太空競爭時代誰將會是贏家
2021/10/29
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作者 台北福星社 曲建仲Hightech
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廿一世紀將為太空競爭時代拉開序幕，馬斯克的SpaceX公司預計未來在地球上空部署12,000顆通訊衛星稱為「星鏈計畫(Starlink)」，在2019年6月發射第一枚火箭一次載運60顆衞星升空並且成功進入軌道，接著在2020年6月成功實驗回收火箭技術再次創造話題，英國新創公司OneWeb順利發射首批6顆互聯網衛星，未來計畫部署650顆衛星打造「星座(constellation)」，加拿大Telesat公司預計發射512顆衛星，Amazon公司也開始了「柯伊伯計畫(Project Kuiper)」預計發射3,200個衛星提供物聯網服務，到底衛星通訊有哪些優點？在使用上又有哪些限制呢？
什麼是「通訊衛星」？
所謂的通訊衛星，就是把架設在地面大樓屋頂的基地台移到太空中，優點是訊號覆蓋範圍大，幾乎可以傳送到世界的任何一個角落，主要分為三類：
同步軌道衛星(GEO: Geostationary Earth Orbit)：距離地面35,786公里與地球同步運轉的衛星，傳送距離較遠，延遲時間大約250毫秒(ms)，由於高度夠高只需要3顆衛星就可以覆蓋大部分地區。
中軌道衛星(MEO: Medium Earth Orbit)：距離地面2,000公里到35,786公里之間的軌道，延遲時間大約100毫秒(ms)，目前主要是導航衛星使用，包括美國的全球衛星定位系統(GPS)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(Glonass)、中國大陸的北斗衛星(Beidou)等，大約需要20顆衛星才能覆蓋大部分地區。
低軌道衛星(LEO: Low Earth Orbit)：距離地面2,000公里以下，由於距離地面較近，延遲時間大約20毫秒(ms)，目前大多數是觀測衛星、量測衛星，以及一些新的通信衛星使用，距離地面2,000公里大約需要5,000顆衛星，距離地面500公里大約需要10,000顆衛星才能覆蓋大部分地區。SpaceX公司的星鏈計畫衛星高度大約400公里，因此需要12,000顆衛星。
這幾年的通訊衛星有那些進步？
1990年代Motorola公司發起的「銥計畫」到2000年破產倒閉，為什麼這幾年又有許多廠商重啟通訊衛星計畫，主要是這幾年火箭運載能力突破使得發射衛星的成本大幅下降，再加上微型衛星成為主流，不但造價較低而且火箭單次就能投放大量衛星，再加上火箭回收技術實驗成功，可以節省火箭發射成本。此外，射頻元件與天線技術的突破，使得衛星通訊的效能比起20年前進步許多，「高通量衛星(HTS：High Throughput Satellite)」技術的突破，更使得目前一顆衛星可以支援超過10Gbps的資料傳輸率，星鏈計畫的衛星號稱可以達到20Gbps，就是因為這些進步使得SpaceX公司有了說服投資人的機會。
「通訊衛星」會取代地面基地台嗎？
