赤道正上方的同步軌道那就特別珍貴,因為它相對地表定點是不變的,所以在地面雷達接收天線的指向是固定的,傾角為零度的GEO軌道又稱之為「地球靜止軌道」(Geostationary Orbit)。傾角不是零度的GEO衞星在相對應的地表軌跡會呈現一個平躺的8字形。一般GEO通信衞星都放置在飛行高度達36,000公里的GEO軌道上,好處是涵蓋面積廣,壞處則是信號傳輸距離遠,會造成顯著的「信號延遲」(latency);平均延遲時間約為100至300「毫秒」(ms)。「視訊串流」(video streaming)與電子遊戲是無法接受100至300「毫秒」(ms)的信號延遲。

都會區的人們習慣使用「手機」(Cellular Phone),它是利用無線「網格網路」(cellular)傳輸訊號;「無線」(wireless)傳輸是指手機到基地台是無線,但是長距離的訊號傳輸,例如從美國到台灣走的就是有線光纖而不是經由衞星傳播。這種幾千公里的海底光纖光纜在大西洋、太平洋都有好幾條。至於WiFi網路則是從家裏的「路由器」(router) 開始,信號就進入光纖、或一般電纜(cable)的有線網路。

造成通信信號延遲的原因不只一種,我們在這裏所提到的延遲主要是因為距離所造成的「信號傳播」(propagation)延遲。一般而言,cellular信號延遲小於5毫秒,而衞星通訊信號延遲就會超過100毫秒,主要是因為地球同步衛星(GEO)離地面太遠、而且頻寬較小。世界上並不是每個角落都設有基地台,所以在偏遠地區,以及一些第三世界國家沒有網格網路(cellular)的基礎建設,最便捷的通訊設備還是得靠衞星通訊。

低軌道「衞星星座網」(Satellite Constellation

圖片來源:SpaceX公布Starlink衛星圖片

Elon Musk 看準了這個商機,他要在「地球低軌道」(Low Earth Orbit, LEO)2上用4萬2千顆小衞星佈建出一個天羅地網(如上圖)。這些LEO 軌道分為三層:低層在340公里、中層為550公里、上層在1,110公里左右,目的就是要將信號延遲數字降低到25毫秒以下。

其實這種低軌道「衞星星座網」(Satellite Constellation)的概念早在卅多年前就已經被提出,美國Motorola的「銥衞星星座」(Iridium Satellite Constellation)3是在1993年7月29日開始運營。這個「銥計劃」衞星星座是由平均分佈在781公里處、6個極地軌道面上的66顆通訊衛星所組成。所謂「極地軌道」就是衞星作南北向、每100分鐘通過南北極一次;6個極地軌道面以30度間隔將地球等分切割,每一軌道面有11顆衛星作等距飛行。

原來的「銥計劃」計劃發射77顆衞星環繞地球,就像77顆電子(衛星)環繞原子核(地球)的「波爾原子模型」(Bohr model)一樣,這一點與「銥」元素(Iridium)的原子序是77不謀而合,所以才被命名為「銥計劃」 -- 後來技術證明僅需要66顆銥衛星即可。每一個銥衛星只能同時處理1,000通電話,數據傳輸速率才每秒2,400bits,以今天的科技標準來看,這種傳輸速率等於是石器時代的產物。

「星鏈計劃」(Starlink

圖片來源:SpaceX公布Starlink衛星圖片

根據統計:在Starlink加入衛星通信戰局前,全球發射的軌道衞星總數累計為12,480顆,目前大約只有4,900顆還在運作。Starlink目前已經發射約1,800顆在LEO軌道上,Starlink能夠快速佈置LEO軌道衛星,就是靠「漫談太空旅行」(五)一文所提及的SpaceX火箭發射能力。「獵鷹九號」(Falcon 9)火箭一次就能運載60顆260公斤的小衞星到LEO軌道;Falcon Heavy 甚至可以一次運送245顆衛星。SpaceX的衞星製造工廠每個月可生產120顆衛星。

因為得到美國聯邦通信委員會(FCC) 的充分配合,並批准各種通訊頻道開通,所以Starlink才能夠如此快速地佈建,並逐步建立其衞星通訊的霸業。目前Starlink Internet的服務地區侷限於美國等高緯度地區、以及加拿大、英國、丹麥、比利時、法國、德國、荷蘭、澳洲及紐西蘭等地,估計到2023年底才能完整覆蓋全球各國。

Starlink衛星的衍生問題

就當SpaceX像天女散花般將成百上千顆的Starlink衞星送上太空時,天文學家們注意到Starlink衛星在LEO軌道上會造成嚴重的「光害」問題。Starlink的衞星因為沒有遮陽板,反光特別強,這對需要長時間曝光才能夠觀測到遙遠且微弱光線星球的天文望遠鏡,會造成影像破壞(如下圖所示的斜線)。此外,Starlink衞星在黃昏至初夜時刻的光害問題特別明顯,這對監測衝向地球小行星的天文團體,影響特別嚴重。SpaceX也留意到上述光害問題,已計劃改善Starlink衞星的反光問題。

我們知道海洋中有許多人造垃圾,太空中也存在不少「太空垃圾」(Space Junk or Debris),包括老舊衞星的零件碎片、火箭引擎、燃料桶、甚至是脫落的油漆等 -- 這些軌道上的碎片是個頭痛問題,因為太空垃圾是以軌道速度運行,每秒速度可達7km以上;衛星、太空站、太空飛行器一旦與太空垃圾碰撞,可能就會嚴重損壞。

SpaceX必須隨時監測軌道上的碎片,並即時調整Starlink的衛星軌道,以避免被太空垃圾撞擊,或者是數目眾多的Starlink衛星去撞擊到其它太空飛行器或衛星的風險。最近發生的一個例子就是: Space X所發射的Starlink衛星差點與大陸的天宮太空站相撞,幾乎威脅到在艙外活動的太空人生命安全。

Starlink的衞星壽命預計為5年,將來大量的廢棄衞星會成為太空垃圾,因此FCC要求Starlink衞星要有deorbit、及重返大氣層的能力,不能留在軌道上成為太空垃圾。數量越來越多的各國衞星分佈在LEO軌道上,未來勢必會影響其他國家或機構發射衞星或飛彈,未來難免會產生一些太空紛爭。

下一篇會向喜愛太空科技與知識的讀者,介紹觀測浩瀚星空的「韋伯太空望遠鏡」(James Webb Space Telescope),敬請期待。

 

 

附註:
附註一:不讓馬斯克專美於前!亞馬遜旗下Kuiper計畫明年發射首批低軌衛星,劍指SpaceX「星鏈計畫」 https://www.thenewslens.com/article/158464
附註二:地球低軌道 (Low Earth Orbit, LEO)https://zh.wikipedia.org/wiki/近地轨道
附註三:「銥衞星星座」(Iridium Satellite Constellation)簡稱「銥計劃」https://en.wikipedia.org/wiki/Iridium_satellite_constellation

 

作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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