【探索29-4】對天說話:衛星通訊的演變與人造衛星微型化

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第29期「探索」系列講座「The New Ocean——太空時代再起」第四講邀請到中央大學太空科學與工程學系張起維教授,為我們分析低軌道衛星的通訊技術重要性為何?並簡單介紹通訊衛星的演變進程,闡述人類科技從無法放大和轉發訊號的第一代通訊衛星進步到1962年首度透過衛星通訊跨洋轉播奧運影像的歷史;接著分析大型衛星與小型衛星各自的利與弊;最終也分析了臺灣如何在這波太空產業浪潮中站穩腳步。

講者、審定|中央大學太空科學與工程學系 張起維 特聘教授

彙整、撰稿|周書瑋

 

太空時代再起
來源:臺大科學教育發展中心

一九七〇年代至今,人類發射了無數人造衛星,也將太空船推向太陽系角落,卻鮮少再次派遣太空人登月。沉寂多年後,第二波太空時代終於到來,低軌道通訊、可重複使用的火箭、各式太空探測器相繼問世,甚至出現太空旅行產業,引領了這波太空浪潮與席捲全球的探月活動。今天的講座邀請到中央大學太空科學與工程學系張起維特聘教授,帶大家認識衛星通訊的演變與人造衛星的微型化。

 

低軌衛星通訊的重要性
來源:臺大科學教育發展中心

低軌衛星通訊近幾年快速竄紅,許多和太空科學無關的報章雜誌紛紛投入相關報導,國人對低軌通訊產生興趣,主要可歸咎為兩點。

第一是國安通訊韌性:臺灣和他國間的連結,不論是網路交易或資訊交換,都仰賴數條海底纜線才得以完成,一旦海底纜線被破壞,會對高度仰賴網際網路的我們產生極嚴重的影響。衛星通訊技術也被視為一種對外通訊的保障,在這次烏俄戰爭中,不論是將國內訊息傳到國外,或是發布和修正國際輿論,衛星通訊都扮演著重要角色。

第二,當我們從產業鏈角度來看,近幾年來,電子和網路衛星公司紛紛投入衛星通訊產業,不論是接受大型衛星廠商SpaceX衛星電子元件的訂單,或製造地面終端接收器都大有人在,而每年組團參加國際衛星競賽的廠商亦越來越多,顯見低軌衛星通訊已是明日之星。

要認識低軌衛星通訊,首先必須認識地球上空按照衛星飛行高度區分成的數個區域——距離地球三萬五千七百多公里高的同步軌道區域 (Geostationary orbit),約有五百六十顆人造衛星仍在運作;再往下一點,大約兩千公里到三萬五千七百多公里間的區域,稱為中軌道區域 (Medium earth orbit),約有一百三十九顆衛星,包括常見的全球定位系統 (GPS) 衛星和Google map衛星;再往下至距離地球表面兩千公里的區域,就是今天的重頭戲——低軌道區域 (Low earth orbit),人造衛星密度極高,有超過三千三百顆人造衛星。

 

通訊衛星的歷史演變
親切與現場觀眾互動|來源:科學教育發展中心

一九五〇年代,美國和蘇聯都思考著如何將人造衛星技術運用到國安上,但那時的國際法對太空區域仍是一片空白,沒有人能想像,當蘇聯的一顆偵查衛星高速飛過美國空域算不算侵犯美國領空?不過,當人造衛星被用於科學目的時,大家就不會有異議了,因此1957年的國際地球物理年後,人們開始推動一系列的太空探索計畫,太空時代正式展開。

由蘇聯所製造最早的人造衛星Sputnik包含一個類似於車用電瓶的充電電池、打滿氮氣的密封本體、熱控風扇、負責接收地面通訊和回傳資料的酬載/通訊次系統。第一代通訊衛星是由NASA和Bell Labs主導的Project Echo,主體是聚酯薄膜氣球,氣球外鍍有一層可以讓電磁波可以靜態反射的金屬膜,不涉及訊號的放大和轉發,簡單來說就是對天空中的一面鏡子打上訊號,並在另一端接收反射下來的微弱訊號;由於沒有訊號的放大和轉發,能承載的資訊量非常少,且傳輸速度緩慢。

英國科幻作家Arthur C. Clarke在1945年提出Bent pipe的構想,把無線電中繼站放到人造衛星上,將想傳遞至遠方的訊號打到人造衛星上,稱之為上鏈;衛星收到後將訊號放大,再將訊號轉發到另一電臺,稱之為下鏈。美國的貝爾實驗室採用此一原理,發明了能放大訊號的Telstar1通訊衛星,成功地在1962年將美國發射的電視影像轉發至歐洲,兩年後的Synchom 3衛星則順利將東京奧運轉播至美國。

要執行完整的飛行任務不僅需要衛星本身,還需要軌道段、鏈路段和地面段的元件相互合作,任務才得能順利進行。地面段包含控制站、地面通聯站、發射站和使用者與地面通訊的終端機;中間的鏈路段包含上鏈和下鏈,負責用電磁波將地面指令上傳給衛星,並接收地面回傳的資料;軌道段則包括執行飛行任務的衛星本身,以及可能和它發生通聯的其他衛星,而衛星之間的通聯是透過星鏈 (Cross link) 達成。

 

通訊衛星的基本原理和利弊
你的問題,老師認真解答|來源:臺大科學教育發展中心

現在的人造衛星比一九五〇年代的衛星複雜許多,但核心功能和需求不變——包括外接電源、和地面通訊聯絡、各元件能在熱真空的環境下正常運作、產生的資料有空間儲存,且必須能在無人為操作下自主運作和執行任務,並於遇到危險時採取保護措施。

衛星在軌道上的運行速度和它的飛行高度成反比,換句話說,衛星飛得越高,速度越慢,但能看到的範圍也越大;位置越低,速度越快,能看到的範圍越小。當觀測和通訊服務必須覆蓋半個地球時,飛行高度較高的同步軌道衛星能輕易達成;相較之下,如果要用低軌道通訊衛星達到和離地位置較高的同步軌道相同的觀測範圍,就必須增加衛星顆數,成本也會增加。

大型衛星和小型衛星各自有利弊。大型衛星的優勢在於可以使用更高規格的元件,壽命更長,也能加入更多的備援次系統,讓衛星能在離地高度更高的軌道區域生存;然而,大型衛星造價高昂且開發速度慢,不適合量產,無法大量發射到外太空。相較之下,小型衛星體積小,開發快速,生產和發射成本低,適合量產、發射便宜;不過小型衛星能承載的資訊量小,電池續航力短,且體積小,不能使用高規格元件和次系統,也是不能忽視的缺點。

 

競爭的全球太空經濟

人造衛星很早期就被視為可以達成遠距通訊的平臺,隨著時間和物聯網需求的發展,逐步從傳統的同步軌道模式演變成當今的低軌道星鏈通訊。當今衛星產業逐漸走向衛星微型化,促成大量低軌星系出現,雖然體積小且生產成本低,但功能和壽命都不及傳統的大型衛星,是產業界必須正視的問題。

面對快速竄紅的太空產業鏈,臺灣可以善用對量產和軟體的經驗,建構完整的太空元件系統和次系統,把握低軌道衛星運作模式的商機,吸引外商來臺投資和合作,讓臺灣在這波太空產業浪潮中站穩腳步。

 


圖左為主持人臺灣大學獸醫學系陳慧文教授;中間為講師張起維特聘教授;圖右為CASE中心于宏燦主任|來源:臺大科學教育發展中心

 

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