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低軌衛星能全面取代地面基地臺嗎?「臺版星鏈」有望年底問世——專訪國立中央大學太空科學與工程學系張起維教授

113/04/30 瀏覽次數 1134

一場俄烏戰爭,在大眾面前打響了低軌通訊衛星的重要性。

2022 年 2 月,俄羅斯全面入侵烏克蘭,對烏克蘭的基礎設施和通訊網路進行了毀滅性的打擊。俄軍的目的是切斷烏克蘭的通訊,讓烏克蘭政府陷入孤立無援的境地。

在這個關鍵時刻,美國太空探索科技公司(SpaceX)創辦人馬斯克(Elon Musk)向烏克蘭提供了旗下「星鏈」(Starlink)衛星寬頻服務。星鏈衛星就像是天上的「眼睛」和「耳朵」,讓烏克蘭軍隊能維持對國內外的通訊,並獲得重要情報。

星鏈究竟是什麼?它為什麼能成為影響戰場的關鍵要素?

星鏈是一項透過「低軌通訊衛星」提供高速網路的服務。國立中央大學太空科學與工程學系張起維教授表示,烏克蘭藉由星鏈服務,可以避免民眾完全斷網後對民生及士氣產生的影響,同時也有利於對國內外正確訊息的分享,避免話語權完全被俄羅斯壟斷。

低軌通訊衛星崛起,有何優勢?

人造衛星依軌道高度,可分為 4 類:

  • 高橢圓軌道衛星(Highly Elliptical Orbit, HEO):軌道高度在 3.6 萬公里以上,用於技術開發與觀測。
  • 高軌道衛星(Geostationary Orbit, GEO):軌道高度在 3.6 公里,運行週期與地球自轉週期相同,因此相對於地球是靜止的,又稱為地球同步軌道衛星。高軌道衛星的覆蓋範圍最大,只要 3 至 4 顆就能覆蓋整個地球,但通訊延遲較大,適用於通訊、氣象等領域。
  • 中軌道衛星(Medium-Earth Orbit, MEO):軌道高度在 2,000 公里到 3.6 公里之間,運行週期較長,覆蓋範圍較大,通訊延遲介於低軌道衛星和高軌道衛星之間,大多用於 GPS 導航、定位等領域,也可用在航空、海事的救援行動中,提供高頻段通訊連接。
  • 低軌道衛星(Low-Earth Orbit, LEO):軌道高度在 2,000 公里以下,運行週期短,覆蓋範圍小,但通訊延遲小,大約 70% 都用於通訊,少部分用於環境監控、氣象監測、洋流分析等。

張起維教授指出,相較於高軌或中軌衛星,低軌衛星因為離地面比較近,訊號延遲時間較短,通訊頻寬較大,有利於一些需要近即時反應的應用,例如影音資訊分享、直播等。此外,因為訊號強度較中高軌道大,需要的通訊設備大小及耗電量較低,地面使用裝置機動性較高,有利於快速架設及裝收、位移。資訊工業策進會產業情報研究所(Market Intelligence & Consulting Institute, MIC預估,全球低軌道衛星顆數將從 2023 年的 7,500 顆,成長至 2030 年的 17,350 顆。

低軌道衛星

低軌道衛星軌道高度在 2,000 公里以下,通訊延遲小,大約 70% 用於通訊。
圖片來源:Paopano/Shutterstock.com

不怕人為因素破壞,低軌通訊衛星在戰時具優勢

過去,要進行通訊或網路服務,大多利用地面基地臺。而臺灣是個海島,要將資訊傳到海外或收到來自海外的訊息,必須依靠海底電纜。但是海底電纜數量有限,也容易被自然或人為因素破壞。

例如,2023 年由馬祖連到臺灣本島的兩條海底電纜,一度被中國漁船及掏沙船截斷,導致馬祖與網路幾乎斷線,對國安及民生造成嚴重影響。

但衛星通訊就像是天上的行動網路基地臺,張起維教授表示,透過無線通訊將資訊傳到衛星,衛星會再將資訊用無線通訊轉發到跟網際網路有硬體連結的地面中繼站(gateway。由於採用無線通訊連結,地面中繼站又可以設在遠離災區或者其他友善國家的領土上,不會像海底電纜一樣容易被破壞。

此外,地面基地臺的訊號範圍較有限,會受到地面障礙物影響;衛星訊號範圍很大,可以覆蓋的區域也大,可以延伸到不容易設地面基地臺或拉電纜的地方,例如海上、空中、荒郊野外。

以星鏈衛星來看,它就像是天上的「蜘蛛網」,覆蓋了地球的絕大部分地區,提供高速、低延遲的寬頻接入服務,甚至可以穿透樹林和建築物,為偏遠地區和災區提供通訊保障。

然而,低軌道衛星,真能取代地面基地臺或海底電纜嗎?

張起維教授分析,不同通訊方式其實各有利弊,應用互補方式合作。衛星通訊範圍廣大,不容易被破壞,但所需要的成本、資源相當可觀,速度及使用客戶量也很難達到地面固網的大小。地面基地臺及海底電纜則相反,使用客戶量及速度較高,實現成本較低,但是覆蓋範圍有限,也較容易因為天災或人為因素破壞。

就像銀行設的保全系統包含鐵門、門鎖、監視器、保全人員、保險櫃等,雖有辦法可以個別突破,但全部結合在一起,能增加突破難度,對有心人士形成更大的嚇阻。張起維教授強調,結合多元的通訊能力可以有互補的作用,也比較不容易因為單一因素而全部同時癱瘓,對通訊韌性有很大的幫助。

  國立中央大學太空科學與工程學系張起維教授。圖片來源:張起維教授提供

國立中央大學太空科學與工程學系張起維教授。圖片來源:張起維教授提供

臺灣發展低軌衛星的機遇與挑戰

隨著星鏈的版圖擴大,臺灣啟動第三期國家太空科技發展長程計畫,預計自 2019 年起預計 10 年投入新臺幣 251 億元,其中包含發展低軌通訊衛星。數位發展部也宣布「應變或戰時應用新興科技強化通訊網路數位韌性驗證計畫」,預計在 2024 年底布建 773 個衛星通訊站點,打造「臺版星鏈」。

在國際合作方面,過去,臺灣廠商難以參與中、高軌衛星市場,但低軌衛星的崛起,為臺灣廠商切入太空市場提供了機會。根據美國衛星產業協會(Satellite Industry Association, SIA)統計,2021 年全球衛星產值中,地面設備佔比為 51%,應用服務佔比為 43%。臺灣目前已有 40 多家廠商切入國際衛星供應鏈,其中 98% 的廠商專注於地面設備領域,該領域也是衛星產業中商機最大的部分。

發達的電子、通訊、精密機械產業與量產能力是臺灣的優勢,同時長期代工經驗,也讓臺灣更容易加入民主國家陣線的信任供應鏈。張起維教授建議,臺灣應尋找克服被國際組織排擠的因應方式,例如通訊衛星為避免訊號干擾,需由國際電信聯盟(International Telecommunications Union, ITU)協調頻率分配,但臺灣非 ITU 會員國,必須有衛星發射廠商願意替臺灣免除衛星取得 ITU 頻率核可的需求,或與其他國家合資或掛名衛星註冊,以及與現有衛星通訊廠商合作等。

低軌衛星搭配地面基地臺,將提高我們應對特殊狀況的應變能力,而透過在地的投資與磨練,也將培養科研與產業的新生代。

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