- 文／林彥興｜現就讀清大理學院學士班，EASY天文地科團隊總編輯
Starlink 是 SpaceX 正在組建中的全球衛星網路系統。從於 2019 年底至今不到一年半之內，SpaceX 就已經進行了超過 23 次 Starlink 衛星發射 (2021.04.12)。若是加上之前的幾批原型機，Starlink 的總發射數已接近 1600 顆，遠遠超越歷史上所有的衛星星座[註一]系統。但規模龐大的 Starlink 計畫在提供全球高速衛星網路的同時，也對近地軌道的環境，以及原本黑暗的夜空造成難以忽視的重大影響。其中，又以天文學家與天文攝影愛好者們受害尤其嚴重。而且，在可預見的將來，還會有更多企業投入近地軌道衛星網路的競賽。如何在讓世界更加緊密的衛星網路，以及珍貴的夜空和軌道環境之間取得平衡，值得所有人持續關注與理解。
Starlink 的存在價值：為什麼我們需要衛星網路？
對大多數的台灣人來說，網路並不是太稀罕的東西。因為我們的網路基礎建設相當完善，電信公司的光纖網路、無線基地台、Wifi 分享器在生活周遭隨處可見。甚至在高山或海邊的風景區，只要不是完全裊無人煙，也常常有不錯的訊號。我們早已習慣天天上網、逛臉書、滑 IG、打卡、發宵夜文，甚至許多人的工作與學習，都仰賴穩定而高速的網路。
但世界上並不是每個地方都如此。多數國家的網路基礎設施都遠不如台灣完善，全球約有半數的人口處於沒有網路可用的狀態。想要在合理的成本下，將網路的服務範圍擴張到深山、沙漠、大洋等地相當不容易。
那如果用衛星作為網路的節點呢？這樣不就可以不受地理易達性的限制，讓全世界所有角落都有網路可以用了嗎？沒錯，這正是 Starlink 所希望達到的目標。他們希望在近地軌道上建立起覆蓋全球的衛星通訊網路服務。而且為了讓 Starlink 系統的資料傳輸速度與延遲能夠和一般的地面電信公司競爭，他們計畫將超過 12000 顆通訊衛星[註二]部署在 500 至 1300 公里之間的多個軌道殼層上。
12000 顆衛星很多嗎？非常的多！這個衛星數量不僅遠超過以往任何衛星星座，甚至是人類發射過的衛星總數都大約只有 9000 顆而已。足見 SpaceX 的野心之龐大。這種覆蓋全球的衛星網路，有可能可以造福全球數十億無法上網的人，讓他們能夠享受到網際網路帶來的教育、資訊、娛樂等重要資源。
自 2019 年 11 月 11 日至今的約一年半內，SpaceX 每隔幾週就發射一次 Starlink，一次發射會送 60 顆衛星進入軌道。僅僅三次發射之後，SpaceX 就已經成為地表最大的衛星操作者；23 次發射之後，軌道上運作中的衛星已有六成都是 Starlink。
圖／Heavens above
從 2020 年年中開始，Starlink 開始在北美地區進行測試，並表現出下載速度 50 – 150 Mbps，延遲 20 – 40 ms 的不俗性能，雖然價格略微昂貴，但仍受到不少偏遠郊區使用者的推崇。推薦大家親自上 Youtube 上看看那些數量龐大的測試影片，了解使用者們的想法。最近（2021.04）更看到多則實測 200 Mbps 下載速度的新聞，且服務範圍也擴展到英國、德國、澳大利亞、紐西蘭等地，發展非常迅速。人們相信，這種覆蓋全球的衛星網路，將有潛力把珍貴的網路，以及其附帶的教育、娛樂等資源，帶給全世界的人。
Starlink 的環境影響：光害與壅塞的近地軌道
這樣的願景雖然美好，然而發射如此大量衛星，卻造成了許多未曾被重視的環境問題，讓 Starlink 自從建構之初就飽受各方爭議。
第一個引爆點是 Starlink 的光害問題。相信關注太空議題有一陣子的朋友，都有看過一整排 Starlink 衛星像一排閃亮的星際火車一般橫越夜空、毀掉天文觀測的照片或影片。雖然這些影片往往都拍攝於衛星剛發射時，正式運行中的衛星因為軌道高度較高，並不會如此之亮，但卻足以激起天文界對於這項計畫的反彈。對像是薇拉．魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）、史維基瞬變探測器（Zwicky Transient Facility）等大面積、高頻率的巡天觀測計畫影響尤其嚴重。當然，天文學家可以藉由各式各樣的演算法消除掉這些衛星通過的光跡，但是這不僅會增加資料處理的困難度，也可能降低觀測資料的品質。
