低軌道衛星是近年國際熱議話題。以特斯拉創辦人伊隆．馬斯克（Elon Musk）旗下太空探索技術公司（SpaceX）的衛星網路服務「星鏈計畫」（Starlink）來說，它的目標是讓人類可以在任何地方，利用衛星直接連線上網際網路。這樣的概念適用土地幅員廣大或地緣孤立的區域或國家，但是現在臺灣許多地方基本上都能輕易地使用網際網路，為什麼還需要低軌道衛星來提供網路服務呢？
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<h2>與世界串聯在一起，低軌道衛星作用是什麼？</h2>
首先，需理解網路連線的方法：整個「網路」是「連接」在一起的，而這些連接可能是「有線」或是「無線」。有線連接就像是網路線，無線則使用電磁波，如WiFi、4G或<a style="color: #3366ff;" href="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/post/research2-5g">5G訊號</a>連接至基地臺，再由其轉發至提供電信服務之系統。不管是有線還是無線基地臺，最後都會連接在一起。但是要和全世界的用戶串連，則還需要橫跨海洋的「海底電纜」，經由電纜裡面的光纖，位處臺灣的我們才能連上網際網路，與全世界的用戶溝通。
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不管是要蓋建基地臺、挖開馬路埋訊號線、或連接海底電纜，都是需要高資金與高成本。而都市人口密集、網路使用者眾多的條件下，蓋建基地臺、埋設地下訊號線相對有效益。然而，在一些地廣人稀的地方，甚至是汪洋中的海島國家，由於使用者較少，鮮少業者願意投資，各國政府寧可將預算做更有效地運用。低軌道衛星的出現，提供了另一種選擇：「直接無線連接到衛星，再用衛星無線連接到全世界！」如果我們可以直接連線到太空中的衛星，就可以突破許多地域限制，不論是身在何處，只要直接連上衛星即可，毋需透過海底電纜或是基地臺進行傳輸。此外，像是飛機、船隻也可以仰賴低軌道衛星提供距離廣、不受地形限制的穩定通訊。
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<h2>又遠、又快、又小的低軌道衛星，怎麼連接？</h2>
過去，高軌道衛星所使用的低頻率訊號，優點是訊號強度衰減得比較慢，同樣強度的訊號可以傳遞較遠；缺點是頻寬較小，可以傳輸的資料較少。高頻率的訊號則相反，雖然衰減快，但同樣時間內可以傳輸較多資料。如果將低頻率的訊號想像成一顆小球，以同等的力量丟出去可以丟得比較遠，可是球裡面能裝的東西比較少；高頻率訊號則是大球，可以裝很多東西卻丟不遠。早期的衛星要傳輸的資料量其實不大，而且相對單純，許多商業服務只侷限於單向通信傳輸的廣播， 這種功能早已無法滿足大量互動需求的網路使用者。因此低軌道衛星通訊主要發展高頻率的波段，透過高階功率放大器將訊號傳送出去。
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以目前市面上手機的設計來說，訊號來源是與地面基地臺連接，就技術而言，若手機要與衛星直接連線，因此還需配置一臺專屬於低軌道衛星的便攜式功率放大器。若將功率放大器廣布在各地，則無論是在地面或是搭載於交通運輸工具，如飛機、船隻和車輛等，未來人們的網路通訊便能不受地理環境限制。
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目前，SpaceX積極推動的Starlink，目標便是建立一個相互連接的衛星通訊網路，並將接收器放上各種交通工具，包括汽車、船舶，以及航空載具上，以實現網路服務可全面移動使用的目標，實現行動通訊網絡的理想。不過，以Starilnk來說，距離地球近一點的衛星高度約340公里，遠一點的約1,200公里。距離遠也就罷了，衛星會動，還動得很快！每秒大約移動8公里。當我們看到衛星並發射訊號過去，訊號抵達衛星所在的高度時，衛星早已移動至數百公尺之外，這些都增加了低軌道衛星通訊技術的困難。這樣的特質與地表和36,000公里高的同步軌道衛星通信不同，後者對地面來說是不動的，所以沒有前述低軌通信衛星的問題。由行政院支持，國家太空中心與工業技術研究院目前正合作發展「主動式相位陣列天線」，可以藉由電腦控制陣列上的天線相位，來快速改變訊號接收／傳遞的方向，與高速移動的低軌道衛星連接。研發完成後，將可以讓臺灣在低軌道衛星的產業發展中占有一席之地。
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<h2>低軌道衛星再掀熱潮，這次會不一樣？</h2>
