从通讯衞星结构原理到太空高速网际网络「星链」计划｜STEM教室

2024-12-18 14:00

相信大家都知道地球有一个天然衞星，这就是月球。月球距离地球约三十八万公里，并以大约一个月的时间围绕地球转一圈，根据月相周期，我们每天都会看到不一样的月亮。但你们对同样围绕地球转的人造衞星又有多少认识呢？自1957年苏联发射全球第一颗人造衞星史普尼克1号以来，我们发射了多少颗人造衞星上太空？答案是，截自2024年5月，人造衞星数量已接近九千颗。衞星应用非常广泛，我们今期以通讯科技为主题，讲解衞星如何与身在地球的我们通讯，以及了解近期有关「星链」系统的消息。

1957年苏联所发射的全球第一颗人造衞星史普尼克1号。

截自2024年5月，人造衞星数量已接近九千颗。

基本航天动力学初探

衞星在发挥其作用前，首先当然要把它发射升空。衞星不能自动飞起来，因此我们需要利用运载火箭把它放进适当轨道。至于火箭如何升空，背后原理与牛顿第三定律有关，亦即作用力与反作用力相等但方向相反，当火箭燃料向下喷出，反作用力就能令火箭向上爬升，当到达相应轨道时，衞星便与火箭分离，然后自己围绕地球运行。

衞星不能自动飞起来，因此我们需要利用运载火箭把它放进适当轨道。

计算向心力与重力

因应不同应用，我们对衞星的轨道高度（亦即与地球之间的距离）及速度均有一定要求，而高度和速度相互之间其实是有关系的。根据牛顿第一定律，物件在没有外力影响下，会以直綫运动（或处于静止状态）。假设衞星以圆周运动围绕地球运行，亦即物件受向心力影响，向心力（F_centripetal ）的方程式为：

$F_{c e n t r i p e t a l} = m \frac{v^{2}}{r}$

m 此时是衞星质量，v 是物体速度，r 则是圆周的半径（亦即与地球中心，而非表面的距离）。圆周运动代表方向持续改变，根据第一定律，物体即是受到外力影响，而这正是地球的重力。利用牛顿引力定律，重力（F_gravitation）为：

$F_{g r a v i t a t i o n} = \frac{G M m}{r^{2}}$

G 是万有引力常数（6.67*1011 Nm2/kg-2），M在这里是地球质量。把向心力与重力联系起来（F_centripetal = F_gravitation），我们就得出：

$m \frac{v^{2}}{r} = \frac{G M m}{r}$

$v = \sqrt{\frac{G M}{r}}$

另外，圆周长度为2πr，围绕地球一周的时间 T 为 2πr/v，因此，我们看到当轨道高度（r）愈大，衞星速度（v）会变慢，而且完成围绕地球一周的时间也较长。换句话说，要指定衞星的运行周期，我们可以安排把衞星放在某一轨道（之后我们会有例子来看这些物理参数的关系）。

图一：于加拿大曝光六分钟的星空图片

弧綫为星流迹，因地球自转而看似围绕中心的北极星转。另外一道斜綫为国际太空站的轨迹，它距离地球表面约400公里，按上述公式计算，围绕地球一周约90分钟。在香港，我们也有机会看到国际太空站在夜空划过，它不像飞机会有红灯或灯光闪烁，而是由于其巨型太阳能板反射太阳光綫，因此看上去是一个明亮的白点。（EarthSky资料）

国际太空站在夜空中划过，看上去是一个明亮的白点。

大家亦可以透过「Spot the Station」App去观测天上的国际太空站。（International Space Station@X）

通讯衞星的结构和原理

通讯衞星，顾名思义就是与地球通讯的衞星，而我们知道需要天綫才能接收及发送信号，通讯衞星当然也不例外。从图二所见，衞星的中央部分就是天綫（antenna），其镬形结构能收集从地球而来的信号，并聚焦到一个处理器内。这个处理器称为转发器（transponder），可以说是衞星的心脏，因为资讯都要经它处理才能送回地球。

