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「城堡・網路・外骨骼」首部曲 —城堡到底在哪裡?

oeo
・2014/09/12 ・5983字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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Credit: solar.empire via Flickr
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城堡,相信對很多人來說,在軍事戰爭、藝術娛樂、科技科學、科幻奇幻、旅遊觀光、歷史地理、文學符號各類層面,都有一種無比魅力與經典地位,深入探究,在心中不免有一份好奇:城堡,到底是文明科技的遺跡,還是野蠻爭鬥的印記?

「沒有經歷荒漠的人,無法真正知道要塞的意義!」

安東尼・聖修伯里在《要塞》一書中如此表述,他更說:「城池是撲向大地的突擊。……城池在我眼裡像是正待揚帆的船隊,城池的真理不再是井然有序和幾何學家的真理,而是人乘風破浪撲向大地的突擊。」筆下的要塞,和其他如寨樓、牆垛、宮殿、堡壘、碉堡……這諸相眾名,都算是「城堡」這豐富之物含混廣義的別稱。而「建築」一詞的原意本就是指「各類技藝之總和」。

城堡作為一種科技體(大住居),它的「演化」受到物質與精神層面的影響,也受到個體(設計)和群體(文化迷因)的決定,歷史上,中式、日式、希臘、羅馬、歐陸、英式、美洲、非洲…都出現了「城堡」,在科技、工程發展上角色顯示出一種水到渠成般地自然,但各處的城堡樣式與結構,卻又如此多元分歧、森羅萬象,更有意思的是,各自獨立發展的科技產品,卻要在同一時代競逐分合甚至「互動攻防」。像是荷蘭的居民型態也與其他各地大不相同。早在1500年,所謂低陸地區(Low Countries,當時也包括比利時)共有兩百多個要塞化城市與一百五十個大型村落[1]。單從德國城堡來看,中世紀城塞的時態與分布。從無數封建統治小區塊發展出來的上萬城堡群。13世紀時,德國建造了多如繁星的軍事城堡「Burg」。其建設時期、數量、分布的實態,都再再反映著當時仍屬於神聖羅馬帝國的德國土地上細分化的政治狀態。隨著中世紀落幕,城塞也走向終點,轉移至城郭、宮殿的時代。如果我們能跨越「空間地圖」一書中所稱「三千年來西方哲學與神學思想中,最為突出的特色之一即是物質與精神徹底分家的二元論」,或許更能體會城堡實實在在是一種東西(物質),卻不只是東西(物質);的的確確是一種科技(體),卻也不只是一種科技(體)。正如十九世紀英國建築師兼理論家August Pugin說:「建築的歷史就是世界的歷史。」……這裡的「世界」,可能同時是物質的,也同時是精神的。

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激賞科技作家安德魯.布蘭姆寫就《網路到底在哪裡?》一書的著作精神,他將我們已經概知「網路」虛擬化的世界,把線路、海底電纜、路由器、數據中心…這些實體存在的網路要素重新搬回我們對「電腦網路」的認知並占應有「真實」的分量,讓「化虛為實」的探究功夫給人們深刻的印象。我也期待將來有一部將城堡「化零為整」、「以靜連動」的完整專作,此篇像是做個拋磚引玉的引言。

