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低轨道卫星将为海上通讯带来全新应用视野
产业化+模组化

【作者: 丘燕】2021年08月26日 星期四

浏览人次:【1247】
  

每天利用手机查看各种讯息、新闻、追剧已经成为日常生活,甚至对网速及低价格的追求,无法想像没有行动网路的生活。试想如果每天限制只能使用一小时的上网服务,而且讯号不稳定,更不用说想观看YouTube,你可以忍受多久?


这些日常的随时连网生活,对船上的船员而言,却不是那麽理所当然,船上生活彷佛与世隔绝,还必须忍受枯燥的海洋环境,似??比我们更需要网路与外界连结。尽管後来船员已可以购买无线网路卡,但价格高昂,讯号也不稳定,一直要到近几年,船东透过船上装设卫星网路天线,提供船员在海上上网的服务,情况才逐渐改善。


但实务上,虽然船员使用海上连网较以前改善许多,但仍存在许多使用上的限制。先假设船东愿意提供船员福利,在船上装设天线并释放给船员使用,但连网速度慢、流量管制,或者只能是文字通讯软体才能使用等,即使提供船员可自行购买更多流量,但价格也不便宜,而且可能航行到部分海上区域时,会没有讯号。


卫星是唯一的基地台 海上网路架设不易

究竟海上上网为何如此困难?这跟存在已久的船员短缺问题可能也息息相关,因为如果可以克服无线上网的问题,或许就可以提高船员上船的意愿,而希??公司可以提供无限度的上网,应该是所有船员的心声。


海上网路是透过卫星上网设备进行卫星通讯,卫星通讯是利用卫星中的转发器作为中继,将电波放大後,再反射或转发放大无线电讯号发射到地面,达到两站或多站间的通讯。


所以简单来说,可以想像卫星通讯,就是把通讯基地台从地面移到太空,让讯号范围涵盖更广,因此卫星通讯具有覆盖范围广、可通讯距离远、不受地形限制等优点,可非常有效解决目前地面有线及无线网路无法达到区域,补足地面光纤无法到达的区域,所以当船只和航空器因离地无法利用有线通讯时,卫星通讯即可补足其不足。


提供卫星通讯的基地台-通讯卫星,可按照其运行轨道高度分为三类,包括同步轨道(Geostationary Earth Orbit;GEO)、中轨道(Medium Earth Orbit;MEO)和低轨道(Low Earth Orbit;LEO)等三种。


同步轨道卫星多用於通讯、天气和国防,其运行轨道距离地球约3.57万公里,运行方向与地球自转方向相同,绕行一圈约需24小时,等同於地球自转周期,如果从地表观测站看上去就像静止不动。


其次中轨道卫星,顾名思义其距离地球表面较近,落在0.2~3.57万公里之间,主要用於导航卫星系统,例如美国全球卫星定位系统(GPS)和中国北斗卫星(Beidou)。


而最後距离地球地面仅0.06~0.2万公里之间的低轨道卫星,在马斯克於2015年提出SpaceX将推动「星链计划」(Starlink)後,已是当前最热门的话题之一,LEO卫星可用来搜集地表大数据外,也做新型通讯卫星系统之用。



图一 : 海上网路是透过卫星上网设备进行卫星通讯,卫星通讯是利用卫星中的转发器作为中继,将电波放大後,再反射或转发放大无线电讯号发射。(source: pexels-fatih-turan)
图一 : 海上网路是透过卫星上网设备进行卫星通讯,卫星通讯是利用卫星中的转发器作为中继,将电波放大後,再反射或转发放大无线电讯号发射。(source: pexels-fatih-turan)

低轨道卫星产业化 科技巨擘争相抢占

LEO卫星因离地球表面较近,相对於其他卫星而言,与地球间讯号较强,也能减少讯号传递的延迟时间,但也因距离越地球越近,绕地球一周的时间越短,需要大量卫星,才能满足随时都有一颗卫星来进行通讯,使得低轨道卫星需透过大量制造小型卫星,朝「星系化」趋势发展,且由於每颗卫星使用寿命约为5~7年,此後每年都需持续制造和发射新的微型卫星来进行汰换,才能维持卫星系统的良好运作。


目前全球着名推动LEO通讯卫星星系计画,除SpaceX推出Starlink星链计画外,Amazon旗下Blue Origin公司提出 Kuiper 计画,规划将发射约3200个LEO网路卫星,并於上个月传出已於4月收购脸书卫星网路部门,加速其LEO联网计画。


