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技術探索

衛星間通訊技術與應用介紹

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 林坤毅

近年來低地球軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛星蓬勃發展,相較於地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)與中地球軌道衛星,低地球軌衛星運行軌道高度較低,具有信號傳輸延遲低、衛星成本相對低等優點。低地球軌道衛星的應用主要為地球觀測(天氣預報、環境監測)、科學實驗,以及擴展至最近由SpaceX等公司帶起熱潮的通訊網路服務,為了增進低地球軌道衛星使用效率,相關衛星間通訊技術也應運而生。

 

精彩內容

1. 低地球軌道衛星間通訊種類發展
2. 低地球軌道衛星與低地球軌道衛星間通訊
3. 低地球軌衛星與地球靜止軌道衛星間通訊與應用

低地球軌道衛星間通訊種類發展

 

低地球軌道衛星由於軌道高度低,飛行速度快,平均繞行地球一圈時間約100分鐘,經過單一地面通訊站上空時間非常短,使得地面通訊站可與低地球軌道衛星通訊的時間相當短,當低地球軌道衛星飛離地面通訊站上空後,便失去與低地球軌道衛星的聯絡,直到下次再飛回地面通訊站上空,才可取得衛星所蒐集的資料或是發送操控命令給低地球軌道衛星,無法即時操控低地球軌道衛星。若要透過地面通訊站進行即時衛星操控,就需要在全球各地建置多個地面通訊站,除有建置成本問題,地面通訊站是否有可設置地點也是實際會面臨的問題。因此,衛星間通訊即被發展出來改善上述問題[1]。

 

低地球軌道衛星與地球靜止軌道衛星間通訊

 

為滿足即時操控低地球軌道衛星需求,與避免地面通訊站建置問題,一種透過地球靜止軌道衛星中繼低地球軌道衛星數據資料的衛星間通訊方式被發展出來,替代低地球軌道衛星需要大量地面通訊站以維持隨時與地面的通訊[2]。目前,可由地球靜止軌道衛星與低地球軌道衛星間通訊的系統主要有美國太空總署的Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) 系統[3]、歐洲太空總署的European Data Relay Satellite System (EDRS)系統[4]、日本宇宙航空研究開發機構的Data Relay Test Satellite (DRTS),以及提供商用衛星服務之國際海事衛星Inmarsat。透過TDRS、EDRS系統,美國太空總署與歐洲太空總署,可隨時透過地球靜止軌道衛星地面通訊站,經由GEO衛星中繼,與其低地球軌道衛星和國際太空站進行即時通訊。對於其他小型低地球軌道衛星服務營運業者,則可透過Inmarsat商用衛星即時操作[5],例如: Capella Space公司即透過Inmarsat衛星網路即時從地面發送指令給其低地球軌道衛星,執行即時對地面攝影任務。

 

低地球軌道衛星與低地球軌道衛星間通訊

 

低地球軌道衛星提供地面用戶衛星網際網路服務,例如SpaceX公司的Starlink,是透過低地球軌道衛星涵蓋範圍下的地面通訊站連接網際網路,當低地球軌道衛星覆蓋範圍內無地面通訊站時,便無法提供用戶網際網路服務。要改善這種情況,可以進一步透過低地球軌道衛星與低地球軌道衛星間通訊串接組網[6],將用戶網路封包資料轉接至有地面通訊站存在之低地球軌道衛星。圖 1所示為低地球軌道衛星與低地球軌道衛星間通訊說明示意圖,低地球軌道衛星#2底下用戶會透過低地球軌道衛星間通訊,透過低地球軌道衛星#1底下地面站連接網際網路。


圖 1 低地球軌道衛星與低地球軌道衛星間通訊

目前Starlink衛星群服務用戶主要都是透過同一個低地球軌道衛星覆蓋範圍下的地面通訊站連接網際網路,而Starlink為了擴大衛星網路服務範圍,提供南北極等不易架設地面通訊站也能存取衛星網路服務,已開始嘗試低地球軌道衛星間通訊實驗,透過在低地球軌道衛星上2個方向,分別設置各1組雷射光通訊裝置,與其衛星群進行低地球軌道衛星間通訊串接[7],建立衛星星群網路。

 

低地球軌道衛星與地球靜止軌道衛星間通訊應用

 

低地球軌道衛星與地球靜止軌道衛星間通訊,主要可提供地面人員即使衛星不在可通訊地面通訊站上空時,可即時操控衛星,執行衛星任務,蒐集任務資料,隨時掌握衛星狀態。對於低地球軌道衛星數量低,無法自組衛星星群業者,可透過地球靜止軌道衛星中繼方式,即時與低地球軌道衛星進行通訊。