Credit: novofotoo via Flickr
Credit: novofotoo via Flickr

「城裡的人,他們必然也在盼望、尋找、期待、保護和培育某種東西。不然他們圍著什麼建築城牆?你若在一口小井四周築護牆,我在護牆外面造一個湖,你的護牆顯得可笑,不攻自破。你若築城牆保護一個祕密,而我的士兵在城牆四周,高聲把你的祕密喊出來,你的城牆不攻自破,裡面空若無物。」人有兩種本質上的傾向是矛盾卻又相長的,一種是分辨解析,一種是囊括統合。即便在奇幻科幻作品中,這兩種傾向也是交疊的,我們喜歡《星際大戰》、《魔戒》這種神話,因為它愛恨情仇,善惡分明(嚴格來說,黑武士和咕嚕在不同時段的角色設定仍是黑白立斷的),激勵人心;我們又喜歡《銀河英雄傳說》、《冰與火之歌》近乎「寫實」的混雜與殘酷,提醒所謂「陣營」(其他像是國家、名份、立場、主義)絕對不是高明的認同投射與主觀期待!而城堡,洽是這種人類內心與文明矛盾之處的經典顯現,它是一種防禦工事,劃分敵我,確立邊界,也是一種鞏固建築,集合居者,擴展領土。從軍寨、牆塔、樓台、城池到宮殿、要塞,各地各時的城堡為何那麼各異其趣?卻又有那麼多驚人的相應之處?現代,城堡真的消失了嗎?上古、中古世紀的城堡想分隔的是我族與外邦,若將電子網路與國界視為城堡的演替,那它分隔的是什麼?更精準嗎?更合情合理嗎?

在池上正太、ORG的《城堡事典》一書中提到「翻開人類的歷史,戰爭乃是無可避免之事。無論喜好與否,人類在漫長的歷史中經歷過許多戰爭,並從中孕育出諸多事物,為歷史、社會、文化帶來了龐大影響。」「城堡亦是自爭鬥的歷史中所衍生出來,且長期發展的一項存在。它運用了當時最先端的建築技術,進而以實戰中所獲得的經驗為基礎,不停延伸、添加新的變化。殘存至今的城堡與要塞遺跡,正是當時人們的智慧與技術結晶,也是戰鬥的記憶。」

Credit: James Gordon via Flickr
Credit: James Gordon via Flickr

城堡會因其時代文化、技術,以及該片土地上的民族之思考模式而改變型態。它們既是從古至今技術沿革上的演變成果,也是迥異文化融合後的產物,例如11世紀末開始的十字軍東征,為歐洲帶來影響,固若金湯的十字軍城堡(如敘利亞的騎士堡),由東西文化接觸發展出的劃時代築城技術變革。大多數的城堡,都是會變化的。以歐洲城堡的發展形式來說,時空向度上大致可分為下列「演化」階段:

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  1. 土壘內庭式(十一世紀前半:英國/諾曼地區):主要為居住於歐洲的諾曼人所建造的古式城堡。由高約6~12公尺的人造土墩,以及圓形前庭構成。建材使用的是木頭。土敦上是領主的宅邸,或作為瞭望塔使用,前庭則設有供堡內居民居住的房子。
  2. 貝形主樓式(十二世紀後半:英國/諾曼地區):土壘內庭式發展而來,但主樓改為石造。
  3. 矩形主樓式(十二世紀:英國/法國):由於主樓建於堡內中央而擁有更強大的防衛機能。…羅馬人建築的城堡對矩形主樓式具有極大影響。
  4. 愛德華式城堡(十三世紀:英國(威爾斯)/歐洲全境):包括愛德華式城堡在內的同心圓式城堡,是十字軍東征後設計出的新型城堡。
  5. 文藝復興式宮殿(十四~十七世紀:歐洲全境):繼承十三世紀後半的文藝復興思想後誕生的建築物。比起用於戰爭的城堡,此類建築作為領主宅邸或政治據點的功能較強。建築物依對稱形式或黃金比例配置。
  6. 要塞(十五世紀:歐洲全境):為了對抗大砲而產生的新型城堡。堡內設施為了不被大砲擊中而設計得十分低矮,城牆也為了吸收衝擊力而用泥土作為基底,並建造得相當厚實。隨著時代進步,出現名為「稜堡」的防衛設施,大多設置目的是用來環視整座城堡,因此蓋成多角型以消除死角,若自上空俯瞰後來的要塞會是美麗的星形。這是法國的天才築城家沃邦所設計的形式,並逐漸發展成軍事要塞。
Credit: Giuseppe Moscato via Flickr
Credit: Giuseppe Moscato via Flickr

上述各式城堡外郭的防衛設施:內庭、望樓、護城河、壕溝、邊門;建築物及結構:主樓、門樓、屠口、升降閘門、塔樓、胸牆、射口、突堞口、吊橋、稜堡…千變萬化,亂中有序,無一不是當時科技能力與人文偏好的巧妙設計與精闢應用,存活下來、繼續流變的更是彰顯其通過實戰與生活需求的嚴苛驗證。

