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「低軌衛星」通訊將面臨那些考驗?該如何克服高速移動造成的「都卜勒頻移」?

112/06/30 瀏覽次數 4489
一:未來 6G 將提供無遠弗屆、隨時聯網的通訊系統,而低軌衛星通訊將是其中重要的一環。(影像來源:國立成功大學電機工程學系莊智清教授)

一:未來 6G 將提供無遠弗屆、隨時聯網的通訊系統,而低軌衛星通訊將是其中重要的一環。(影像來源:國立成功大學電機工程學系莊智清教授)

隨著 5G 通訊邁入商業化推廣階段,著眼於未來,臺灣也將著手投入 6G 技術布局。其中低地球軌道衛星(LEO, Low-Earth Orbit)通訊技術,將成為 6G 通訊服務的關鍵之一,提供立體基地臺與涵蓋陸海空的網路通訊。

使用低軌衛星提供通訊服務最大的技術考驗有哪些?又該如何克服呢?本次科技大觀園專訪國立成功大學電機工程學系專長為控制工程、航空工程與電子導航的莊智清教授,為我們進行解析。

讓 6G 無遠弗屆的「低軌衛星」

根據軌道的高度,通訊衛星可以被分為三種,分別是距離地表在 3 萬 6000 公里的地球同步軌道(GEO, Geostationary Orbit)衛星、距離地表 2000 至 1 萬 5000 公里的中地球軌道(MEO, Medium-Earth Orbit)衛星,最後則是 6G 服務的關鍵「低地球軌道衛星」(以下將簡稱為「低軌衛星」)。「低軌衛星」是部署位置最低,距地表僅有 500 到 2000 公里處的人造衛星,具備低延遲、高頻寬、低成本的特性,用來提供通訊與影像遙測等功能。

然而,也因航行位置,低軌衛星繞行地球的速度可達每小時 2 萬 7000 公里,最快每 1 小時半繞行地球一周。在這樣的情況下,衛星相對於基地台處於高速移動的狀態, 因此通訊系統在設計時必須考慮到許多因素,其中一個重點,便是「都卜勒效應」(Doppler Effect)所帶來的影響。

軌衛星如何解決「都卜勒效應」帶來的通訊干擾?

究竟什麼是都卜勒效應?又跟衛星通訊有什麼關係呢?莊智清舉例說明,大家都有在馬路上聽到消防車鳴笛靠近接著又遠離的經驗,鳴笛聲音在靠近時首先會變尖銳,然後隨著車輛遠離變低沉,這也讓路邊的觀察者很容易能夠判斷消防車是在接近還是遠離自己。聲音作為「波」這樣的變化,就是所謂的都卜勒效應,一個訊號的頻率,會隨著發射源與接收端之間的移動而變化。

而這也會發生在同樣是「波」的無線電波。尤其低軌衛星的移動速度可高達每秒 7.4 公里,且低軌衛星通訊採用 Ku、Ka 或更高頻率之頻段,因此產生的都卜勒頻移幅度會極大。莊智清指出,如果同時有多顆衛星傳輸訊號,就有可能由於都卜勒頻移造成通訊頻率的重疊,致使接收到的訊號有所混淆。此外,低軌衛星採取的高頻訊號,相較於地面通訊訊號也更容易衰減。這些都是在設計衛星系統時,需適當考量並進行補償設計。莊智清說明,針對都卜勒效應,可以在訊號格式設計上做出適當的區隔;接收機的部分也可應用陣列天線進行波束追蹤,以強化訊號、排除干擾。

低軌衛星技術發展的未來進行式

「如果善用都卜勒平移變化的可預測性,能有許多有意義的運用,」莊智清強調,都卜勒效應是科學家熟知的物理現象,雖然會在低軌衛星的技術設計帶來些許挑戰,卻也是科學可以善用、發展出新技術。莊智清舉例,當蘇聯發射了史上第一顆人造衛星「斯普特尼克號」(Sputnik),美國就追蹤此衛星運行的無線訊號,也因此也觀察到了顯著的頻偏變化。

後來美國約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)就據此發展出了早期的 TRANSIT 衛星定位系統,利用都卜勒效應來進行定位。莊智清說明,雖然此定位技術已經被現今普遍運行的 GPS定位系統所取代,但考量到 6G 通訊技術的發展,也有研究團隊,包括國立成功大學(以下簡稱成大)正在探索未來是否能將相關的技術應用於結合通訊與導航的 6G 訊號的定位運用。

未來 6G 將提供無遠弗屆、隨時聯網的通訊系統,而低軌衛星通訊將是其中重要的一環。「太空終究是大家共有的資源,要與國際接軌,也要自己有技術能量,」莊智清分享他的觀察,考量到通訊的頻譜與衛星軌道有其極限,各國如何協調發展,將產生許多競合與考驗,而臺灣也應積極布局。

莊智清率領成大團隊於去(2022)年成功將「IRIS-A」立方衛星送上太空,正持續進行衛星物聯網的技術驗證、優化地面站自動化功能。莊智清表示,很高興有機會透過成本較為低廉的立方衛星,有效進行關鍵技術驗證與人才培育,為未來產業的新技術與人才培育做出貢獻。

資料來源

●  採訪國立成功大學電機工程學系莊智清教授

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