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技術探索

通訊衛星服務與系統工程

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 陳世揚 羅偉豪

自從1957年第一顆人造衛星成功發射進入地球軌道以來,衛星已受到世界各國重視並且投入開發,其中通訊衛星更是能創造商業產值的未來明星。本文概述衛星的類型與用途,解說通訊衛星提供的服務與應用,與建造衛星所必要的系統工程。

 


台灣的通訊衛星發展計畫已經展開,主要由太空中心與工研院合作,規劃以低軌道、多顆衛星的設計涵蓋FSS寬頻上網、FSS與MSS物聯網等服務

精彩內容

1. 衛星類型繁雜,通訊衛星也很多種。
2. 通訊服務最需要衛星的,就是物聯網。
3. 系統工程是讓通訊衛星成功的必要!

衛星類型與通訊衛星用途

 

人造衛星(或簡稱衛星)是由人類建造的太空設備的一種,以太空飛行載具如運載火箭、太空梭等發射到太空中,像天然衛星一樣環繞地球或其它行星運行。衛星類型以及用途繁雜,其主要可以依照軌道高度、重量、以及用途3種面向分類。

 

衛星類型的整理

 

衛星依軌道高度可區分為(如圖1):
(1) 高軌道(High Earth Orbit, HEO)衛星:運行於高度35,786 Km以上。
(2) 地球靜止軌道(Geostationary Orbit, GEO)衛星:運行於高度35,786 Km,其相對於地表是靜止的。
(3) 中軌道(Medium Earth Orbit, MEO)衛星:運行高度約2,000~35,786 Km。
(4) 低軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛星:運行高度約160~2,000 Km。

 


圖1 衛星軌道高度示意圖(本圖經許可引自[1])

 

其次,衛星依重量可區分為:
(1) 大型衛星:大於1,000 Kg。
(2) 中型衛星:界於500~1,000 Kg。
(3) 小型衛星:不到500 Kg;又可再分為迷你衛星、微衛星與奈米衛星。

最後,衛星可依其用途區分為(如圖2):
(1) 民用與科學:包括遙測、天文、科學、氣象、導航、與通訊衛星。
(2) 軍用:包括殺手與偵察衛星,也有軍用科學、氣象、導航、與通訊衛星。

 


圖2 衛星用途類型集合圖

通訊衛星的用途

 

通訊衛星的用途,是讓通訊地面接收站能收到通訊地面發射站提供的資訊。訊號的傳輸媒介包括太空,而衛星本身就是作為發射站與接收站間的轉發設備。雖然通訊衛星的造價不斐,但因為通訊衛星能涵蓋地表的範圍非常大且不受地形限制,若設計成能傳輸大量的資訊,在實務上至少使用3個地球靜止軌道(GEO)衛星就能涵蓋地球上大部分的地區,因此對於需求長距離的傳輸仍是最經濟有效的方法。

不過,若是選擇採用更低軌道高度的衛星作為通訊衛星,就需要更多的衛星才能涵蓋大部分的地區,較低軌道高度的通訊距離較短,大致上有利於通訊的性能,而且更多衛星的網路協同操作也能提高通訊的總容量,在近年來成為發展趨勢。

通訊衛星至少由2個主要的設備構成:

  1. 衛星本體(spacecraft bus):衛星無論何種類型都有衛星本體,包含推進、姿態控制、供電、指令控制與資料處理等能力,能接受衛星操控地面站的操控,能乘載並供電給通訊酬載,所以稱為bus。
  2.  通訊酬載(communication payload):讓衛星具備通訊能力的設備,通常由轉發器(transponder)和天線組成,先進的通訊酬載還包含讓訊號能重製(regenerative)的訊號處理器、與能搭配衛星間連結的資料交換器。


於是基本上架構如圖3,包含通訊衛星、衛星操控地面站與通訊地面站。目前先進的通訊酬載能讓多顆通訊衛星互相連結,再與多個通訊地面站連結,形成一個大型網路。可以想像,衛星也將在人們依賴的網路中占有舉足輕重的地位。

 


圖3 衛星通訊基本架構圖

各種通訊衛星服務與任務

 

在前面介紹的衛星類型之中,提到通訊衛星是目前非常重要的,這是本節所要解說的衛星類型。就通訊衛星而言,也有提供相當多樣的通訊服務。

一般而言,通訊衛星服務分為:(1)固定式衛星服務(Fixed Satellite Service, FSS)與(2)行動式衛星服務(Mobile Satellite Service, MSS)2類,這是以服務的對象用戶為固定或是行動的形式來區分的[2]。不只如此,通訊衛星服務還可分為:(a)行動通訊(Mobile Communication)、(b)寬頻上網(Broadband Internet)、與(c)物聯網(Internet of Things, IoT)3類,這是以服務的應用需求性質來區分的[3]。

