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立方衛星的姿態與軌道怎麼控制,代理模型又是什麼?臺灣如何攻占這個市場?一次說給你聽

113/04/25 瀏覽次數 913
立方衛星是一種以標準尺寸和外形打造的奈米衛星。

立方衛星是一種以標準尺寸和外形打造的奈米衛星。

要快、要好、還要便宜,做得到嗎?立方衛星就做得到!憑藉其低成本、易設計等優勢,吸引許多臺灣廠商積極投入,成功大學航空太空工程學系團隊也曾與張量科技公司合作,獨創「球型馬達」,發展姿態和軌道控制系統,提升立方衛星的功能與準確性。去年(2023 年)底,鴻海更以自研發的「珍珠號」衛星搭上 SpaceX 的「獵鷹九號」前往太空。

上太空之後,任務才開始。小小的立方衛星要高效率採集數據,就得在有限的工作壽命、電力裡,精準調整姿態與軌道,來滿足又好、又快、又便宜的要求。

我們邀請國立成功大學航空太空工程學系李約亨教授,分享立方衛星的姿態和軌道控制之祕,介紹節省實驗開銷和時間成本的「代理模型」,也談談臺灣如何妥善運用研發底蘊,在全球立方衛星市場上持續占有一席之地!

衛星為何要做姿態和軌道控制?

立方衛星(cube satellite),是一種以標準尺寸和外形打造的奈米衛星(nanosatellite)。「相較於其他人造衛星,體積較小、重量較輕,因此發射成本也低,還可以根據任務需求組裝、疊加。」成功大學航空太空工程學系教授李約亨補充。然而,單一立方衛星也不過就是 10 cm × 10 cm × 10 cm 的立方體,如此小巧也讓可攜帶的電力受限。「這對衛星在太空軌道上的壽命產生挑戰。」李約亨如此說道。

首先,包含人造衛星在內的所有航太裝置都需要姿態調整;不只衛星本體的穩定度,天線指向的位置是否方便與地球通訊、可否精確採集數據、面向太陽的位置能不能做好熱控制,甚至引導推進的方向⋯⋯這些都與衛星的姿態有關。至於軌道控制,則是確保衛星能駕馭引力,穩妥地運行著。

這類「姿態與軌道控制系統」(attitude and orbit control systems, AOCS)經常用在衛星星系(satellite constellation)當中。有鑒於單一人造衛星無法永久性地覆蓋全球範圍,由多顆衛星所建構的衛星星系應運而生。「目前的衛星星系,諸如美國『星鏈』(Starlink)與英國『OneWeb』,每一顆衛星都配載著這樣的系統。」AOCS 除了能有效控制每顆衛星的運作,也可避免它們彼此碰撞。

詳細來說,AOCS 是由以下功能各異的裝置組成:

  • 全球定位系統接收器(GPS receiver):用以確認各衛星的精確位置;
  • 磁力計(magnetometer):透過GPS與地球磁場模型提供衛星粗淺姿態資訊;
  • 太陽感測器(sun sensor):為所有任務階段確認衛星應有的姿態;
  • 追星儀(star tracker):將每顆衛星的姿態精確化,並將數據轉為慣性的參考資訊;
  • 陀螺儀(gyro):在緊急狀態下確認衛星的姿態變化率;
  • 致動器(actuator):向衛星傳遞力和力矩,以做到具體的控制。

在這些裝置的共同合作下,就能達到監測以及調整衛星姿態和軌道的目的。

當前立方衛星的動力來源,誰是主流?

運行在軌道上的衛星,面臨「引力」這個主要阻力。為了延長衛星的「在軌工作壽命」,動力系統不可或缺。李約亨教授接著說明:「目前常用於衛星的動力系統包含冷氣體推進系、化學推進系統與電力推進系統,其中適用於立方衛星者以電力推進系統為主。」

電力推進系統根據推進模式又可分為「脈衝式」與「連續式」。「脈衝式可以提供較精準的推力脈衝,做到衛星的姿態微調,不過推力較小,主要有脈衝電漿推進器(pulsed plasma thruster)和真空電弧推進器(vacuum arc thruster);連續式則能提供穩定且功率較大的推力,最著名的就是離子推進器(ion thruster,又稱離子引擎)與霍爾效應推進器(Hall effect thruster)。」(圖一)

