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衛星可以量產!OneWeb的衛星網要讓全球網路無死角

黃 正中_96
・2017/04/16 ・3259字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

傳統上太空計劃的推動,需要歷經各種階段審查,例如任務概念審查(mission definition review, MDR)、系統設計審查(system design review, SDR)、初步設計審查(preliminary design review, PDR)、關鍵設計審查(critical design review,  CDR)、組裝測試審查(integration and test review, ITR)、發射就緒審查(launch readiness review, LRR)、最終審查(final review, FR)等,需要一段不短的時間研發,目的是確保任務成功。但是隨著 OneWeb 計畫的出現,顛覆傳統觀念,把衛星當作汽車大量製造,一年製造 648 顆衛星,震撼了航太產業。

OneWeb 讓衛星也可以量產

好的創意到實現總是有一段距離,最近美國「太空新聞」(SpaceNews)網站報導:日本的軟體銀行集團(SoftBank)決定出資 10 億美金,投資美國衛星網路公司「OneWeb 」,使得從太空提供全球電腦網路(internet)的夢想,又向前走了一大步。

Google 在 2014 年 2 月提出「從太空來的電腦網路」概念,以一個「龐大的衛星群集」提供網路服務,計畫中的衛星總數量高達 1,600 顆。當時這個計畫,震驚了全球網路提供業者,使他們紛紛組團進行類似的高空/太空網路可行性的研究。三年後,Google 的衛星計畫停擺,只剩下高空氣球網路研究。

今天,衛星網路計畫只剩下 OneWeb 團隊順利的進行,吸引了包括歐洲空中巴士(Airbus)公司,美國洛克希德馬丁(Lockheed Martin Space Systems)公司,德國 OHB SE 公司,美國蘿拉太空系統公司(Space Systems Loral)以及法國的泰雷茲阿萊尼亞(Thales Alenia Space)公司的投資,組成了 OneWeb 公司。目前在美國佛羅里達,投資興建「大量製造人造衛星的工廠」,準備在今(2017)年開始量產衛星,製造世界最新的網路信衛星。

OneWeb 公司準備在今年開始量產衛星,製造世界最新的網路通訊衛星。圖/oneweb

為了在短時間製造出大量衛星,OneWeb 公司使用汽車製造的概念,將衛星各系統模組化,在生產線大量使用自動化設備,在關鍵檢查點的測試設備可採集數據,以縮短安裝時間。在這樣的模式下,工廠每週能生產 16 顆衛星,一年可完成 648 顆衛星。大量生產可以降低衛星的生產成本,他們的目標是使每顆通信衛星的造價降低至 50 萬美金(1,600 萬台幣)。

OneWeb 公司使用汽車製造的概念,將衛星系統模組化生產。在大量生產下,可以降低衛星的生產成本,他們的目標是使每顆通信衛星的造價降低至 50 萬美金。圖/OneWeb Satellites Artist’s rendering

OneWeb 衛星每一顆重量小於 75 公斤,功耗 300 瓦,指向能力 0.1 度[註 1]。最特別的是,衛星使用電力推進系統(electric propulsion),在太空軌道上可以變更高度以及方向。地面通訊系統使用超過 50 個閘道器(gateway)負責傳遞封包[註 2],並採取長期演進技術(long term evolution, LTE)的高速無線通訊標準,使用 Ku 波段發送和接收無線電訊號[註 3]。648 顆衛星將在 1,200 公里高,部置於傾角 87.9 度[註 4],總計有 18 個軌道面,因此能夠涵蓋全球,構建成一個全球衛星網路系統。

  • 註 1:「指向能力」指衛星姿態的控制能力。
  • 註 2:「封包」是交換網絡中傳輸的格式化數據塊,是基本的通信傳輸單位。
  • 註 3:「Ku 波段」係指頻率從 10.5 到 17 GHz 的通訊頻率帶寬
  • 註 4:「傾角」是衛星飛行軌道面與赤道的夾角。
648 顆衛星將在 1,200 公里高,部置於傾角 87.9 度,總計有 18 個軌道面,因此能夠涵蓋全球,構建成一個全球衛星網際網路系統。圖/oneweb

OneWeb 衛星免除傳統衛星的審核機制,改採量產模式,在新蓋的衛星工廠完工以前,規劃有 10 顆原型通訊衛星,在法國土魯斯製造,這些通訊衛星會完成一系列的太空環境測試,包括熱真空循環測試、振動測試、音震測試、電磁干擾/相容測試,驗證和修正衛星的設計,最後確定衛星組裝元件,能適合火箭發射以及太空環境以後,再交由美國的 OneWeb 工廠量產。