在本節裡,將以FSS與MSS來區分通訊衛星服務,在這2類中再說明是否有包含前述3類的應用需求性質,並舉出應用範例以及衛星系統。為了實現通訊服務而需要建設衛星系統,就需要配合的衛星任務,這一節也會介紹衛星任務的定義,將根據通訊衛星服務的類型,說明各自適合什麼任務定義。從以下的探討綜合來看,MSS物聯網服務最依賴通訊衛星系統的優勢,再加上FSS物聯網服務也較其他服務有發展機會,可以說通訊服務類型中最需要衛星的,就是物聯網。

 

固定式衛星服務(FSS)

 

FSS通訊服務的對象為固定式的用戶,包含上述的(b)寬頻上網與(c)物聯網2類的應用需求性質,但不包含(a)行動通訊。

  1. FSS寬頻上網: FSS寬頻上網的根本訴求,就是通訊衛星系統能讓地處偏遠的固定式用戶能接上網際網路(Internet),而且衛星對個別用戶具備高傳輸率(High Throughput)的能力,例如高達100Mbps,其應用內容非常多樣,應用範例包括收發電子郵件、網路電話、視訊會議、社群應用、與影音串流等。對象用戶以住家、企業為主。
  2. FSS物聯網: FSS物聯網是讓地處偏遠的各個設施、作物、自然環境等監測資料,可經由通訊衛星系統傳到Internet上的資料中心做收集與處理,物聯網需求的傳輸率通常比寬頻上網低得多,但監測資料的來源據點通常比寬頻上網的用戶據點有更多更廣的分布,應用範例包括石油開採平台、太陽能或風力發電機、農作物生長與毒害、土石流災害預防等監測。對象用戶多為能源企業、農業、與政府單位。


FSS的這2類應用基本上都有通訊衛星系統發展的機會,物聯網的機會相對較高。

 

行動式衛星服務(MSS)

 

MSS通訊服務的對象為行動式的用戶,包含上述所有的(a)行動通訊、(b)寬頻上網、與(c)物聯網3類的應用需求性質。

  1. MSS行動通訊
    MSS行動通訊,是以衛星通訊系統來提供行動中的個人如同傳統地面行動通訊的服務,應用範例包括電話、簡訊等。在個別用戶的傳輸率來看,行動通訊明顯低於寬頻上網,但需求較嚴格的服務品質(Quality of Service, QoS),如較為穩定的傳輸率和延遲。這種服務需要個人使用特製的衛星行動電話,比起地面行動電話通常較大較重,所以只有隸屬部分企業與政府單位的個人才會使用,市場接受度相當受限。
  2. MSS寬頻上網
    MSS寬頻上網與FSS寬頻上網的應用範例相當,如上所述包括收發電子郵件、網路電話、視訊會議、社群應用、與影音串流等,但差別是通訊衛星系統的對象為行動式用戶。需求寬頻上網的行動式用戶,主要是運輸業者的客機、客輪(飛機、輪船上的員工與旅客都能使用到),通訊衛星對個別客機、客輪的傳輸率通常達50 Mbps以上,新規劃的衛星甚至達數百Mbps。對於航空與航海的用戶,通訊衛星系統是非常有優勢的,但對於陸地上的運輸業者而言,由於地面系統建設的寬頻容量發展更快,通訊衛星系統未必較地面系統有容量優勢。
  3. MSS物聯網:
    MSS物聯網是對行動中的設施、交通工具的追蹤資料與調度命令,可借助通訊衛星系統與Internet上的行控中心互動,所以對象用戶多為物流與運輸業者,目前的主力用戶是物流業者的貨車,而鐵路貨運列車、貨機、或貨輪也有需要,另外在MSS寬頻上網提到的客機與客輪,運輸業者也需要以MSS物聯網做追蹤與調度。MSS物聯網的傳輸率與據點分布類似FSS物聯網,只是據點是行動化的。由於據點分布廣的特性,就算用戶是在陸地上且需求的傳輸率低,由於地面系統建設的覆蓋相當不足,以通訊衛星系統覆蓋極廣的優勢,才能夠滿足需求。

 

任務定義-通訊與軌道規劃

 