而嚴格來說,城堡規劃與建築模式的變遷並非直線單向式的,像生物演化、雜交一般,它們(規劃與構築模式,非城堡本身)是錯綜交織的「演化譜系」,例如羅馬駐軍城塞演化出卡爾卡松城與拜占庭、阿拉伯式城堡,後者演化出騎士堡,騎士堡又影響卡爾卡松城的構築,而且其本身也屬於土壘內庭堡的演化分支之一,也再演化成卡菲利城堡、倫敦塔、多佛城堡,卡菲利城堡又再演化為波馬利斯城堡、哈雷赫城堡、康威城堡,而卡那封城堡又由土壘內庭堡與康威城堡共同演化而來…。[2]

亞洲,中國的「萬里長城」天下知名,甚至號稱是在「天外」(太空)都頗為搶眼的文明建物。日本城堡的發展形式大致上,由山城(十二世紀)、平山城(十六世紀)、平城(十六世紀)這樣的時序演變,但外觀和內涵又與西方有著截然不同的風格,但不變的,像櫓與防衛設施,如天守、御三階櫓、長屋、隅櫓、渡櫓、柵欄、石垣、射口、落石口…,林林總總,仍不外是當時科技能力與人文偏好的巧妙設計與精闢應用,在日本戰國歷史中,更有著一夜(築)城、以水淹城的古早「科技戰」。

而在「城堡」的演化史中,「稜堡式築城」的出現是一個它在軍事攻防上重要的轉捩點。1453年,歐洲最大城塞屈服於大砲之日—君士坦丁堡淪陷。鄂圖曼帝國攻佔拜占庭帝國。這不但是文化歷史丕變的一刻,其實也是宣告城堡科技必須浴火重生的一幕,因為在攻城砲的破壞力面前,中世紀舊式城堡根本無力抵抗,而為了要以火砲進行反擊而應急構築起的「稜堡」最後卻使築城技術產生重大的轉變,形成了近代要塞。15世紀末,法國的查理八世率領著有組織的優秀大砲部隊入侵了義大利。被攻擊的義大利各城市雖然都有中世紀的高聳城牆保護,不過石造城牆在大砲的壓倒性威力面前卻陸續遭到破壞。以此為契機,火力對於城堡所佔的優勢已告底定,並迫使中世紀的築城技術必須展開變革。稜堡式要塞開始於此登場,由吸收義大利、荷蘭、德國等各先行國家築城理論的法國築城學派領袖:帕干所設計的要塞,他將各國的方式加以改善,並增設了「堡障」以提高完整性。在法國築城名師佛邦(1633~1707)更讓這樣的築城模式達至登峰造極的境界,之後陸陸續續還有斜堤、覆道、集合場的發明。

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Credit: Sigurd Rage via Flickr
Credit: Sigurd Rage via Flickr

1683年,擋住伊斯蘭侵略的近代要塞實力—維也納包圍戰,攻方為鄂圖曼帝國,守方為哈布斯堡帝國。伊斯蘭國家鄂圖曼帝國馬不停蹄地持續往西方侵蝕,連神聖羅馬帝國的帝都維也納也遭到包圍。不過近代要塞卻粉碎了他們的野心,擊退大軍與大砲的要塞時代就此來臨。這段歷史再次讓我們看到科技很少是獨立發展,城堡科技的演變和火砲發明的進化絕對是息息相關的,更重要的,城堡科技從問題、假設、驗證、典範轉移的「大科技」脈絡明顯易見。