圖一:由李約亨教授所在研究團隊發展的電力推進系統。圖片來源:李約亨教授提供

圖一:由李約亨教授所在研究團隊發展的電力推進系統。圖片來源:李約亨教授提供

從脈衝式與連續式推進系統的本質不難看出,若衛星系統需要穩定、長時間運作、功率相對大以及可充電的推力系統,連續式系統毫無疑問是首選。但連續式的選項裡,誰又是最理想的呢?「相同電力條件下,離子推進器的推力比霍爾效應推進器小。不過,若考慮衛星負載限制,離子推進器較高的燃料利用率和比衝值(每單位質量所產生的推力持續秒數)成了極大優勢。」

三大組成,認識離子推進器

離子推進器是用電場加速帶電粒子,使帶電粒子從同一個方向射出,射出的反作用力會推著物體前進。但這些帶電粒子會因為電性相同產生斥力等原因,讓帶電粒子回到推進器中,使推力減弱,因此得在帶電離子射出後,提供相反電性的粒子進行中和,讓帶電粒子不會跑回推進器中。

簡單來說,離子推進器的運作有三個部分:

  1. 電離:對惰性氣體的原子發射電子,從中「敲」出更多電子以產生帶正電的離子,也就是把氣體解離為電漿態;
  2. 加速射出:透過電力把離子加速成離子束,離開推進器後會產生推力;
  3. 中和:對離開的離子束發射電子來中和,避免離子被拉回去減少推力,也預防衛星受侵蝕。
圖二:離子推進器工作原理。圖片來源:李約亨教授提供

圖二:離子推進器工作原理。圖片來源:李約亨教授提供

那麼,這些作為推進劑的氣體,是如何電離成電漿的?李約亨教授解釋:「方法有很多種。目前我們團隊用的是射頻電離法(radio frequency,簡稱RF),也就是利用射頻產生器將射頻導入推進器的腔體,然後誘發產生電漿。這些電漿離子會被接下來的電網層吸引。」

而在電離之後、加速之前,離子推進器還設了一道關卡,通常是三層電網組成的:

  • 第一層「簾柵極」(screen grid):通入高電壓以萃取離子、阻隔電子,讓電子留在主腔體中繼續幫助推進劑電離化;
  • 第二層「加速柵極」(accelerator grid):通入負電壓以加速離子,同時防止中和器的電子轟擊;
  • 第三層「減速柵極」(deceleration grid):作為離子推進器的「接地點」以延長電網壽命。

至於中和裝置,李約亨以典型的「中空陰極管」(hollow cathode)為例說明:「它會釋放電子,然後與離子推進器的羽流(plume,從裝置中被釋放出來、以各種帶電原子組成的流體)進行中和,確保電荷守恆。」(圖三)

圖三:由李約亨教授所在研究團隊發展出的中和裝置「輝光放電中和器」(glow discharge neutralizer)與「中空陰極管」。圖片來源:李約亨教授提供

圖三:由李約亨教授所在研究團隊發展出的中和裝置「輝光放電中和器」(glow discharge neutralizer)與「中空陰極管」。圖片來源:李約亨教授提供

代理模型?代理了什麼,如何代理?

看完衛星的姿態與軌道調整需求,對其動力來源有初步理解後,就要來思考衛星與推進系統研發的實務難題——成本。「推進劑燃料非常昂貴。以離子推進器為例,氙氣是一種非常稀有且昂貴的推進劑,十幾公升的高壓氙氣氣體鋼瓶索價高達數百萬,長時間運作下來實驗花費相當可觀。只是,以電腦模擬電力推進器內部的運作情況,又極度耗時⋯⋯」李約亨教授感嘆。

在極其有限的預算和時間面前,一種只要輸入/輸出資料便能構建出數字或數據的技術——代理模型(surrogate model)——應運而生。「透過具系統性和目的性的實驗參數擷取,我們把實驗資料放到代理模型裡做訓練,最終透過它的運算來準確預測實驗結果。」李約亨教授指出,以代理模型優化系統,將能減少大規模且重複之實驗所衍生的成本。