图二：通讯衞星结构

我们能清楚看到镬形天綫，负责接收及发射信号；两侧太阳板原本是摺叠的，被火箭运上太空后才展开；中间部分则包含如转发器、推进器等多个部件。（NATO资料）

转发器功能三部曲

转发器有几个功能：

通过特定频率的过滤，它会把杂讯滤走（noise filtering）；
由于地球到衞星（并再返回）的途程遥远（数百至数万公里不等），资讯会随空间传播而变弱，转发器能够把信号放大（signal amplification），确保返回地球后信号强度仍足够；
频率调节（frequency change），亦即先接收某个频率的信号，然后将之调整至地球所需要的频率。通过这些步骤，衞星就能把信号发回地球。

推进器助重回正轨

当然，要做到通讯，还须要解决一些技术问题。首先，转发器要完成多个工序，需要能源支持，因此衞星配有大型太阳能板（solar panel），以及一个能侦测太阳位置的感应器（sun sensor），把太阳能板调校至受到最多阳光照射的角度。那么当衞星绕到地球背面，地球把太阳光屏蔽了，可以怎么办？其实，衞星内部亦设有电池，以供「黑夜时」使用。

另外，我们之前设定衞星是以圆形轨道环绕地球，这是假设地球拥有一个均匀引力场的结果。然而现实上，地球并非一个完美球体，其质量分布并非完全平均，兼且太空中还有太阳及月球等提供引力，因此衞星并非身处一个均匀引力场。这样，衞星有时会被带离预定轨道，因此我们亦要加装推进器（thruster），把衞星推回正确轨道。

位于加州的卫星制造工厂内的先进极高频通信卫星(AEHF)半制成品。©Lockheed Martin

从衞星电视看星链的突破

通讯衞星用途广泛，我们就以直播衞星（Direct broadcast satellite, DBS）电视为例，看看衞星如何做到通讯。

发放「频道」加工入屋

当电视台制作节目后，会把节目信号发射至通讯衞星，并经衞星里的转发器进行频率调节等工序，再发放出来时就是一个「频道」。这时DBS服务供应商会与电视台达成获取频道的协议。一个供应商可与多个电视台达成协议，从而能够获得多个频道。供应商以天綫收集频道后，会再作加工，例如MPEG视讯压缩、位元速率统一化（位元速率（bit rate）大约等同资讯传输速率），以及加密信号等。加工完成后，供应商会再次把节目资讯射上通讯衞星，然后每家每户就可在家中安装天綫并对着这些衞星接收信号，并利用盒子把信号解密。

图三：直播衞星电视通讯方式

由节目来源到家中观看，须要来回太空两次。（HowStuffWorks资料）

当电视台制作节目后，会把节目信号发射至通讯衞星。©NASA

直播衞星服务供应商会以天綫收集频道。©NASA

计算地球静止轨道

我们可以从运作看到一些特点。首先，我们知道通讯衞星会围绕地球运行，那么家中的天綫岂非不能经常指向通讯衞星？不然，因为我们可以将衞星的运行周期与地球自转速度设为一致（即一天），从而做到犹如在地面望上去永远悬浮在某一点般，这样就不用时刻调校天綫方向。

根据上文的方程式，指定了衞星环绕地球的周期，我们就能计算出衞星需要的速度及与地球中心的距离。现在，把 T 设定为一天（严格来说是23小时56分钟4秒），我们便能找到 r 等于42164公里，考虑到 r 是衞星与圆心的距离以及地球半径（6378公里），即是我们要把衞星放到距离地面 35786 公里的高度。这高度亦称为地球静止轨道（geostationary orbit）。

信号延迟上网缓慢

然而，值得大家留意的是，光速为每秒三十万公里，因此要来回太空两次，信号其实延迟了达0.5秒，因此假若要用这距离的衞星提供上网功能是不理想的。另外，电视频道数量远比网络的为少，网络「交通」亦比电视挤塞，因此我们上网观看影片有时会看到缓冲画面。可想而知，利用遥远衞星作上网通讯用途将会十分缓慢。

图四：星链衞星阵列预想图

马斯克公司的「星链」（Starlink）衞星全都放在近地轨道（low Earth orbit），以解衞星通讯决延迟问题。（Mark Garlick/Science Photo Library）