發射 648 顆衛星需要大量的火箭,目前規劃主要是使用俄羅斯聯盟號火箭(Soyuz rockets)發射,另一部分由歐洲航太總署新研發的阿麗亞娜-6(Ariane-6)火箭,以及維珍太空公司新研發的 LauncherOne 火箭發射,後者是吊掛在波音 747-400 飛機機翼下發射的空載火箭。

俄羅斯聯盟號火箭(Soyuz rockets)。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons
圖 4,歐洲航太總署阿麗亞娜-6(Ariane-6)火箭。圖/By SkywalkerPL, CC BY 3.0, wikimedia commons
圖 5,維珍太空公司 LauncherOne 火箭。圖/virgingalactic

未來這 648 顆衛星升空服役後,勢必對於目前在 600 和 1,000 公里(370 和 620 英里)高度的太空低軌道造成衝擊,因為這裡已經充斥著火箭與衛星殘駭垃圾, OneWeb 衛星的設計,符合「軌道碎片減緩/返回軌道衛星」,以確保衛星在 25 年內退休時,可進入的地球的大氣層,以減少大量的衛星殘駭,降低目前已擁擠不堪的低地球軌道負擔。

衛星網路將掀起通訊革命

在 2019 年衛星星群佈置完成以後,OneWeb 衛星群集將涵蓋全球,提供全球網路服務,涵蓋陸地上沒有網路的區域例如沙漠、高山峻嶺,以及廣大的海洋、甚至於南北極;未來透過網路手機也可以傳送簡訊和使用手機免費通話;在各地旅遊的旅客,也可以在客機、郵輪上使用網路或直接與家人通話,便利性不言可喻,因此若是 OneWeb 計畫成功,可能掀起另一波的通訊革命。

目前涵蓋全球通訊網,主要還是依靠海底電纜,以及距離地面 36,000 公里高的同步軌道通訊衛星。但是同步軌道通訊衛星衛星距離地球表面很遠,來回通訊有大約 0.5 秒的延遲,加上空間無線電通訊路徑損耗的信號衰減,一般須有大口徑的地面天線接收,例如海事衛星(Inmarsat)、中星二號等衛星等等,通常由大型電信公司承包,再分租轉頻器給公司行號,價格不便宜,不適合一般民眾承租。

除了同步軌道通訊衛星之外,還有低軌道群集通訊方式,在 20 多年以前,台灣的太平洋電線電纜公司,曾經投資過擁有 66 顆衛星的銥計畫(Iridium)約 2 億美金,可以提供全球大哥大通訊服務;在同時,市場上還有一個擁有 72 顆衛星的全球之星(Globalsatr)的通訊群集。但是這兩個太空通訊服務,每秒通訊頻寬與速度僅約 0.2 Gbps,再加上衛星設施的維護費用太高,通訊費用無法降到一般大眾接受的水準,在市場競爭下,最後都宣告破產;前述銥計畫最後由美國國防部接手維護,作為美軍全球通訊使用途。

OneWeb 公司所提出的通訊計畫眼光放遠,拜科技長足的進步擬提供第五代的移動通訊(5G),通訊速度約 869 Gbps,以加強衛星傳送訊號。使用寬頻通訊衛星技術,OneWeb 公司以後起之秀,擴大技術競爭優勢,加上大膽的策略與佈局,從全球集資如魚得水,迅速執行計畫是成功的關鍵。

太空網路競賽,除了 Google 團隊外還有韓國三星(Samsung)與美國 Space X 團隊,但是隨著 2015 年 1 月國際電信聯盟(International Telecommunication Union , ITU),核准 OneWeb 公司操作在太空使用軌道 Ku 波段通訊,其他的競爭對手已遠遠的落後這場太空競賽,由此可知計畫執行的速度是相當重要的。

OneWeb 是很好的創新案例,然而航太產業是高風險產業,但是機會藏在風險中。目前看來 OneWeb 的初期投資團隊,取得董事會成員即是取得市場,例如 Airbus 以及維珍太空公司為衛星發射,日本的 SoftBank 在此時,主導第二輪投資計畫,在此認為日本軟體銀行意在取得地面設備以及太空電腦網路的經營權,全球太空競賽方興未艾,後續的發展值得持續關注。

台灣應該加入這場戰爭嗎?

在此新太空網際網路熱潮中,台灣應是旁觀者或者是勇於加入見仁見智,有人質疑太空 5G 網路傳送速度無法與光纖競爭,再者目前 OneWeb 地面接收設備尚未臻於理想,研發和改良地面接收設備也許是未來的功課;考量台灣的電子製造能力,若能以輕薄短小為目標,整合太空接收傳送的訊號到智慧型手機,藉著改良 OneWeb 地面網路硬體以及創新應用,也許能搶先佔領太空網際網路通訊的市場。

固定在建築屋頂的接收器。圖/oneweb
固定在車頂的接收器。圖/oneweb

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黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。