衛星可以量產!OneWeb的衛星網要讓全球網路無死角

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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關於作者

黃 正中

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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