此外专门负责设计和制造星座卫星的OneWeb,目前已发射254颗卫星,将为高纬度区域,如阿拉斯加、北欧、格陵兰和北极地区,提供高速网路服务。加拿大卫星通讯公司Telesat也积极投入LEO项目,预计於2022年开始提供网路服务。


LEO卫星在短时间内造成一股炫风,受惠於火箭发射成本的大幅降低。许多公司看好LEO卫星带动大量发射微型卫星的需求商机,积极投入研发微型卫星的发射载具,火箭发射能力的高度突破,大幅降低了发射成本。以SpaceX为例,因成功开发可回收的火箭,加上每次可发射的卫星量持续上升,今年初破纪录一次成功发射143科微型卫星,据报导当前SpaceX火箭每公斤发射成本最低只要1,410美元。


要大量部属轨道卫星,就得仰赖体型重量较小的微型卫星,当前微型卫星重量约100公斤以下,奈米卫星更是仅约几10公斤重量。由於微型卫星或奈米卫星的制造成本低,技术门槛较低,让越来越多资金投入这个产业。


卫星走向模组化与标准化 台湾切入机会看涨


图二 : 台湾的卫福七号也是低轨道卫星,是由台湾设计,近40家业者投入。(source:科技部)
图二 : 台湾的卫福七号也是低轨道卫星,是由台湾设计,近40家业者投入。(source:科技部)

卫星本体未来将走向模组化及标准品的趋势,且提到奈米卫星使用年限低,需有长期且稳定供货能力来支撑,也让台湾厂商有机会切入LEO需求供应链,积极在卫星产业展开布局。


整体卫星营收市场中,大致可分为地面接受设备、通讯服务、卫星制造及卫星发射服务等,根据估计其中地面接收设备领域,营收约占整体市场近五成,而台湾厂商因在地面接收设备元件的发展较成熟,在此一领域具有高度竞争力,扮演元件供应商角色,包括提供小型卫星地面站(VSAT)设备,如天线、高频无线通讯模组、机组构件、电源供应器等元件,也因相较於提供家中基地台,卫星运作的太空环境条件更为严苛,可创造的附加价值也越高。


另在卫星制造领域上,也有半导体封测及卫星晶片等厂商,积极切入制造供应链中。如果通讯服务能顺利展开,随着用户增加,对终端需求上升,未来商机无限。


低轨道卫星通讯不受地形限制的优势,提高网路覆盖率,为当前发展智慧航运如无人船或智慧船舶,关键且根本须先解决的通讯问题提供良好的解决方案,今年初由IBM与海研组织Promare开发号称AI船长的自驾船-五月花号,与法国达利斯集团(Thales Group)合作,利用??星通讯公司推出的??星系统(Iridium Certus),在运行过程中即时监控AI系统。


看似前景可期的卫星通讯,但太空竞赛是个耗时耗资的产业,以去年受到新冠疫情影响,宣布破产的Oneweb,最终被英国政府与印度财团标,但对卫星通讯服务提供商而言,未来仍有许多难题需克服。


先是成本定价问题,星链计画在去年提供初始beta服务,开放大众申请,用户需花499美元买卫星天线连接卫星,每个月再付99美元Wi-Fi服务费,从部分市场满意度调查结果显示,即使目前设备定价其实并不符成本,SpaceX自身负担了2/3成本,但对美国偏远地区所得相对较低的居民来说,此安装费用跟费率价格仍然不低,但要吸引住在都市的人似??更不可能。同样的价格及网速,还不如使用光纤网路,也因此SpaceX希??抢食机上Wi-Fi市场,目前已向美国政府申请星链设备安装到移动式地面站,也正在与几家航空公司洽谈,提供机上Wi-Fi网路服务。


但在提供海空通讯服务市场领域,还必须面对老牌卫星服务提供商竞争,这些过去使用同步卫星提供通讯服务的公司,也开始投入部署低轨道卫星,例如英国卫星通讯公司Inmarsat在上个月,即宣布将发射一组LEO卫星,并与5G行动卫星和其现有的地球同步轨道(GEO)卫星相结合,为客户提供更广和更高效能的通讯能力。


结语

对消费者而言,尤其是船员来说,能够在海上自由使用网路将会是一大福音。受惠於低轨道卫星通讯的普及,未来海上通讯环境可??大幅改善。低轨道卫星通讯可为未来通讯,实现其全领域网路概念,填补了现在无线通讯网路无法到达的区域,达到陆海空的全面覆盖。


*刊头图(source: pexels-spacex)


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