就算只談城堡的軍事角色,演化的故事當然仍未言盡,對付稜堡的攻城術:透過擴大壕溝與堡籃系統試圖解決。1525年帕維亞戰役之後,這些壕溝工事,野戰陣地的構築已經升級成強大的要塞,跟要塞城堡幾乎沒有不同。在攻方工事與火力(尤其火炮的改良)不斷提升的壓力下,軍事城堡繼續相應演化,為改善稜堡式要塞的缺點,曾有蒙塔朗貝爾(誕生於法國的德國學派騎兵少將)的垂直要塞的發明。重視火力的築城思想,多層砲台,攻守合一。因應科技文明、攻擊武器、戰爭型態的不斷改變,總體戰時代的國境防禦以及其極限來臨,發展壕溝戰與永久要塞線,著名齊格菲防線、馬其諾防線等城堡的最終登場,期間搭配地下堡壘、升降式砲塔的發明。看似地上龐大顯眼且有實戰價值的軍事「城堡」從人類歷史消失,但「真實」真是如此嗎?

最欣賞寫作「城堡」主題的作家中,安東尼・聖修伯里一定在我的名單上頭,深刻不失親切,溫馨富含哲理。他寫道:「這樣,從要塞最高的那座塔樓的頂部,我發現要惋惜的不是受苦,不是死在上帝的懷抱裡,不是哀悼本身。因為死者得到人們的悼念,要比生者更顯而易見,更有力。我明白了人的憂患,我惋惜的是人。」更說「宮殿的這種布局,其道理是在其中培養人。帝國的習俗、法律與語言,從本身尋找不出它們的意義。我很明白,把石塊砌在一起,創造的是靜默。靜默不是在石頭中可以發現的。我很明白,有了負擔與束縛,使愛情啟動。我很明白那個分解屍體、給骨頭和內臟秤分量的人,什麼事都一竅不通。因為骨頭與內臟本身毫無用處,書籍中的墨水與紙張也是如此。只有書籍帶來的智慧才是一切,而智慧不包含在墨水與紙張中。…神殿都是用同樣的石頭建成的,可以宣揚愛,也可以宣揚恨。」最後,他透過《要塞》書中的主人翁宣告:「要塞,我要把你建造在人的心坎裡!」

「終究,我們會發覺,這個在我們看來是奇蹟之總和的帝國,其實是無盡的、不成形的廢墟,腐敗的壞疽已經蔓延太廣,連我們的王權也無法治療,戰勝敵國只不過讓我們繼承了他們長久以來的百廢待舉,此後,絕望沮喪的時刻變降臨了。只有在馬可波羅的故事裡,忽必烈汗才能在注定傾頹的城牆與高塔裡,辨別出那倖免於白蟻啃噬的細雕花窗飾。」——伊塔羅・卡爾維諾《看不見的城市

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Credit: Dale Musselman via Flickr
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看著朋友從歐洲旅遊帶回來的「卡爾卡松城」簡介贈書,讓人想起上述這段詩句,會有種想寫下一句:「科學嘲笑歷史!」的衝動。當我構思此篇「城堡」主題時,讀到科學人期刊NO.149的一篇報導:「兩種生活在城市的蜜蜂已經開始利用塑膠碎片築巢。……苜蓿切葉蜂,除了使用一般的的葉子,也會合併使用塑膠購物袋做為築巢材料。而通常會利用植物和樹木的汁液來封住蜂房的風鈴草切葉蜂,也會使用塑膠製品來當做蜂房的材料,有時還會當做蜂房的填塞物。」更讓人激盪出奔放玩味的聯想。城堡的演化錯綜複雜、豐富交疊,但卻是科技內部及其與歷史文化的「巨大整合與展現」,迷因(meme,道金斯《自私的基因》一書所提的文化基因)的具體表現,不若「國邦」、「社群」這類演化那般無形抽象、混雜難解。「看到一堆未經自己努力而成為風景的石子,哪個孩子會歡欣雀躍呢?」也就是說,「城堡」提了許多問題,也給了許多答案!

參考資料

  1. 家的設計史
  2. 戰略戰術兵器事典—歐洲城郭篇

推薦書單

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oeo
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森林學研究所畢業 曾任台大創發社幹部(臉書社團 "創發社CAIV" 召集人 ) 某屆倪匡科幻獎得主 從事教育工作 科學科幻 自然生態 文藝創意 一切"豐富生命"的愛好者...

