手機結合低軌通訊衛星網路前,低軌通訊衛星是什麼?

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 11 日 9:29 | 分類 網通設備 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


隨著消息傳出蘋果 iPhone 13 可能支援低軌通訊衛星網路,我們得先知道低軌通訊衛星網路並非 4G / 5G 行動通訊,絕對不是你拿起手機就可以直接接收來自天上衛星的訊號。但低軌通訊衛星網路確實是支援 5G / 6G 通訊的輔助角色,這究竟是什麼意思呢?

什麼是低軌通訊衛星?

低軌通訊衛星與傳統通訊衛星的最大差異在於離地高度。用於電視、電話、廣播、網路和軍事領域的衛星通訊其實已行之多年,原理很簡單:通訊衛星做為地面發射站與接收站的訊號中繼點,首先上鏈(Up-link)訊號接收器接收地面某個站點傳上來的資料,將此訊號放大移頻後再經下鏈(Down-link)發射器傳回地面另一個站點,實現遠距通訊。

這類型衛星通常位於離地 35,786 公里的地球同步軌道(Geosynchronous orbit,GSO),由於繞行週期與地球自轉相同,因此會在每天同一時間經過同一地點上空,而因為高度夠,電波點(地面)對點(空中)傳送範圍非常廣,只要 3 顆位於 GSO 軌道的通訊衛星就能接收/發送涵蓋整個地球表面之訊號,相當適合地面天線接收的定向需求。

而早在 1990 年代,人們就開始會使用低軌衛星通訊技術來連接網際網路寬頻,但為何近 10 年內忽然興起大型計畫熱潮呢?

第一:放在地球同步軌道的衛星距離地表很遠,訊號傳播會出現延遲(可能達數百毫秒),加上高地軌道通訊衛星造價高昂(過去製造+發射一枚高地軌道通訊衛星成本約需 1 億至 4 億美元),通常只能由國家主導的計畫開發,趕不上近年大規模生產的小型衛星商業熱潮。

第二:衛星若靠得太近訊號會相互干擾,因此有一定間隔要求,因此能卡位地球同步軌道的衛星數量很有限;第三是高軌通訊衛星軌道難覆蓋高緯度地區,尤其是極地。

第四:火箭發射成本開始隨著「可重複利用」此一特性壓低,SpaceX 獵鷹火箭還能一次運送大量小型衛星進入低地軌道,大幅提升低軌通訊衛星星系佈署競爭力,事實上目前全球主要 4 大低軌通訊衛星計畫中,就以 SpaceX 的星鏈(Starlink)計畫遙遙領先。

衛星製造發射成本壓低至過去五分之一

由於回收火箭大幅減少發射成本,和 10 年前相比,現在衛星製造發射成本整整壓低至過去的五分之一,因此需要靠大量覆蓋的低軌通訊衛星星系不再是難事,至少 SpaceX 正在證明它一步步解決這問題;而和高軌通訊衛星相比,低軌通訊衛星因距離地表較近,具有低傳輸延遲性、低傳輸能量強度等優勢,只要等衛星星系建置完成,一個高速低延遲的衛星網路將能為不方便部署有限光纖的偏遠地區用戶提供上網服務。

全球 4 大低軌衛星廠商

全球上網人口正在逐年攀升,當連偏遠地區、山中、海上也需要網路的這天到來,現有網路資源已無暇支援,於是能達成通訊無死角的低軌通訊衛星星系計畫再次浮上水面,目前全球主要 4 大低軌衛星營運商主要為:美國 SpaceX、美國亞馬遜、加拿大 Telesat、英國 OneWeb,這些廠商皆有向 FCC 申請發射衛星,以 SpaceX 的星鏈(Starlink)計畫規模最為龐大,將投入 12,000 顆衛星組成巨型通訊衛星星系。

由於向 FCC 提交申請之後必須在 6 年內發射完一半衛星、9 年內發射完全數衛星,否則分配的專用頻段會被收回,因此 SpaceX 正靠著自家火箭馬不停蹄地發射星鏈衛星,截至今年 5 月 v1.0 L28 任務,已將第一階段第一個軌道面的衛星全數發射完畢。

