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低軌道衛星將為海上通訊帶來全新應用視野
產業化+模組化

【作者: 丘燕】   2021年08月26日 星期四

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每天利用手機查看各種訊息、新聞、追劇已經成為日常生活,甚至對網速及低價格的追求,無法想像沒有行動網路的生活。試想如果每天限制只能使用一小時的上網服務,而且訊號不穩定,更不用說想觀看YouTube,你可以忍受多久?


這些日常的隨時連網生活,對船上的船員而言,卻不是那麼理所當然,船上生活彷彿與世隔絕,還必須忍受枯燥的海洋環境,似乎比我們更需要網路與外界連結。儘管後來船員已可以購買無線網路卡,但價格高昂,訊號也不穩定,一直要到近幾年,船東透過船上裝設衛星網路天線,提供船員在海上上網的服務,情況才逐漸改善。


但實務上,雖然船員使用海上連網較以前改善許多,但仍存在許多使用上的限制。先假設船東願意提供船員福利,在船上裝設天線並釋放給船員使用,但連網速度慢、流量管制,或者只能是文字通訊軟體才能使用等,即使提供船員可自行購買更多流量,但價格也不便宜,而且可能航行到部分海上區域時,會沒有訊號。


衛星是唯一的基地台 海上網路架設不易

究竟海上上網為何如此困難?這跟存在已久的船員短缺問題可能也息息相關,因為如果可以克服無線上網的問題,或許就可以提高船員上船的意願,而希望公司可以提供無限度的上網,應該是所有船員的心聲。


海上網路是透過衛星上網設備進行衛星通訊,衛星通訊是利用衛星中的轉發器作為中繼,將電波放大後,再反射或轉發放大無線電訊號發射到地面,達到兩站或多站間的通訊。


所以簡單來說,可以想像衛星通訊,就是把通訊基地台從地面移到太空,讓訊號範圍涵蓋更廣,因此衛星通訊具有覆蓋範圍廣、可通訊距離遠、不受地形限制等優點,可非常有效解決目前地面有線及無線網路無法達到區域,補足地面光纖無法到達的區域,所以當船隻和航空器因離地無法利用有線通訊時,衛星通訊即可補足其不足。


提供衛星通訊的基地台-通訊衛星,可按照其運行軌道高度分為三類,包括同步軌道(Geostationary Earth Orbit;GEO)、中軌道(Medium Earth Orbit;MEO)和低軌道(Low Earth Orbit;LEO)等三種。


同步軌道衛星多用於通訊、天氣和國防,其運行軌道距離地球約3.57萬公里,運行方向與地球自轉方向相同,繞行一圈約需24小時,等同於地球自轉週期,如果從地表觀測站看上去就像靜止不動。


其次中軌道衛星,顧名思義其距離地球表面較近,落在0.2~3.57萬公里之間,主要用於導航衛星系統,例如美國全球衛星定位系統(GPS)和中國北斗衛星(Beidou)。


而最後距離地球地面僅0.06~0.2萬公里之間的低軌道衛星,在馬斯克於2015年提出SpaceX將推動「星鏈計劃」(Starlink)後,已是當前最熱門的話題之一,LEO衛星可用來蒐集地表大數據外,也做新型通訊衛星系統之用。



圖一 : 海上網路是透過衛星上網設備進行衛星通訊,衛星通訊是利用衛星中的轉發器作為中繼,將電波放大後,再反射或轉發放大無線電訊號發射。(source: pexels-fatih-turan)
圖一 : 海上網路是透過衛星上網設備進行衛星通訊,衛星通訊是利用衛星中的轉發器作為中繼,將電波放大後,再反射或轉發放大無線電訊號發射。(source: pexels-fatih-turan)

低軌道衛星產業化 科技巨擘爭相搶佔

LEO衛星因離地球表面較近,相對於其他衛星而言,與地球間訊號較強,也能減少訊號傳遞的延遲時間,但也因距離越地球越近,繞地球一周的時間越短,需要大量衛星,才能滿足隨時都有一顆衛星來進行通訊,使得低軌道衛星需透過大量製造小型衛星,朝「星系化」趨勢發展,且由於每顆衛星使用壽命約為5~7年,此後每年都需持續製造和發射新的微型衛星來進行汰換,才能維持衛星系統的良好運作。


目前全球著名推動LEO通訊衛星星系計畫,除SpaceX推出Starlink星鏈計畫外,Amazon旗下Blue Origin公司提出 Kuiper 計畫,規劃將發射約3200個LEO網路衛星,並於上個月傳出已於4月收購臉書衛星網路部門,加速其LEO聯網計畫。