通訊衛星雖然具有覆蓋範圍大的優點，但是缺點也不少，例如：在外太空故障維修困難；所有的衛星都有使用壽命，低軌道微型衛星一般由於攜帶燃料較少而且運行速度較快因此壽命較短，一般大約3-5年；由於距離遠所以延遲時間長（使用者做出觸發動作與得到回應的時間），即使低軌道衛星也要大約20毫秒，比起5G的1毫秒長得多；此外訊號要從手機傳送到500公里的衛星要比5公里的地面基地台耗電得多，因此行動衛星電話需要大電池體積較大；通訊衛星大部分使用Ka與Ku頻段的電磁波，頻率大約10-30GHz，這個頻率的電磁波繞射特性差，不容易繞過障礙物，因此室內無法接收，一般以地面接收站或屋頂的碟型天線接收以後，再轉送到行動裝置比較可行，所以通訊衛星主要是做為兩個地面站之間的連線，而不是和手機直接通訊，因此「絕對不可能」取代地面基地台。
某些深山或鄉村人煙稀少拉光纖的效益太低，例如：在玉山頂上如果要建置一個5G基地台，要拉一條光纖上山，但是使用者明明就很少，該怎麼辦呢？最簡單的方式就是在骨幹網路與玉山頂上各建置一個地面接收站，利用通訊衛星連接兩端，這樣比拉一條光纖還便宜，這樣的應用場景在台灣很少，在美國、澳洲等地廣人稀的國家比較多，不過這能有多大的市場能賺多少錢就要再仔細研究了！要特別注意，如果玉山頂上用戶很少那使用衛星才比較便宜，如果玉山頂上用戶很多那拉光纖還是比較便宜，為什麼大家可以自行思考一下？要從傳送每一個位元(bit)的成本去考量。
星鏈計畫的戰略意義大於商業價值
事實上從商業的角度，星鏈計畫的衛星主要就是取代傳統的中軌道衛星，搶食現有的衛星通訊市場，由於舊衛星的發射與維修成本高，會漸漸被星鏈計畫的衛星取代，就讓我們拭目以待吧！但是從戰略的角度，現在中軌道的衛星愈來愈擠了，只有低軌道還空著，因此世界各國「先搶先贏」，如果從這個角度去思考就不必考慮成本的問題了！
當然，我們前面討論的都是「最近的未來(Nearly future)」，遙遠的未來很難評估，或許有一天我們出國搭的飛機都是無人機，那就真的要靠星鏈計畫的衛星大顯身手了！要注意，我是說跨國無人機，不是地面上的無人車，城市裡的無人車還是得靠地面基地台才行！或許還有一些未來世界的創新應用我們還沒想到，大家可以一起來腦力激盪一下。
除了衛星通訊還有太空旅遊
從2021年開始陸續有不同的公司達成太空旅遊的計畫，首先是維珍銀河(Virgin Galactic)取得了商業太空旅行服務許可，創辦人布蘭森(Richard Branson)也已乘坐團結號飛船(VSS Unity)體驗了一場太空之旅，同時亞馬遜創辦人貝佐斯(Jeff Bezos)也已搭乘新雪帕德號飛船(New Shepard)去宇宙邊緣走一回，甚至太空探索(SpaceX)目標是降低太空運輸的成本，並且在不久的將來進行火星
殖民。
根據市場研究機構Market Study的預測，全球太空旅遊市場將以15.6%的複合年均成長率，在2025年達到14億美元，企業紛紛爭奪太空旅行商機，其中維珍銀河(Virgin Galactic)與藍色起源(Blue Origin)計畫提供的屬於「次軌道太空旅遊」，只是到地球表面的軌道上走一回，可以俯瞰地球並且漂浮在太空船裡，體驗一下短暫無重力的感受，算是技術門檻較低、價格相對便宜的太空旅行方式，維珍銀河販售的太空旅行船票一張25萬美元，目前已經預先售出逾600張，顯然有錢人對這樣的體驗樂此不疲。
此外，太空探索(SpaceX)計畫在2023年啟動繞行月球之旅，這個必須離開地球表面的軌道，才真正是太空之旅，如果覺得太空之旅太不切實際，那太空船或許也可以用來顛覆傳統飛機的長途運輸模式，馬斯克就曾經想像，未來推出的星艦(Starship)從紐約抵達上海只需要40分鐘，因此太空飛行可以取代一部分長途飛行的需求，瑞銀估計如果未來有5%長途旅行改用太空運輸，以單乘費用2,500美元計算，一年將會有超過200億美元的商機，所以您也想要來一趟太空之旅嗎？
作者為台灣大學電機博士、政治大學科技管理與智慧財產研究所兼任助理教授