考慮低地球軌道通訊用衛星系統發展初期,只有單顆低地球軌道通訊用衛星存在,圖 2所示為本技術團隊針對低地球軌道通訊用衛星規劃對地通訊與中繼通訊系統架構示意圖。圖中低地球軌道通訊用衛星具備2條通訊網路路徑,第1條通訊路徑為向下直接對地通訊,提供低地球軌道衛星覆蓋範圍內用戶終端網路傳輸服務,以及防災、國土監測等IoT應用服務,讓偏遠地區地面節點感測器蒐集的IOT資料,可透過衛星通訊網路傳回後端雲台,串連前端地面節點與後端雲端資料庫,發展衛星網路IoT應用;第2條通訊路徑為向上透過地球靜止軌道衛星中繼,與地面操控站進行通訊。透過第2條通訊路徑,可讓低地球軌道通訊用衛星增加即時管理能力,同時提供備援通訊應用的可能。


圖 2 低地球軌道通訊用衛星直接對地通訊與中繼通訊系統示意圖

針對低地球軌道通訊用衛星備援通訊應用,除了可讓低地球軌道通訊用衛星在衛星酬載直接對地通訊系統出現問題時,提供上傳軟體進行修補外,亦可提供地面人員隨時掌握衛星位置、健康狀態,以及即時上傳操控命令。圖 3為本技術團隊透過地球靜止軌道衛星中繼與低地球軌道衛星通訊之網路系統架構與備援應用規劃。低地球軌道衛星地面操控站會先與地球靜止軌道衛星地面通訊站建立虛擬私人網路(Virtual Private Network, VPN),確保穿過互聯網(Internet)網路時的安全性;低地球軌道衛星上規劃有地球靜止軌道衛星中繼通訊終端,連接地球靜止軌道衛星,與地球靜止軌道衛星地面通訊站,建立地球靜止軌道衛星網路;如此,低地球軌道衛星地面操控站可透過地球靜止軌道衛星地面通訊站,與地球靜止軌道衛星進行備援應用資料中繼傳輸給低地球軌道衛星上酬載電腦,進行相關備援應用資料傳與低地球軌道衛星操控管理。目前備援應用資料設計主要有3大類,包含1.映像檔更新上傳、2.遙測指令上傳、與3.網管/健康資料下載。透過低地球軌道衛星與地球靜止軌道衛星間通訊,可提供本技術團隊隨時從地面掌握低地球軌道衛星狀態,發展備援通訊應用,修復低地球軌道衛星故障。


圖 3 低地球軌道衛星通訊與地球靜止軌道衛星中繼網路架構與備援應用

 

結論

 

本低地球軌道通訊用衛星備援通訊應用,利用地球靜止軌道衛星與低地球軌道衛星間通訊,建立地球靜止軌道衛星中繼網路架構,可隨時掌握低地球軌道衛星狀態,無須在世界各地建立地面通訊站。未來工研院將進行低地球軌道通訊用Ku/Ka高頻段衛星通訊酬載開發,並整合地球靜止軌道衛星中繼通訊網路,驗證自主衛星通訊及地面設備通訊技術。藉由所規劃的備援通訊應用,可讓地面人員有備援通訊路徑修補低地球軌道通訊用衛星硬體元件外故障,提升低地球軌道通訊用衛星運作服務可靠性。

 

參考文獻

 

[1] O. Kodheli et al., "Satellite Communications in the New Space Era: A Survey and Future Challenges," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 23, no. 1, pp. 70-109, 2021.
[2] Z. Katona, "GEO data relay for low earth orbit satellites," 2012 6th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference (ASMS) and 12th Signal Processing for Space Communications Workshop (SPSC), 2012, pp. 81-88.
[3] D. J. Israel and H. Shaw, "Next-generation NASA Earth-orbiting relay satellites: Fusing optical and microwave communications," 2018 IEEE Aerospace Conference, 2018, pp. 1-7.
[4] H. Hauschildt, S. Mezzasoma, H. L. Moeller, M. Witting and J. Herrmann, "European data relay system goes global," 2017 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2017, pp. 15-18.
[5] B. Johnston, M. Haslam, E. Trachtman, R. Goldsmith, H. Walden and P. McGaugh, "SB-SAT- Persistent data communication LEO spacecraft via the Inmarsat-4 GEO constellation," 2012 6th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference (ASMS) and 12th Signal Processing for Space Communications Workshop (SPSC), 2012, pp. 21-28.
[6] Inigo del Portillo, Bruce G. Cameron, Edward F. Crawley, "A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband," in Acta Astronautica, vol. 159, pp. 123-135, June 2019.
[7] A. U. Chaudhry and H. Yanikomeroglu, "Free Space Optics for Next-Generation Satellite Networks," in IEEE Consumer Electronics Magazine, Oct. 2020.