既然要運用衛星提供通訊服務,就必須把衛星發射到太空中運行,建構起通訊系統,然後逐步開始服務。無論是提供何種通訊服務,都算是衛星的任務,通訊衛星的任務就顧名思義,至少要規劃通訊的特性與衛星的軌道。而且,相關規劃必須要歸結到可運作的年限,畢竟衛星從建造、發射等都可能有不小的成本,這些規劃內容,包括通訊、軌道、運作年限等的取捨,關乎著衛星系統建設與維護的成功機會,所以衛星任務的定義至關重要。

在通訊衛星系統的規劃上,我們可以根據對通訊服務的分類來進行,但需要先反過來根據應用需求性質的區分(行動通訊、寬頻上網、物聯網),再根據對象用戶形式的區分(FSS、MSS),來說明適合的衛星任務定義。

關於行動通訊,這同時也是MSS服務,需要面對個人的手機裝置,容易受到裝置的低發射功率限制,同時因為需求的傳輸率低,這類的衛星任務多以較低頻率的L頻帶(1-2 GHz)或C頻帶(4-8 GHz)中幾MHz的頻寬再切出多個窄頻道來規劃,以減輕對功率的要求。但也因為頻道數量有限,應根據用戶數量的需要來選擇衛星軌道的規劃,當頻道數量足夠時,適合最大涵蓋的地球靜止軌道(GEO)衛星的規劃,若不足時,就適合單顆較小涵蓋的低軌道(LEO)多顆衛星的規劃,讓不同的衛星可以在各自的涵蓋範圍重複使用頻寬。若用戶數量難以成長,LEO規劃就不划算。

至於寬頻上網,非常容易受到單顆衛星的通訊頻寬的限制,於是現今較新的通訊衛星任務,多以超高頻率Ku頻帶(12-18 GHz)與Ka頻帶(18-40 GHz)中超過100 MHz甚至達500 MHz的頻寬來規劃。就FSS面對的住家與企業的需求容量總和,適合在低軌道(LEO)建置多顆衛星的規劃,但就MSS面對的客機與客輪,因為用戶密度較低但分布更廣,目前仍多以地球靜止軌道(GEO)衛星的規劃較多。與行動通訊類似,若用戶需求容量總和的成長,無法以單顆衛星的頻寬滿足,就需要多顆衛星的規劃,但若用戶需求容量總和未必再成長,也會有斟酌的難處。

而物聯網則容易受到單顆衛星的通訊處理用戶規模的限制,雖然衛星不一定需要採用較大的通訊頻寬,其計算能力與儲存容量仍會限制用戶規模。現今較新的通訊衛星任務,可以採用較低頻帶,也可以與寬頻上網共用Ku/Ka頻帶(物聯網可能用較窄的頻道)。無論是FSS或是MSS服務,用戶不只分布廣,也有密度高的,故皆適合採用低軌道(LEO)多顆衛星的規劃,以分散用戶規模的負載。

以上對各種衛星通訊服務類型,說明了通訊頻寬與衛星軌道的規劃,而對於運作年限,原則上是由軌道做為規劃的因素。GEO衛星的顆數少,需要規劃較長的衛星運作年限,通常為15年或更長;而LEO衛星的顆數較多,容易設計衛星備援的架構,只要整個衛星系統繼續運作,可以規劃較短的運作年限,主流的規劃為3到5年。也因為LEO衛星運作年限的縮短,對於衛星在太空環境下運作的可靠度要求較低,也就容易有多種重量與尺寸的架構設計,甚至是微衛星與奈米衛星。也因此現今有更多的衛星系統供應商,參與採用LEO規劃的衛星任務。

 

達成任務!衛星系統工程

達成衛星任務的需要

 

從選取應用需求、服務對象開始,在定義衛星任務之後,就開始面臨如何提議通訊衛星的技術需求與架構,如何進行通訊衛星的設計(design)、開發(development)、驗證(verification)等工程的問題。其實通訊衛星的工程還是比一般通訊產品複雜許多,考量在通訊衛星上負責通訊功能的酬載與通訊衛星本體所需要的技術人才差異懸殊,所以不只是如何分工以進行前述的設計、開發、與驗證工程,如何完成通訊衛星的生產(manufacturing)、組裝(assembly)、整合(integration)、測試(test)等工程也極其重要。這些工程對於能否建造成功的通訊衛星都有著很大的影響。

上述的設計、開發、驗證等工程,即是對應任務定義中的通訊或軌道等不同功能目標(包括分解出更細的功能),讓不同技術團隊分頭進行的工程;而生產、組裝、整合、測試等工程則是對應任務定義中的衛星架構、運作年限等的整體目標,合併所有技術團隊成果的工程。這是小到各功能所需零件的選擇、大到全系統所需功能的協調,都會造成影響的工程。既然通訊衛星比一般通訊產品的工程複雜許多,如何將這些工程的風險大幅降低,就需要有落實這些工程的方法。

所需的管理方法,以包含任務定義、需求與架構提議、以及後續所有工程,就稱為「系統工程」。由於系統工程要將所有工程的風險大幅降低,所以真正讓通訊衛星能夠成功的因素不只是技術,系統工程更是讓所有通訊衛星成功的必要!