近地轨道解决延误

不过，马斯克公司的「星链」（Starlink）系统则针对这些限制进行突破。要解决延迟问题，星链衞星全都放在近地轨道（low Earth orbit），距离地面只有数百公里，就能减少光行走的时间。然而，我们知道距离地球愈近，运行速度愈快，要每个时刻都有衞星覆盖，就要非常多的衞星。这亦正是马斯克的构想，预计系统在未来数年会有 42,000 颗衞星在不同的低轨道上，从而覆盖地球每个角落。衞星愈多亦有望稳定网络速度，现时速度约为 300Mbps，延迟约 20ms；而星链链路已开始发展至下一阶段，强调衞星之间的通讯与联系。

我们知道人们使用光纤的原因是因为地面传输距离较地面与衞星之间来回为短，但要留意的是，光纤折射率约为 1.48，比太空（即真空）高（折射率为 1），而折射率愈低，光速则愈快，因此假若把衞星带到较低轨道，速度或能与地面传输看齐。当全部四万多颗衞星都发射上太空后，星链期望速度能达 10Gbps。

60颗「星链」（Starlink）卫星距离地面只有数百公里，堆叠在一起。（2019年5月24日）。

补充资料

星链的应用与挑战

星链近期较瞩目新闻莫过于提供网络给处于战乱的乌克兰使用，其实二月初汤加发生火山爆发时，星链亦有给予网络支援。星链之所以较方便，是由于通讯全由其衞星以及我们购买星链服务时所提供的小型天綫作联系，不需要安装信号塔以及铺设光纤；而天綫是一种称为相位阵列（phased array）的天綫，只要安装在看到天空的地方，就不用因为衞星快速运行而要改变瞄准方向，从而轻易连上网络。

马斯克构想将来会有 42,000 颗衞星在不同的低轨道上，从而覆盖地球每个角落。星链系统会让国家防火城墙不击而溃，spaceX估计组网耗资100亿美元。截至2023年2月，星链工程在轨卫星数量已超过3,500颗。

增加太空垃圾

当然，由于星链现时并未发射全部衞星上太空轨道，因此暂不能覆盖所有地方。不过在等待其他衞星的发射以真正展现其科技潜力时，我们也不能忽视星链正面临的挑战。首先，除了星链，现在也有如 Amazon 的 Project Kuiper 等竞争项目，届时或会上演一场「太空属地」之争。再者，人造衞星是太空垃圾来源之一，而失去控制的太空垃圾会对其他衞星的航行安全产生巨大威胁，一旦碰撞，将会带来更多碎片，危害更多航行物体的安全。如果未来除了星链，还有大量通讯衞星都放在近地轨道，这些轨道会变得拥挤，增加碰撞机会。有见及此，马斯克表示未来星链衞星会发展防止碰撞功能，在侦测到有可能与其他衞星碰撞前自行调整轨道。

人造衞星是太空垃圾来源之一。

太阳活动添变数

然而，「人算不如天算」，原来太阳也能对衞星产生影响。同在二月初时，太阳表面活动产生了一股强烈太阳风暴。我们或许听过最强的风暴甚至能影响地球电力供应，而这次所带来的带电粒子则令地球大气变暖，从而增加其密度。那时刚发射的星链衞星就因与较高密度的大气层摩擦增加，其阻力终令衞星脱离轨道，还要在大气层内烧毁。

面对种种困难，我们就看看星链以及衞星通讯科技未来还会如何突破吧！

图五：星空图

除了太空安全，星链系统还对天文观测带来影响。回顾图一，我们已看到国际太空站的踪影，而距离更近的星链衞星所带来的痕迹则更明显。由于拍摄遥远星体需要一段曝光时间，而衞星的太阳能板非常反光，因此会令星空图片出现明亮白綫，不利观测星体。（vox.com资料）

国际天文联合会公布的天文观测受到影响的实例。国际天文联合会

夜空中的星链卫星（Starlink）。© Vito Technology, Inc.

关于星链系统对天文观测带来影响的问题，马斯克建议将天文望远镜放入轨道。

文：刘心图：星岛图片库、维基百科、网上图片

补充资料：EarthSky、International Space Station@X、NATO、Lockheed Martin、HowStuffWorks、NASA 、Space.com 、vox.com、Starwalk@Vito Technology, Inc.

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