「假設我們在柵極電壓 500 ~ 2,000 伏特、流量為 1 ~ 5 sccm(標準狀態下每分鐘的毫升流量)、射頻能量為 10 ~ 30 瓦的研究條件下進行系統性的實驗取點,再將大約落在 0.1 ~ 2.2 毫牛頓(mN)的推力結果放到代理模型裡做訓練,就可以瞭解電壓、流量、射頻能量與推力之間的關係。」李約亨教授代入案例:「如果好奇在柵極電壓為 1,500 伏特、流量為 1 sccm、射頻能量為 35 瓦下的推力結果,就只需將條件輸入到模型裡即可推測出推力預測,大幅簡化實驗過程。」

除了衛星,代理模型也能應用於其他面向。

從本質比較接近的飛機設計來說,「代理模型能用來預測不同機翼形狀、引擎配置和操縱表面設計對飛機性能的影響,幫助工程師快速評估最佳設計選項。」而在管道設計、風力發電、汽車外形等涉及流體力學模擬的領域中,代理模型也可「預測流體行為、速度和壓力分布。」在大型交通與裝置研究外,工程結構分析也從代理模型獲益良多。像是「預測結構材料的應力、變形和疲勞行為,進而評估結構的安全性和性能」,都能在建築物、橋梁工程和船舶設計上有所發揮。即使是近年話題正熱的機器人控制或無人駕駛車輛等,和控制系統設計有關的產業,也都能藉此建立系統的數學模型。整體而言,代理模型可謂是相當泛用的工具。

臺灣如何持續在衛星市場發光發熱?

自 2003 年臺灣首度發射立方衛星,過去 20 餘年已有越來越多團隊加入設計和製造的行列。衛星相關零組件的技術與低製造成本,曾一度被視為未來太空產業的成長關鍵,而臺灣也在這方面挾著卓越的研發力,為 SpaceX 公司生產過相關地面設備。

未來,臺灣在立方衛星市場應注重什麼樣的發展面向,才能持續發揮對全世界的高影響力?李約亨教授表示,技術創新與研發還是最關鍵的,「包括負載技術、通訊技術、太空材料與能源管理,如此提高立方衛星的性能與功能,才能在市場上保持競爭優勢。」他也提到尋求國際合作和人才培育的重要性:「臺灣有半導體科技和精密機械加工等量能,應與國內廠商積極尋求國際合作夥伴、參與國際級計畫;除了擴大市場規模,也能借鑑他國先進技術和經驗,加速產業發展。另外,打造更多專才,也可促進產業生態系統健康發展。」

隨著奈米衛星市場的熱潮持續燃燒,李約亨教授認為市場定位與服務拓展值得深思:「開發具有差異化競爭優勢的立方衛星產品和服務之餘,也還是要積極拓展國內外市場,尋求更多商業上的可能性。」此外,法規和政府政策的支持也須並進,「並提供資金支持、稅收優惠與技術指導,營造良好的發展環境和氛圍,鼓勵企業與科研機構參與立方衛星發展。」

資料來源
  1. 採訪國立成功大學航空太空工程學系李約亨教授
  2. What are SmallSats and CubeSats? NASA
  3. Attitude Determination And Control. Space Structure System Laboratory
  4. Attitude and Orbit Control System. Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology
  5. If the ion trail behind a spacecraft were not neutralized by its electron gun, what would happen? Physics Stack Exchange
  6. Ion Propulsion. NASA Facts
  7. Ion thruster. Wikipedia
  8. Ion Thrusters: How it works? The Space Techie
  9. Small Satellites and CubeSats Satellite Attitude and Orbit Control Systems. NanoAvionics
  10. Spacecraft attitude control. Wikipedia
  11. Surrogate Modeling - an overview. ScienceDirect Topics
  12. 方振洲,〈臺灣立方衛星的過去、現在與未來〉,《科學月刊》,2020年10月。《資料參考
  13. 葉席吟、林明宜,〈全球衛星及太空科技的競爭白熱化 - 臺灣的發展與挑戰〉,臺灣研究亮點。《資料參考
  14. 謝承學,〈立方衛星價低彈性大 尚難達供應鏈經濟規模〉,DIGITIMES,2023年6月8日。《資料參考
  15. 魏瑋廷、葉明宇、詹英文,〈福衛五號姿態與軌道系統硬體之極性驗證與測試〉,《航測及遙測學刊》,22卷1期,第 23 ~ 31頁,2017年3月。
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