 

衛星系統工程方法

 

系統工程可以一種圖像化形式展現,通稱為V模型[4](如圖4)。

 


圖4 系統工程V模型示意圖

 

V模型是一種通用的系統工程方法,總結了系統開發的主要階段與各階段所相對應的產出目標與文件。V模型的左側是由系統需求提議出系統架構的層層分解,將系統分解成次系統與元件等,這是自任務定義起的分工過程;右側是各元件、次系統的層層驗證與整合測試,直到任務完成的整合過程。

首先在需求與架構階段(requirements and architecture),會先從任務定義的應用情境出發,決定出應用需求(application requirement),應用需求則經過轉換,推導出為了達成任務目標而具備的系統需求(system requirements),且此階段系統架構(system architecture)亦被提出。再來進入設計(design)階段,要根據系統需求並配合系統架構,針對系統內部的次系統與元件開出規格與設計。然後進入開發(development)階段,此階段會開始實現上一階段提出之設計,包含軟硬體的設計。開發完成後進入右側的驗證與整合測試(verification and integration test)階段,依序由小的元件驗證、次系統整合測試、直到整體系統測試(system test)。在V模型中右側的每一階段驗證或測試,須對應左側的每一階段進行驗收(validation),這種逐步對衛星系統除錯與改善的過程,能大幅降低整個任務的風險。

然而,衛星任務的產品功能極為複雜,例如通訊酬載不只是有能克服長距離通訊的功能,還有能在太空環境包括輻射、極端溫差下正常運作的功能、以及在軌道上不可被人維修的高可靠度考量,以V模型的方法一次性滿足所有功能的單一產品模型仍然無法徹底降低風險,必須加上採用模型原理(model philosophy)[5]的方法。此原理將產品拆為不同階段的產品模型,每個階段的產品模型會較專注於部分功能,都會歷經V模型的設計、開發與驗測階段,而且要繼承前一階段產品模型。

 


圖5 衛星系統工程模型原理

 

常見衛星系統工程採用的模型原理是將產品模型階段拆為4個,如圖5,使各階段產品模型的設計、開發與驗測等工程的複雜度得以降低,分別說明如下。

  • 雛型體(elegant bread board, EBB):
    雛型體是初始產品原型(prototype),主要以商規(commerce grade)零件與開發板構成,在所有產品模型階段中的成本是最低的。此階段目的在開發出用於驗證如通訊設計、具有主要通訊功能及介面的產品模型,可藉由不同版本的EBB驗證並修正設計。
  • 工程體(engineering model, EM):
    工程體是具有和最終產品模型相同的外形、機構及通訊功能,但此階段不考量模擬太空環境(如輻射、高能、極端溫度、真空及震動環境)的測試,依然是使用如商規零件等環境耐受度較低的零件。此階段會進行產品模型的通訊功能整合測試。
  • 工程驗證體(engineering qualification model, EQM):
    工程驗證體的外形結構、散熱機構、各種功能及使用的零件須與最終產品模型完全相同,將改用太空規(space grade)零件或是經過輻射等環境測試的商規零件。此階段會進行模擬前述太空環境下的產品模型功能運作情形的認證測試(qualification test),認證測試會測試超過硬體所能允許的環境極限,且會進行可能導致破壞的壓力測試,經過(包括通過)認證測試的工程驗證體將不使用於實際飛行。
  • 飛行體(flight model, FM):
    飛行體是最終產品模型,原則上是另一台相當於工程驗證體的產品模型。此階段會進行驗收用的認可測試(acceptance test),只測試硬體能允許的環境極限且不進行破壞性的壓力測試,通過認可測試的飛行體,即是能可靠運作的產品,將被發射至軌道上實際飛行。

另外還有一些需要特別注意的問題。在V模型的系統需求與架構提議階段時,鑑於某些太空用零組件無法在短期內取得,必須提前若干時間訂購;而在設計階段之前即應開始考慮製造、組裝、及測試等工程的需求,如散熱能力牽涉到散熱結構設計方式,但散熱結構又與機構、重量甚至還影響整體衛星姿態控制能力 [6]。因此在衛星任務的初期階段就要釐清個別功能的關係及介面以利整合,並召開設計審核會議以取捨設計上之矛盾,才能在往後階段更加順利控制時程。