此外專門負責設計和製造星座衛星的OneWeb,目前已發射254顆衛星,將為高緯度區域,如阿拉斯加、北歐、格陵蘭和北極地區,提供高速網路服務。加拿大衛星通訊公司Telesat也積極投入LEO項目,預計於2022年開始提供網路服務。


LEO衛星在短時間內造成一股炫風,受惠於火箭發射成本的大幅降低。許多公司看好LEO衛星帶動大量發射微型衛星的需求商機,積極投入研發微型衛星的發射載具,火箭發射能力的高度突破,大幅降低了發射成本。以SpaceX為例,因成功開發可回收的火箭,加上每次可發射的衛星量持續上升,今年初破紀錄一次成功發射143科微型衛星,據報導當前SpaceX火箭每公斤發射成本最低只要1,410美元。


要大量部屬軌道衛星,就得仰賴體型重量較小的微型衛星,當前微型衛星重量約100公斤以下,奈米衛星更是僅約幾10公斤重量。由於微型衛星或奈米衛星的製造成本低,技術門檻較低,讓越來越多資金投入這個產業。


衛星走向模組化與標準化 台灣切入機會看漲


圖二 : 台灣的衛福七號也是低軌道衛星,是由台灣設計,近40家業者投入。(source:科技部)
圖二 : 台灣的衛福七號也是低軌道衛星,是由台灣設計,近40家業者投入。(source:科技部)

衛星本體未來將走向模組化及標準品的趨勢,且提到奈米衛星使用年限低,需有長期且穩定供貨能力來支撐,也讓台灣廠商有機會切入LEO需求供應鏈,積極在衛星產業展開布局。


整體衛星營收市場中,大致可分為地面接受設備、通訊服務、衛星製造及衛星發射服務等,根據估計其中地面接收設備領域,營收約佔整體市場近五成,而台灣廠商因在地面接收設備元件的發展較成熟,在此一領域具有高度競爭力,扮演元件供應商角色,包括提供小型衛星地面站(VSAT)設備,如天線、高頻無線通訊模組、機組構件、電源供應器等元件,也因相較於提供家中基地台,衛星運作的太空環境條件更為嚴苛,可創造的附加價值也越高。


另在衛星製造領域上,也有半導體封測及衛星晶片等廠商,積極切入製造供應鏈中。如果通訊服務能順利展開,隨著用戶增加,對終端需求上升,未來商機無限。


低軌道衛星通訊不受地形限制的優勢,提高網路覆蓋率,為當前發展智慧航運如無人船或智慧船舶,關鍵且根本須先解決的通訊問題提供良好的解決方案,今年初由IBM與海研組織Promare開發號稱AI船長的自駕船-五月花號,與法國達利斯集團(Thales Group)合作,利用銥星通訊公司推出的銥星系統(Iridium Certus),在運行過程中即時監控AI系統。


看似前景可期的衛星通訊,但太空競賽是個耗時耗資的產業,以去年受到新冠疫情影響,宣布破產的Oneweb,最終被英國政府與印度財團標,但對衛星通訊服務提供商而言,未來仍有許多難題需克服。


先是成本定價問題,星鏈計畫在去年提供初始beta服務,開放大眾申請,用戶需花499美元買衛星天線連接衛星,每個月再付99美元Wi-Fi服務費,從部分市場滿意度調查結果顯示,即使目前設備定價其實並不符成本,SpaceX自身負擔了2/3成本,但對美國偏遠地區所得相對較低的居民來說,此安裝費用跟費率價格仍然不低,但要吸引住在都市的人似乎更不可能。同樣的價格及網速,還不如使用光纖網路,也因此SpaceX希望搶食機上Wi-Fi市場,目前已向美國政府申請星鏈設備安裝到移動式地面站,也正在與幾家航空公司洽談,提供機上Wi-Fi網路服務。


但在提供海空通訊服務市場領域,還必須面對老牌衛星服務提供商競爭,這些過去使用同步衛星提供通訊服務的公司,也開始投入部署低軌道衛星,例如英國衛星通訊公司Inmarsat在上個月,即宣布將發射一組LEO衛星,並與5G行動衛星和其現有的地球同步軌道(GEO)衛星相結合,為客戶提供更廣和更高效能的通訊能力。


結語

對消費者而言,尤其是船員來說,能夠在海上自由使用網路將會是一大福音。受惠於低軌道衛星通訊的普及,未來海上通訊環境可望大幅改善。低軌道衛星通訊可為未來通訊,實現其全領域網路概念,填補了現在無線通訊網路無法到達的區域,達到陸海空的全面覆蓋。


*刊頭圖(source: pexels-spacex)


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