星鏈計畫第一階段的衛星將分布在 5 個離地高度與傾角皆不同的軌道面,包括:
  • 離地 550 公里、傾角 53 度,運行衛星數量 1,664 顆,已準備為全球 80% 地區提供高速衛星網路服務。
  • 離地 540 公里、傾角 53.2 度,運行衛星數量 1,540 顆。
  • 離地 570 公里、傾角 70 度,運行衛星數量 720 顆。
  • 離地 560 公里、傾角 99.7 度,運行衛星數量 348 顆。
  • 離地 560 公里、傾角 97.6 度,運行衛星數量 172 顆。

第二階段的 7,518 顆衛星則將送至離地 335~345 公里高空運行,軌道傾角分別為 42 度、48 度、53 度。

此外,由於 SpaceX 的第一階段計畫(SpaceX Ku/Ka band)於 2018 年 3 月申請通過,因此按照時程,必須在 2024 年 3 月前累積發射 2,205 顆衛星,2027 年 3 月前全數發射完畢;第二階段計畫(SpaceX VELO)2018 年 11 月申請通過,因此需於 2024 年 11 月前累積發射 3,759 顆衛星,2027 年 11 月前全數就定位。

緊追在 SpaceX 後的 Oneweb

英國 Oneweb 公司,可說是 SpaceX 星鏈衛星網路檯面上最大勁敵,同名低軌通訊衛星計畫曾獲得日本軟銀大力注資、預計發射 650 顆衛星布建相關網路,且截至 2020 年 3 月已成功發射 74 顆。然而劇情忽然急轉直下,Oneweb 最大股東軟銀受 COVID-19 疫情影響股價大跌,決定拋棄當時還未有營收的 Oneweb 計畫,於是 2020 年 3 月 27 日,才剛發射完 34 顆衛星後不到一週 Oneweb 就宣布破產。

然而身為 SpaceX 勁敵,Oneweb 的技術、衛星頻段擁有權等諸多優勢並未被放棄,相反地,據外媒報導當時 SpaceX、Amazon 等競爭對手都盯上 Oneweb 開始著手調查資產,似乎有意入股 Oneweb,最後在 2020 年 7 月由英國政府與印度網路商 Bharti Airtel 成為最大股東,重新獲得資金挹注的 Oneweb 順利起死回生,截至今年 8 月 22 日,該計畫在軌衛星總數已達 288 顆(平均一個月發射一次),有望於 2022 年提供全球網路服務。

聲勢浩大但未見蹤影的 Kuiper

若以衛星星系規模來看,亞馬遜 Kuiper 計畫僅次於 SpaceX 星鏈計畫,預計發射 3,236 顆衛星建立自己的衛星網路、2026 年提供全球網路服務,然而迄今一顆衛星都還沒發射,已釋出的終端天線設備設計圖雖然顯示出天線尺寸比 SpaceX 還小,但實體也不見下落。

老牌衛星營運商加拿大 Telesat

成立於 1969 年的 Telesat 公司早已是主攻高地軌道的全球主要衛星營運商之一,2016 年時,宣布也要加入低地軌道衛星戰局,Lightspeed 計畫預計發射 1,671 顆衛星至離地 1,000 公里的軌道、2023 年提供全球網路服務,目前已發射 1 顆衛星試水溫,至少比 Kuiper 好。

低軌衛星通訊路徑

與這些衛星有關的新聞滿天飛,但我們如何、何時會用到衛星網路呢?首先,低軌衛星網路雖然強調高速低延遲,但絕對不是手機拿起來、像 4G / 5G 行動通訊或 Wi-Fi 打開網路按鈕就能連接,而是需先透過一套天線終端設備接收衛星訊號,然後再經由過路由器以無線網路方式提供寬頻上網。

對於有線/無線網路技術都相當發達的台灣或都市地區來說,基本上不會把衛星網路通訊當成上網首選,但它能彌補 5G 行動通訊需建蓋更多基地台的缺點,當一座基地台的訊號被地形阻擋難以傳給另一座基地台時,就可以換個路徑,把訊號打上去給衛星,交由衛星從空中轉發給另一座基地台。

只不過 iPhone 13 是否能支援衛星網路是個大問號,因衛星通訊非常耗電,網友調侃可能手機一打開開始接收,電量就歸零。

(首圖來源:pixabay

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