事實上，低軌道衛星的話題並非首次登場，早在1998年以最早的低軌道衛星通訊服務：「銥衛星」（Iridium），就由摩托羅拉（Motorola）發展。該計畫發射了66顆衛星到太空，卻在1999年宣布失敗告終。時空背景不同，近年來，這一波新的低軌道衛星浪潮，有什麼不一樣？工研院資通所副所長丁邦安教授表示，在「發射載具、衛星數量、天線頻率與第一波低軌道衛星有了很大的差異，低軌道衛星將成為21世紀全球競爭的新戰場。」
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過去，將衛星發射上空需要以火箭作為載具，然而火箭的造價非常昂貴並且是一次性的使用。近年來，SpaceX不僅成功地製造出可回收、重複使用的火箭，運能也有了很大的進展，例如獵鷹重型火箭（Falcon Heavy）可以一次搭載數百顆衛星，大幅降低了發射衛星的成本。低軌道衛星的數量對通訊的效果影響很大，衛星通訊的賣點之一是「天上隨時都有衛星可以連線」，如果衛星總數不夠，覆蓋率不佳，則可能無法隨時有衛星可以連線，通訊效果就會大打折扣。過去的「銥衛星」原先計畫發射77顆衛星，其他低軌道衛星計畫如「Kuiper Systems」預計發射3,000多顆，「Starlink」甚至預計發射上萬顆，跟「銥衛星」的量體相比，差了幾百倍！透過龐大數量的低軌衛星，除了可以向地球上任何地方傳送網路訊號，也可以大幅壓低成本。
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在頻率的差異上，現在衛星所使用的頻率比過去衛星所使用的還要高，「高頻率」代表「短波長」，所使用的天線體積比較小，重量也相對較輕，在發射成本上也因此可以降低。總體而言，低軌道衛星成本比起過往發射衛星達成度大幅度的降低，在整體規劃也更完善，更能獲得投資人青睞，有資金不斷投入，才能使該領域更能穩定且持續發展。
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<h2>臺灣都市化這麼高，低軌道衛星對我們有影響嗎？</h2>
各國積極發展低軌道衛星的同時，臺灣的機會在哪裡？首先，要把握「星地融合」的框架，低軌道衛星最大的商業價值是來自於「廣覆蓋」，弱點是衛星網路獨立組網的一次性成本高，而顧客的累積慢。但在地空一體化的潮流下，傳統上行動通訊不易於對顧客提供服務的天空、海洋、荒漠、邊遠山區等通訊盲點或斷點皆因低軌道衛星技術的成熟有機會嵌入現有的互聯網及物聯網中。丁邦安副所長解釋「低軌道衛星的數量級為十萬等級，地面上的基地台數量級為千萬等級，手機加上車、船、飛機等使用終端數量級為十億等級」，十萬等級的網路節點的增加帶來更多的連結與商業機會，槓桿衛星網路的廣覆蓋特質並賦能行動網路，這是低軌道衛星通訊的重要價值。
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低軌道衛星通訊使用波段接近5G毫米波訊號採用的頻率，臺灣網路通訊產業鏈非常完整，更有半導體產業的強力後盾。近年Starlink、Oneweb、Amazon為積極布局太空版圖，快速拓展市占率，尋求並布局緊密合作的供應鏈夥伴。從國際局勢來說，在美國的「乾淨網路」（The Clean Network）政策之下，紅色供應鏈被美國拒於網路通訊大門之外。臺灣具備網路通訊技術的深厚經驗，加上相關供應鏈成熟，對於爭取低軌道衛星商機格外有利。雖然目前低軌道衛星的發展主要由美國、歐洲和中國大陸帶動，但臺灣完整的產業群聚與技術優勢，有機會讓我們得以在這一波低軌道衛星浪潮中伸展拳腳，未來逐步走向太空產業的世界舞臺。
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（客座總編輯 <a href="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/">|國立中興大學電機工程學系講座教授 林俊良教授</a>；研究顧問團隊 | 國立成功大學航空太空工程研究所特聘教授 苗君易、國家實驗研究院國家太空中心 黃楓台、中央研究院物理研究所 張元翰、國立中央大學太空工程與科學系所長 趙吉光；責任編輯 | 段芊卉、葉于甄）

與臺灣相連接的海底電纜分布。圖片來源／截圖自Submarine Cable Map

銥衛星（Iridium）第一代衛星。圖片來源／Wikimedia-Iridium satellite constellation

SpaceX於2015年提出「星鏈計畫」（Starlink）後積極發射衛星，擬陸續打造超過40,000顆低軌道衛星所組成的全球通訊網。圖片來源／Official SpaceX Photos