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創辦人談衛星 7/從大到小、從訂製到模組化,電腦與衛星神似的發展歷程

低軌衛星示意圖。(美聯社)
低軌衛星示意圖。(美聯社)

本文共2382字

作者 李中旺

由於半導體技術的不斷進步,讓電腦從泛用的大型主機,一路發展到迷你電腦、個人電腦、乃至於針對特殊應用的微處理單元(MPU)、和無所不在的嵌入式的微控機單元(MCU)。

衛星的發展非常類似。從成本為數十億美元的多功能同步軌道衛星(GEO),一路發展到成本不到百萬美元500公斤以下的小衛星(Small Sat)、立方衛星(Cube Sat)、和皮衛星(Pico Sat)等。除了半導體技術使得衛星的成本、體積、重量、與發射費用持續降低之外,衛星因應太空的特殊應用環境功能,其功能也在化繁為簡、化整為零,任務愈來愈單純。

有一點和電腦發展歷史不同的是:由於大型同步軌道衛星在太空中具有位置的優勢,仍然可以持續發揮功能,短期間不至於被小衛星群淘汰。

積木化的衛星設計

衛星系統可以再細分為下列的子系統:

1.結構子系統。為整顆衛星提供機械支撐,讓衛星能夠承受發射的壓力和惡劣的太空環境。

2.電源子系統。由太陽能板將陽光轉化為電能,儲存在電池,並將電力分配給衛星各個子系統使用。

3.姿態判定與控制子系統。可保持衛星在太空中的方向和位置,確保天線、感測器和太陽能電池板的指向正確。

4.熱控制子系統。調節衛星的溫度,保護電子敏感設備和其他組件,以免受到極端溫度波動的影響。

5.推進子系統。能維持與改變衛星軌道。根據任務要求,推進可以使用化學、電力、或其他推進技術。

6.通訊子系統。由天線、發射器和接收器組成,執行「星與地」之間以及「星與星」之間的通信。

不論衛星要執行什麼任務,這些必要的子系統組成了平台(Platform),稱之為衛星巴士(Satellite Bus),衛星巴士搭載上不同的應用酬載(Payload),再加上應用軟體,就組成了一顆功能完整的衛星。

積木化衛星平台與酬載的市場崛起

這些年來,領頭的衛星製造公司為了降低製造的成本和縮短開發時間,已經將這些子系統發展出不同尺寸的模組與標準介面。想要擁有衛星,從市場上購買這些平台和模組回來,再加以整合就好。因此,衛星的製造從設計整顆衛星,開始向「堆積木」的方式移動。提供這些組件的公司有:

1.Northrop Grumman:

提供ESPAStar衛星製作平台,透過標準介面搭配6種酬載模組。[1]

2.洛克希德馬丁:

提供快速部署各種太空任務的LM400平台。[2]

3.波音:

提供「702平台」,已經為各個不同領域的客戶發送了超過50個衛星。[3]

4.Surrey Satellite Technology Limited (SSTL):提供12U觀測用立方衛星,與8U通信用立方衛星的平台。[4]

5.Sierra Nevada Corporation:

提供不同應用的SN-200、SN-100和SN-1000 衛星平台。[5]

6.…(還有很多)。[6]

市場上對衛星平台產值的持續增長具有共識。大多預測每年有5%到6%的成長率,在2030年可以到達200億美元左右的規模。[7] [8]

成也積木、敗也積木

衛星小型化,加上設計、製作與發射成本的縮減,讓發射衛星的門檻大幅降低。衛星不再限制在政府和軍事單位使用,學校、研究機構、企業,乃至於個人,都可以用買模組、組衛星、委託發射的方式擁有衛星。一時之間,全球掀起了發射衛星的高潮。

然而一般較小的民間單位畢竟不具備政府或大衛星公司的經驗,設計也許不夠周延,測試也不夠嚴謹,導致小型衛星的失敗率偏高。根據NASA在2019年針對2000~2016年間小型衛星任務失敗率的報告:

第一段時期2000~2008年,小衛星發射失效率為28.6%。

第二段時期2009~2016年,小衛星發射失效率「不減反增」,到42.6%。

全期2000~2016年,小衛星發射失效率是41.3%。幾乎是每發射兩顆衛星就有一顆失效。[9]

科技愈進步,為什麼衛星失效率反而愈高?NASA推估是因為在第二段時期積木化的設計比較成熟,較小的民間單位不約而同的買模組來堆疊衛星,不夠嚴謹的規劃讓良率每下愈況。看起來,要讓積木化衛星大放異彩,還需要一點時日。

相對的,2019年開始到2024年1月29日為止,SpaceX的星鏈發射了5806顆衛星,其中有424顆失效或偏離軌道,良率達92.7%[10]。這個數據顯示星鏈的衛星技術確實比較成熟。

大部分失效的小衛星會在大氣中焚毀,但在過程中也有可能碰撞到其他的火箭或衛星而造成災難。

附註:

[1] https://www.northropgrumman.com/space/espastar

[2] https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/lm400.html

[3] https://www.boeing.com/space/boeing-satellites#overview

[4] https://www.sstl.co.uk/what-we-do/satellite-platforms

[5] https://www.sstl.co.uk/what-we-do/satellite-platforms

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_bus

[7] https://www.alliedmarketresearch.com/satellite-bus-market-A07764

[8] https://www.thebusinessresearchcompany.com/report/satellite-bus-market

[9] https://ntrs.nasa.gov/citations/20190002705

[10] https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Starlink_and_Starshield_launches

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友訊科技共同創辦人、明泰科技創辦人,現任職於創威訊科技

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