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解密 Wi-Fi、WLAN、802.11:網路通信的差異與演進
數感實驗室_96
・2024/06/21 ・774字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

在現代社會,如果我們到咖啡廳或其他公共場所,打開筆電坐下來後,通常的第一句話都是「請問這裡有 Wi-Fi 嗎?」。

沒除了 4G、5G 行動通信以外,Wi-Fi 是我們日常生活中常用的上網方式。那麼,Wi-Fi 到底有什麼特點呢?

首先,來解釋一下幾個常見的名詞:Wi-Fi、WLAN、802.11。

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你或許都聽過這些詞,特別是 Wi-Fi,但它們之間有什麼差別呢?

LAN 是 Local Area Network,區域網路的意思。通常指的是像一間網咖這樣的範圍。而 WLAN 就是 Wireless LAN,無線區域網路,這是現在的主流用法。而 802.11,則是專門針對區域網路中無線部分的技術標準。而 Wi-Fi 呢,則可以看作是 802.11 這個技術標準的口語化說法。而 Wi-Fi 的 logo 一黑一白,與太極圖非常相似並非巧合,其 logo 衍生自太極圖,就是想取其相容於任何設備、平台,不管在哪裡都能順利連上網的意象。

有人說 Wi-Fi 在現代已經像空氣、陽光、水和電一樣,成為不可或缺的基本需求。

除了 Wi-Fi 我們還介紹 MIMO 這個關鍵技術,如果對更多技術細節感興趣,或是想聽聽像 Bluetooth 是以國王名字命名的科技小故事,都歡迎在留言告訴我們,期待與你們繼續分享更多有趣的科技知識!

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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我們需要覆蓋率更高的網路!低軌道衛星通訊的好處在哪?臺灣有機會發展自己的「星鏈」嗎?
PanSci_96
・2023/12/04 ・6233字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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要是海底電纜被截斷,馬斯克的星鏈又不幫忙?台灣會不會成為資訊孤島?

近年 SpaceX 不斷發射 Starlink,看起來野心滿滿,多到都成為光害了。

在烏俄戰爭爆發後,Starlink 為烏克蘭提供的不間斷網路服務,更讓全世界看見低軌道衛星通訊的重要性。

通訊戰已經逐漸打到太空,台灣也不遑多讓。今年 11 月 12 日,鴻海與中央大學合作的兩枚低軌道通訊衛星珍珠號,以及成功大學與智探太空合作的立方衛星「IRIS-C2」已經成功升空,三顆衛星都已經取得了聯繫。台灣,也能很快擁有自己的星鏈嗎?我們還欠缺哪些關鍵技術呢?

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什麼是低軌道衛星?它可以取代海底電纜嗎?

在全民都會上網的現代,我們的電腦網路依靠光纖等實體線路,手機、WIFI 通訊則仰賴周遭的基地台,因此只要手機離基地台太遠,就會收不到訊號。未來,這些問題低軌道通訊衛星都能解決。這些在天上快速移動的衛星,只要數量夠多,就能覆蓋整個地球表面。因此不論你是在遠離基地台的深山,甚至是高空中的飛機,都能透過通訊衛星來連線上網。

除此之外,在 5G 通訊逐漸成熟的現在,下一代通訊技術 B5G 追求更快、更低延遲的數據傳輸,也會需要低軌通訊衛星來解決傳統基地台功率與覆蓋性不夠的問題。

但因為人口密集、土地面積小,台灣現在的無線網路服務覆蓋率已經很高了。台灣需要擔心的另一個問題是對外的海底電纜斷裂,使我們與世界失去聯繫手段。

除了要擔心戰爭爆發時敵人為了封鎖台灣消息,而主動破壞電纜以外。台灣周邊的電纜也常因為底拖網、抽砂船作業時被破壞,甚至天災都可能導致電纜被破壞。例如 2006 年恆春地震發生時,高屏海底峽谷就產生海底濁流,也就是海底的土石流。這股海底濁流一衝而下,破壞了呂宋海峽的數條電纜,不只影響了整個東亞以及東亞到美國、英國之間的通訊,包括許多跨國銀行交易。海底電纜斷裂的影響層面非常廣,2006 年恆春電纜斷裂事件發生後,還被聯合國國際減災策略署(ISDR)形容為「現代新型態災難」。

