「星鏈計劃」(Starlink)現況

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2022年3月22日在CASE發表馬斯克的「星鏈計劃」(Starlink)1後,發覺讀者似乎對於這個題材很感興趣;就讓我們在接下來的二期,進一步介紹Starlink更多的細節、現況以及所採用相控陣列雷達的技術原理。

 

讀者所熟悉的通訊衛星大多是在地球的同步軌道運行,「地球同步軌道」(Geo Stationary Orbit, GSO)的高度離地面約36,000公里;GSO上的衞星都是大型通訊衛星(總數約達數百)。SpaceX的「Starlink衛星星座計劃」(Starlink Constellation)將由四萬顆「近地軌道」(Low Earth Orbit, LEO)2小型通訊衛星組成。

Starlink的第一期計劃是要在高度540到570公里間,建立起五個不同傾角軌道面的通信「殼層」(shell)-- 「地球同步軌道」(GSO)高度是星鏈軌道高度的60倍(參見下圖), 可想而知,使用GSO軌道的通信衛星的「訊號延遲」(latency)要比運行在LEO軌道上的衞星嚴重,而且以往這些大型衛星提供給一般用戶的服務,只限於下載影音、並不能上傳或上網。

圖片來源:YouTube。地球同步軌道高度是星鏈軌道高度的60倍

 

現在這些有同步衛星的公司,例如Viasat, HughesNet,也開始提供網路服務,但是速度較慢。Starlink衛星通訊的特點是因為衞星軌道離地近,所以信號延遲可以降低到20毫秒。Starlink衛星也因為離地面近,每顆衞星的地面覆蓋範圍小,因此需要分佈大數量衛星在不同軌道及不同平面上,才能夠達到全球網路覆蓋的要求,甚至包括偏遠地區、海洋及航空通訊。

第一代(v1 、v1.5)Starlink衛星的重量小於250公斤,每顆衛星造價約25萬美金,由SpaceX獵鷹9號自行發射、分批次運送到440公里高度的LEO軌道上,連同發射費用每顆衞星總成本約60萬美金。Starlink衛星裝有「霍爾推進器」(Hall thruster),這是一種利用電磁場將「氪氣」(Kryton)加速的離子推進器。這個離子推進器可以在Starlink衛星的太陽能板展開後,將衞星推高至預定運行軌道,或是當衞星使用壽命終止前降低衛星高度,使其衝入大氣層燒毀。Starlink衞星本身也有能力跟據由控制中心上傳的美國國防部的「太空碎片追蹤系統」資料,自動起動防撞系統。目前已經有2300顆Starlink衛星在軌道上運作。

星鏈網路服務對象起初是設定在沒有基地台的偏遠地區,或是海洋中的船艦及空中飛行的飛機;要達到這個目標,Starlink衞星之間必需要能互相傳訊溝通(即所謂的inter-satellite communication)。但是早先的Starlink衛星並沒有這項功能,當時的解決方法3:在陸地上建立地面站 -- 除了裝在自家的19吋圓盤或20x12吋方盤天線外,還得靠附近的地面接收站(Ground Station),以及既有的地面光纖網路才能連線。一般一個400平方公尺圍籬的地面接收站設有9個直徑2.86公尺的雷達天線(參見下圖)。

圖片來源:YouTube。地面接收站(Gateways)3及9個直徑2.86公尺的雷達天線

 

就以美國地區為例,共有32個地面接收站又稱為Gateways,其工作原理是在每一個接收站方圓800公里(500哩)的用戶,利用自宅平盤天線經由經過上空的䘙星和鄰近的地面接收站連接,換句話說,地面接收站和自宅天線必需鎖住同一顆衞星因為目前部分的衞星之間沒有互相溝通的功能 -- 用戶上傳或下載的訊號都透過現有的地面/海底的光纖網路傳輸,只有在靠近住家時(800公里內)經由地面站的Ka-band電磁波,傳送到正在通過上空的某個Starlink衞星,這顆Starlink衛星再將訊號傳到用戶天線上,這也是為什麼在海洋上沒有星鏈網路的原因。

Starlink衛星的功能已不斷提升,從1.5版本就開始就有inter-satellite communication 的能力,現在已經進入的2.0版本。這種衛星間的通訊是利用雷射光作訊號傳輸(Laser Inter Satellite Link, LISLs),光在太空中傳播速度要比在光纖上更快(大約快30%),當然了這一切還得有一套強有力的電腦軟體才行。自從2021年年中,SpaceX開始發射Starlink 1.5版本衛星,截至今天已經發射超過1,800顆了。由於在真空中以光速直接傳輸,比起經由地面站、透過光纖網路,信號延遲可降低50%,而且由於當前技術可以有效控制雷射光束精度,更可以大大的增加通訊頻寬。