另外，1979 年國際天文聯合會（IAU）定義，光害小於夜空自然亮度的 10% 處，才是適合建造專業天文台的地方。但在三月底發表於英國皇家天文學會月報的一篇專題討論中，研究人員估算了軌道上的衛星反射陽光而貢獻的背景亮度，發現竟然很可能已經超過了這個標準。衛星造成的光害嚴重性可見一斑。還有，作為通訊衛星，Starlink 會不斷發出強烈的無線電波，雖然已經刻意將通訊頻段與觀測頻段錯開，但是仍會對電波望遠鏡造成影響。相關報導可見這篇。
針對這些影響，一個常被提出的觀點是：既然 SpaceX 已經降低前往太空的門檻，為什麼不把望遠鏡都搬上太空，就沒這個問題了？但站在天文學家的立場，即使發射的成本降低，設計與建造一座太空望遠鏡仍是相當昂貴的。地面望遠鏡在建造技術的成熟度、維修升級的方便性等方面，還是有著太空望遠鏡無法企及的優勢。因此在可預見的未來，地面望遠鏡仍然會是天文學的重要支柱。
圖／ CTIO, NOIRLab, NSF, AURA and DECam DELVE Survey
除了光害之外，將如此大量的衛星置於近地軌道之中，也讓近地軌道變得更加擁擠，衛星與太空垃圾之間的碰撞機率也隨之提升。2019 年 9 月，歐洲太空總署的埃俄羅斯氣象衛星為了閃避 Starlink-44 而調整軌道，就是一個著名的例子。其實，衛星為了閃躲太空垃圾和其他衛星而改變軌道是相當常見的事，但當軌道變得越來越擁擠，如何快速與正確的監控軌道上的物體、計算可能的危險碰撞，並即時與其它衛星公司協調讓衛星改變軌道等工作，就變得越來越困難且重要。
SpaceX 的努力：如何降低衛星的負面影響
值得慶幸的是，面對 Starlink 帶來的負面影響，SpaceX 並沒有兩手一攤、充耳不聞。從 2019 年開始，SpaceX 就與各領域合作設法降低衛星星座的影響。比如為了解決衛星的光害問題，SpaceX 曾嘗試把衛星塗黑、加裝遮陽板、改變衛星姿態等方式來降低衛星產生的光害。在埃俄羅斯衛星事件之後，SpaceX 也改進了他們的衛星控制系統，以更好的避開可能的撞擊。
享受便利與資源的同時，也要取得環境保護的平衡
無庸置疑的，Starlink 已經是史上規模最龐大的衛星系統。
而且無論你是否認同它的價值，可預見的未來 SpaceX 幾乎不可能放棄這項重要的生財工具。而且除了 SpaceX 之外，還有 OneWeb、LeoSat、Project Kuiper、鴻雁、虹雲等近十個計畫已被提出或正在建置，預計都會成為至少上百顆衛星的大型衛星星座。這些衛星網路擁有造福全世界人類的潛力，尤其是讓身處基礎設施不發達處的人們，享受到網際網路帶來的豐富資源；但另一方面，龐大的衛星也帶來嚴重的光害與太空垃圾問題，衝擊未來的太空發展與科學研究。如何在讓世界更加緊密的衛星網路，以及珍貴的夜空和軌道環境之間取得平衡，值得所有人持續關注、討論與理解。
註解
- 衛星星座（Satellite Constellation）是由多個衛星組成且一起工作的系統。比如 GPS 導航衛星就是由 24 顆衛星所組成的衛星星座。
- 基於各種政治問題，Starlink 的計畫部署總量仍有相當的變化空間。這邊採用相對保守的、已被核准多年的 12000 顆。
延伸閱讀
- https://hchsastronomy.blogspot.com/2020/01/starlink.html
- 【時事新聞】Starlink-1 升空一週年
- Study finds nowhere on Earth is safe from satellite light pollution
- SpaceX Starlink coverage map: When will it be available in my area?
- Starlink And Its Impact On Astronomy
- Starlink already threatens optical astronomy. Now, radio astronomers are worried
- SpaceX’s Dark Satellites Are Still Too Bright for Astronomers
- How to better manage space traffic: Aeolus/Starlink encounter shows emails and late-night phone calls no longer cut it
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