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2006 年恆春地震震央與海底電纜位置。圖/wikimedia

不論海底電纜斷裂的原因會是什麼,我們都需要有充足的準備來應對,而低軌道通訊就是其中的首選。

目前全球有在發展低軌道通訊的不只有 SpaceX 的 Starlink,其他還有 Amazon 的 Kuiper、加拿大的 Telesat 和由美國、歐洲、日本等企業投資的 EutelSat OneWeb 等等。

當然,其中最受矚目的當然還是 Starlink,而且它的發展速度真的有夠誇張。Starlink 在 2020 年才開始在北美提供服務, 去年 4 月我們製作了一集節目在介紹 Starlink,當時就已經總共有 2,000 顆星鏈衛星被發射上太空,服務使用者有 25 萬人。到了今年 8 月,短短又 16 個月經過,在低軌道運行的衛星數量,從兩千顆增加到了 4500 顆,用戶人數從 25 萬人暴增到突破 200 萬人,這肯定是打了針或是吃了藥。當然,訂閱 Starlink 的服務可能需要考慮考慮,但訂閱泛科學頻道,請不要再考慮了,就在這邊,趕快按下去吧! 然後別忘了,SpaceX 的野心,是在天上佈下總計 42000 顆的通訊衛星,大約是現在數量的再十倍,當這個目標達成時,我們的通訊手段可能將迎來天翻地覆的變化。

你可能好奇,這些距離地面遙遠的通訊衛星,能提供多快的上網速度?會不會衛星通訊到頭來只是個噱頭?在光纖電纜的技術進步下,海底電纜的速度確實已經非常快,傳輸速度是低軌衛星的五千到十萬倍左右,這根本是阿烏拉對上芙莉蓮,只有被虐的份啊!

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世界越快心則慢,但網路越慢心更急。Starlink 到底夠不夠用呢?依照 Starlink 實際用戶的實測回饋,雖然星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps,但對於一般消費者來說已經算是能接受的了。尤其對於偏遠地區、研究站的通訊,又或是未來 B5G、6G 物聯網中,與大量自動駕駛汽車、智慧裝置的連動,通訊衛星都將成為可考慮的另類選擇。

星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps。圖/PanSci YouTube

但如果我們未來不想只看馬斯克或是大公司的臉色,勢必需要發展屬於自己的通訊衛星。那麼,發展一顆通訊衛星,需要哪些技術呢?

低軌道有多「低」?低軌道通訊衛星需要哪些技術?

實際上,在低軌通訊衛星出現之前,我們早就有使用衛星進行通訊的經驗,例如衛星電視使用的廣播衛星。然而廣播衛星和低軌道衛星卻有著完全不同的設計邏輯,這是挑戰,也是機遇。

廣播衛星位於地球同步軌道,距離地面約 4 萬 2 千公里,優點是距離地面遠,因此一顆衛星的覆蓋範圍極廣,只要三顆衛星就能覆蓋地球大部分地區。缺點就是距離地面真的太遠了,就算以光速傳遞訊息,來回 8 萬 4 千公里,就有 0.28 秒的延遲,想必沒有人希望用這種速度來上網。 而低軌道衛星,例如 Starlink,就將他們的衛星分布在距離地面 350 至 1500 公里之間,只有地球同步軌道的 120 分之一到 28 分之一的距離和訊號延遲。反過來說,低軌道的優點是延遲短,缺點就是覆蓋面積小,因此才需要那麼多的衛星來覆蓋整個地球。

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再來,在天線的設計上也完全不同。接收廣播衛星訊號的天線,就是我們暱稱為小耳朵的衛星碟形天線,通常設計成凹面鏡的樣子。根據光學原理,平行光入射凹面鏡後,會聚焦在焦點。也就是說,接收器不是圓盤本身,我們會將接收器放置在焦點來接受最強的訊號。除了小耳朵之外,大型電波望遠鏡的設計,也是出於同樣的原理。