 

台灣的通訊衛星計畫

 

現今世界上對於通訊衛星的重視,從SpaceX的Starlink、Amazon的Kuiper等計畫都投入大規模的開發,甚至Starlink的一部分系統已開始實測服務來看,通訊衛星被認定能創造商業價值的趨勢已經非常明顯。台灣處在這樣的趨勢下,自2020年起也開啟了我們的通訊衛星發展計畫,由國家太空中心和工業技術研究院合作執行,並且加入資訊工業策進會與金屬工業研究發展中心,共同協力發展。

在本計畫初期的規劃,未來運轉的通訊衛星對於台灣與鄰近海域、島嶼等,能同時兼顧FSS寬頻上網(甚至較低速的MSS寬頻上網)、FSS與MSS物聯網服務,相當於涵蓋本文前述服務類型的一半以上。計畫的任務定義內容包括:採用Ka頻帶(可切分不同寬窄的頻道)且提供單一用戶最高200 Mbps合併最高達800 Mbps的傳輸率、於高度600 Km的低軌道(LEO)、重量小於400 Kg的多顆小型衛星。計畫全程是以循序漸進的方式,由太空中心規範計畫的系統工程方法,使得衛星本體與通訊酬載如同本文所介紹的模型原理進行設計、開發與驗測,並在2025年起發射前2顆衛星進行初期實證,在2030年之前以必要數量的衛星完成多顆衛星之系統所需技術的實證,包括衛星對地通訊與衛星間通訊技術,並將技術推廣至業界。

規劃中的通訊系統還有一個非常彈性化的設計,就是在衛星顆數還不夠密集(或是有幾顆衛星通訊功能異常),無法進行同軌道面的衛星間通訊時,例如在鄰近海域上空的衛星無法藉由同軌道面衛星間通訊串聯到台灣上空的衛星,若該海域的用戶要與台灣本島的用戶通訊,衛星則可以和第三方的地球靜止軌道(GEO)通訊衛星連結,進行不同高低軌道面的衛星間通訊,依然達成對用戶的服務。


結論

 

通訊衛星包含衛星本體與通訊酬載,能讓通訊地面接收站收到通訊地面發射站的資訊。不僅地球靜止軌道(GEO)的通訊衛星可提供服務,近來更出現使用較低軌道、且更多通訊衛星的設計趨勢。而通訊衛星的服務類型非常多元,可依對象用戶形式分為固定式衛星服務(FSS)與行動式衛星服務(MSS)2類,也可依應用需求性質分為行動通訊、寬頻上網、與物聯網3類。在本文的探討綜合得出,FSS與MSS物聯網是最需要通訊衛星的服務。對於各類的服務還需要做任務定義,包含通訊頻帶與配置、軌道高度與衛星數量、以及重量、尺寸、運作年限等。

要讓通訊衛星建造的任務能夠成功,系統工程是最重要的課題。系統工程是根據V模型,簡而言之就是對兩大主軸:任務定義分工、任務測試與整合,與位於其間的開發作銜接,輔以適合太空任務的產品模型原理,透過階段性的落實,使產品逐漸成形並被確認,以建造出可靠運作的通訊衛星。另外應注意要提早採購太空規零組件、提早考量生產與組裝限制等。此時,台灣的通訊衛星發展計畫已經展開,主要由太空中心與工研院合作,規劃以低軌道、多顆衛星的設計涵蓋FSS寬頻上網、FSS與MSS物聯網等服務,發展能否成功?且讓我們拭目以待!

 

參考文獻

 

[1] Low earth orbit, medium and high earth orbits – Types of orbits (2/3). [online]. Available: https://technobyte.org/low-medium-high-earth-orbits-types-of-orbits/
[2] J. N. Pelton, S. Madry, S. Camacho-Lara, “Handbook of Satellite Applications”, Book published by Springer, pp.19-25, 2013
[3] A. Cheng and et al., 國際衛星通訊應用與營運商發展進程追蹤報告, Tech. Report by ITRI and III, pp.7-26, Jun 30, 2021
[4] V-Model. [online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/V-Model
[5] The ‘Model Philosophy’ Used by Space Engineering Companies. [online]. Available: https://www.eetimes.com/the-model-philosophy-used-by-space-engineering-companies/
[6] 微衛星系統工程. [online]. Available: https://www.tiri.narl.org.tw/Files/Doc/Publication/InstTdy/123/01230410.pdf?fbclid=IwAR2FOgfntNpj8a1YgfSL-n6v0OW1jWJyT8Xqavad87FZOQGzZef446zjky0