估計2023年第一季開始,Starlink衛星之間LISLs的傳輸功能將更為普遍,屆時就不必再仰賴地面接收站了。雖然如此,地面接收站還是有存在的價值,比方說谷歌(Google)的資料中心,就計劃安裝更多的地面站以方便雲端服務。

 

第二代星鏈(Starlink Gen2

第二代Starlink衛星4在2022年中已經出現,下圖顯示左邊的是v1.5,右邊的是v2.0又稱Gen2(第二代)。Elon Musk指出新型衞星的功能比舊型多了一個級數,至少也有5倍強。由圖片可以看到第二代和第一代同樣有四片「相控陣列天線」5(Phased Array Antenna)或雷達,其中兩片用來跟「地面站」(Gateways)連繫,另兩片用來跟地面用戶連繋的。

圖片來源:YouTube。Starlink衛星1.5(左)/ 2.0(右)均有四片「相控陣列天線」4

 

第二代Starlink衛星本體長度為7公尺,重量1,250公斤為v1.5的5倍重。V2.0的設計規格考慮到SpaceX新的發射系統,星艦號(Starship)的直徑為9公尺,長度7公尺的衞星剛好可以躺平疊放在艙內的衞星發射架上,Starship前端有一窗口,可以把衛星像提款卡一樣一片一片的推入軌道(參見下圖)。

圖片來源:YouTube。Starship將「相控陣列天線」5從衞星發射架上一片一片取出

 

Starship可運載150公噸荷載到「近地軌道」(LEO),一次可運載110至120顆Starlink Gen2衛星。這個數目的衞星剛好可以一次佈滿一個軌道面,而「星鏈星座」(Starlink Constellation)在53度傾角,550 km高度的「殼層」共有72個軌道面。根據SpaceX說法:當Gen2開始量產,加上Starship的巨大運載能力,Starlink Gen2衛星的成本將會比v1.5還低,屆時可以預期v1.5會被淘汰,獵鷹9號的星鏈發射任務也將終止。

星鏈系統中除了Starlink衞星、地面接收站之外,另一個重要元件就是用戶的天線。SpaceX為了成本效益及提高產量,2021年底將天線外形從原來的圓形,改成方形(參見下圖)。Starlink今年推出了「鑽石級服務」(Premium Service)3天線尺寸幾乎是標準形的兩倍大,訊號傳輸速度也快一倍,而且比較不受氣候影響,不過費用卻比標準形貴五倍。最近Starlink還推出「海上星鏈」(Starlink Maritime),其客戶群是針對大型船隻、豪華遊艇等。在浩瀚的大海上可以享受350M bps速度在網際網路上遨游,當然可想而知會所費不貲,同時可以確定是:Starlink 未來可以不靠「地面站」(Gateways)了,而是利用衞星間的通訊LISLs,直接與用戶端連繫。至於這種「相控陣列天線」為什麼這麼厲害,我們在下一期將為讀者深入探討。

圖片來源:YouTube。Starlink「鑽石級服務」3的天線尺寸是標準形的兩倍大

 

結語

「星鏈星座」(Starlink Constellation)在不久的將來建構完成後,不管是在空中的飛機上、或海上的遊輪中,我們都可以隨時無限上網和親友聯繫。雖然現在看起來Satrlink的全球網路服務已經獨霸全球,但是後面已經有追敢者,亞馬遜(Amazon)在西雅圖郊區蓋了衞星工廠,它的Kuiper星座計劃6要投資100億美金,發射3236顆LEO衛星建立其網路事業。有競爭才會進步,我們期望看到更多,更好的網路選項。

 

 

參考文獻:

附註一: CASE在2022年3月22日刊出「馬斯克的「星鏈計劃」(Starlink)」 http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39420

附註二:地球低軌道 (Low Earth Orbit, LEO) https://zh.wikipedia.org/wiki/近地轨道

附註三:Elon Mush Announces Insane New Updates for Starlink Speed. https://youtu.be/V3EePAkVmN8

附註四:SpaceX CEO Elon Musk reveals next-generation Starlink satellite details , by Eric Ralph, May 30, 2022 https://www.teslarati.com/spacex-elon-musk-next-gen-starlink-satellite-details/

附註五: SpaceX’s first Starlink V2 satellite spotted at Starbase, by Eric Ralph, July 20, 2022 https://www.teslarati.com/spacex-starlink-v2-satellites-spotted-starbase/

附註六: Project Kuiper Review 2022: Launch date, specs, and what it means for you, by Mikayla Rivera, August 18, 2022 https://www.satelliteinternet.com/providers/project-kuiper/

 

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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