Starlink 的做法則不是這樣,因為用戶不只有接收訊息,還需要發送訊息。Starlink 的天線,是一個稱作 Dishy McFlatface 的小圓盤,只是後來變成方形了就是了。當你在自家屋頂或庭院設置了 Dishy,它內建的 GPS 會鎖定自己與附近 Starlink 衛星的位置,並且建立點對點的雙向資料傳輸。

Starlink 的方形天線。圖/PanSci YouTube

重點來了,要做到點對點的傳輸,代表這些電磁波訊號不能再是廣播衛星那種廣發的波狀訊號,而是要聚集到一條又窄、能量密度又高,如同雷射般的筆直路線上。

有在看我們節目的泛糰肯定有印象,這是我們今年第三次提到這個技術了。沒錯,在無線獵能手環還有宇宙太陽能這兩集中,都有遇到需要遠距傳遞電磁波能量或訊號的情況。其實用到的技術都相同,那就是波束成型(Beamforming)。誒,我們都報明牌那麼明顯了,還不趕快找概念股,然後訂閱一下泛科學嗎?

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一般來說,電磁波都會如同水波般向外發散,波束成型會先把一個訊號源拆成數個小訊號源,將這些訊號源排成一排,並且控制大家的相位。在電磁波的互相干涉下,就會形成一條筆直前進的電磁波。你可以想像一群本來正各自單兵作戰的士兵,透過整隊與喊口號將大家都動作同步,那麼這些士兵就會一起筆直地朝一個方向前進。在比較舊的 Dishy 型號中,寬 55 公分的圓形接收器上,裡面共有 1280 個六角型,每個六角形裡面都是一個天線,這些天線在波束成型後,會構成一個筆直、能量又強的電磁波束,與天上的衛星展開通訊。

咦?但衛星一直在動啊,難道天線也要一直追著衛星跑嗎?其實不用,我們只要對這群士兵下向左轉、向右轉的口令就好。例如我們喊向左轉,那只要左邊的士兵步伐放慢,右邊的士兵加快速度,就能完成轉向。同樣的道理,我們只要改變每個訊號源發出訊號的時機,改變每個波的相位,就能讓干涉出的訊號朝向特定角度,而不用機械式的移動天線本身。而能做到這種功能的天線,我們稱為相控陣列天線。

相控陣列天線(Phased array)的工作原理是改變每個訊號源發出訊號的時機和每個波的相位,讓干涉出的訊號朝向特定角度。圖/wikimedia

知道了地面天線如何和低軌道通訊衛星取得聯繫後,還沒完。這些丟出去的指令,衛星收到了沒錯,但如果你想要連上網際網路,最終這些訊號還是要能連上有線網路。

在星鏈 1.0 時,每顆 Starlink 衛星都是單獨運作,衛星在接收地面天線發出的訊號後,會傳遞到附近的地面接收站 Gateways,接著 Gateways 一樣會走光纖電纜的方式與網際網路連接,讓用戶得以上網。地面接收站一般設有 9 個雷達天線,每個直徑 2.86 公尺。衛星本體,例如 Starlink 2.0 上,則配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。

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然而,這樣的設計限制了 Starlink 的服務,因為這代表地面接收站與你的天線,必須同時在同一顆衛星的訊號範圍內。但是低軌衛星的覆蓋範圍又不大,一個地面站只能照顧方圓 800 公里內的用戶。因此如果你家附近沒有地面接收站,抱歉,你還是收不到訊號的。如果你在廣闊的大海上,就更不用想了。再來,就算 Starlink 提供全台灣的無線網路服務,但如果這個地面接收站就設置在台灣,那麼當台灣的對外海底電纜斷了,就一樣回天乏術,星鏈的設置可說是毫無價值。

Starlink 2.0 上配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。圖/PanSci YouTube

SpaceX 當然也想擺脫地面接收站的束縛,況且如果到了海上就收不到訊號,那可遠遠無法稱上「全球通訊」。因此到了 Starlink 2.0 時,衛星間通訊技術 LISL (Laser Inter Satellite Link) 全面安裝到了衛星上,藉由衛星間的通訊,取代海底電纜的作用,進行跨地區的通訊服務。你看,現在不只海底有資訊高速公路,在天上也出現了網路任意門。比起過去衛星間使用的無線電傳輸,使用 LISL 技術的衛星與衛星之間,用的是雷射。雷射傳訊不僅頻寬較寬,因為光在真空中的速度是最快的,比在光纖中還快。因此與海底電纜相比,傳輸速度反而有可能更快,衛星間的雷射通訊技術,也成為目前太空研究領域中非常重要的一環。

在通訊研究中,除了硬體技術的革新外,另一個最大的問題是,如此龐大的星鏈星座網路該怎麼設計?如何選擇地面天線要與哪個衛星通訊?每個衛星該攜帶多少個雷射發射器與接收器?資料傳輸要經過幾個衛星,才不會因為過多的路由,造成網路延遲飆升。哇~諸如此類的網路設計難題,都是因應通訊衛星而生的新型態網路結構所需面對的課題。而當這些問題被解決,那麼 Starlink 將真正全面擺脫地面接收站,並且能向地球上任何一個角落提供不受限的網路服務。

台灣的低軌道通訊衛星

根據中央社報導,台灣和 SpaceX 從 2019 年開始就展開嘗試性商談,但至今仍未能談妥。今年 11 月 14 日,中華電信成功與另一家公司簽署了台灣低軌衛星的獨家代理合約。這間搶在 SpaceX 之前簽約的公司,就是前面也提到過的 Eutelsat OneWeb。相較於 SpaceX 已經發射升空的 Starlink 大約有 4500 顆,Eutelsat OneWeb 現在的低軌衛星數量大約有 600 顆。台灣的目標,則是在 2024 年底前,布建國內 700 個、國外 3 個非同步軌道衛星的終端設備站點、以及 70 個將資訊候傳的設備站點,建構能完整覆蓋全台的衛星通訊。

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除了與現有的低軌道通訊服務公司簽約外,在打造自製台版星鏈的道路上,也傳來令人振奮的消息,就在簽約的兩天前,11 月 12 日,由中央大學與鴻海科技集團共同研發的珍珠號 PEARL-1C 和 PEARL-1H,兩顆立方衛星升空,並且與地面取得聯繫。搭載的儀器除了中央大學的電離層探測儀之外,還包含了 Ka 頻段的通訊酬載以及剛剛介紹的相控陣列天線,希望能為台灣自製的低軌道衛星通訊打下基礎。

國家太空中心則預計在 2026 年,將第一顆低軌通訊衛星送入太空,2028 年發射第 2 顆。希望能推動 B5G 的發展,並成為發展台版星鏈的敲門磚。

目前台灣的太空領域,許多的技術都正在發展、測試階段。除了這集提到的相控陣列天線、衛星間通訊技術,還有這集還來不及提到的長時間航行的充電問題、姿態校正問題,甚至是未來自行發射衛星的所需要的火箭科技,都需要一步步來解決、實踐。而且根據太空中心估計,至少要擁有 120 顆低軌道通訊衛星,才能確保全台 24 小時的通訊都不間斷,要達成這個艱鉅的任務,我們還有好多路要走,好多衛星要升空。

但千里之行,始於足下,千星之鏈,始於發射架。從福衛系列衛星到獵風者衛星,台灣的太空路線越來越鮮明,也讓人期待包括火箭、衛星到通訊技術的未來發展。

這集我們以 Starlink 為例,詳細的介紹了低軌通訊衛星的重要性,以及需要面對的技術突破。

也想問問大家,你覺得未來低軌通訊衛星,會如何改變網路市場呢?

  1. 衛星通訊成為常態,到哪都可以上網,等等這代表不管去哪都無法以網路不穩當藉口了嗎?可惡!
  2. 衛星通訊只是壁花配角,有線的海底電纜終究是主流
  3. 先等等,衛星競爭太激烈,衛星都比星星還要多了,真的不會在天上發生連環車禍嗎?

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