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我的連線,上太空

我的連線,上太空

陳怡如、凃心怡

科技

工業技術與資訊、Shutterstock

2022-10-20 09:47

5G通訊逐步實現智慧生活,但地面通訊受限地形、地貌,仍有40%地區難被訊號覆蓋。

低軌衛星居高臨下,補地面通訊之不足,連線上太空,訊號無死角、萬物聯網的美麗新世界即將來臨!

太空競賽新亮點

低軌衛星讓通訊無遠弗屆

 

一場無聲的太空競賽,正在靜謐星空中火熱上演。根據美國衛星產業協會(Satellite Industry Association;SIA)指出,2021年全球太空產業產值高達3,860億美元,其中衛星是太空產業的主要貢獻者,產值達2,790億美元,預估2022年全球衛星產值有望達到2,950億美元,而低軌衛星正是推升衛星產值成長的主力。

 

工研院產業服務中心副組長廖榮皇指出,目前全球共有5,000多顆人造衛星,其中低軌衛星就占了4,000顆,預計2021年至2030年,每年將以1,700顆衛星的速度發射升空,「這幾年低軌衛星發射的數量,已經遠超過1、20年來中、高軌道衛星的數量了!」

 

低軌衛星可補足既有行動網路通訊的不足,兩者互相搭配,達到更高的覆蓋率,實現海陸空暢行無阻的行動世界。

 

4種衛星各司其職 低軌衛星扮演通訊要角

 

這些高掛在空中的衛星,依軌道高度分為4種:第一種是高橢圓軌道(Highly Elliptical Orbit;HEO)衛星,高度在3.6萬公里以上,用於技術開發與觀測;第二種是地球同步軌道(Geostationary Orbit;GEO)衛星,距離地表3.6萬公里,繞行地球一圈的時間正好是24小時,與地球自轉速度一樣,因此看來像是固定在地面同一位置,訊號涵蓋地球的面積最廣,只要3到4顆同步衛星,就能涵蓋整個地球,主要用於衛星電視轉播、廣播。

 

第三種是中地球軌道(Medium-Earth Orbit;MEO)衛星,距離地表2,000至1.5萬公里,多用來提供GPS導航、定位。第四種是低地球軌道(Low-Earth Orbit;LEO)衛星,簡稱低軌衛星,距離地表500至2,000公里,在人造衛星的六大應用中,包含通訊、遙測、導航、氣象、科學探索和國防,而低軌衛星高達70%用來通訊,9%則是遙測,也就是利用影像做環境監控、氣象監測、洋流分析等。

 

上游元件、衛星接收天線和元件、纜線、電源供應器和網通設備等五大關鍵零組件,正是臺灣廠商的強項,臺廠相對容易快速切入。

 

為什麼低軌衛星的數量突然倍增?由於低軌衛星離地球最近,具備低延遲、高頻寬、低成本等特性,在某些不方便架設基地台的地方,如高山、海上、偏遠地區或飛機上,都能接收衛星網路訊號,補足既有行動網路通訊的不足,兩者互相搭配,可以達到更高的覆蓋率,實現海陸空暢行無阻的行動世界。

 

市場規模倍數提升 造就低軌衛星熱潮

 

過去並非沒有衛星網路,這波新的太空熱,主要是因時空背景已然不同。廖榮皇分析,首先是發射成本大幅下降。衛星由火箭發射上太空,在20年前,要把1公斤的酬載送到外太空,可能就要超過10萬美元,但如今科技進步,再加上由Tesla創辦人、話題企業家馬斯克(Elon Musk)主導的SpaceX,在5年前研發出可回收的火箭,不再用一次就丟,讓單次發射成本大幅下降,每公斤發射成本將降至1,000美元以下。

 

第二是市場規模以倍數提升。廖榮皇指出,以地球共72個衛星軌道來看,每一個軌道要有22顆以上的低軌衛星,才能達到全球覆蓋率,因此至少需要1,584顆低軌衛星才足夠。

 

但在實際發射上,因為每顆衛星有訊號強弱和頻寬大小的差異,以及要有備用衛星等因素,真正需要的低軌衛星數量會更多,比起同步軌道衛星,數量相差千百倍,當市場規模變大,周邊硬體設備的需求變多,商機自然也更大。

 

另一方面,同步軌道衛星的使用壽命約可長達15年,但低軌衛星離地球最近,受到的空氣阻力也最大,大約4、5年就會掉落,「基本上就跟現在電腦和手機的生命週期一樣。」當生命週期變短,又需要大量零組件,即造就了低軌衛星的龐大市場。

 

「快太空」時代來臨! 發射速度成關鍵

 

因為時空背景不同,連帶也讓低軌衛星出現不一樣的發展模式。廖榮皇表示,相比過去「新太空」(New Space)的概念,是以空間維度的角度,探索未知領域;現在則是「快太空」(Fast Space)時代,「能否快速搶得市占率是重要關鍵。」

 

由於衛星並非無限發射,需要控管數量,才不會在太空中「塞車」,任何國家或衛星運營商在發射前,都必須先跟國際電信聯盟(ITU)申請,屬於「先申請先贏」的概念,但在一段時間內,發射量必須達到申請數目的一半以上,否則ITU會將發射權收回。因此衛星營運商得要快速製造、發射,才能比競爭對手更早占領軌道空間,並且更快一步展開後續應用,搶得市占。

 

過去同步軌道衛星製造嚴謹,使用的技術和硬體元件都非常高階,一顆衛星至少需要耗費4、5年才能完成,失敗率只有萬分之幾。但像SpaceX就發展出有別於傳統衛星的模式,大量採用商規元件、縮短流程,想辦法讓衛星快速發射,廖榮皇指出,在目前SpaceX發射的3,100顆低軌衛星中,失敗率高達8%至9%,光是一顆成本就要耗費50萬美元,「這是過去做太空衛星難以想像的事。」但這也凸顯了,在低軌衛星的世界中,「快速」有多重要。

 

 

發揮資通訊強項 地面設備商機無限

 

這塊全球競逐的衛星大餅,供應鏈有3類參與者,第一是衛星運營商,目前全球有四大巨頭,分別是由馬斯克領軍的SpaceX、英國政府和印度跨國企業聯合營運的OneWeb、亞馬遜旗下的Kuiper,以及加拿大老牌衛星商Telesat。第二是系統商,也就是負責製造衛星的業者;第三則是衛星次系統和元件的供應商。

 

若以產業角度來看,衛星有四大次產業,也就是衛星製造、衛星發射、地面設備和應用服務。以衛星運營商來說,前3項都在燒錢,唯一能賺錢的就是應用服務,像是提供使用者上網服務、撥打電話、拍攝衛星照片等。

 

廖榮皇指出,過去很多衛星運營商都宣告破產,原因就是商業模式若不夠健全,光在前面3個階段,錢就燒光了,目前SpaceX看起來可能是史無前例第一個成功的衛星運營商,正因為SpaceX將很多技術垂直整合,「對衛星運營商來說,這4個次產業環環相扣,只有像SpaceX這樣全都掌握在手上,才能善用時機賺錢。」

 

過去在中、高軌衛星市場中,由於技術太過高階、衛星數量又少,臺灣廠商很難參與,但低軌衛星的崛起,給了臺灣廠商切入太空市場的良機。根據SIA統計,2021年全球衛星產值占比,51%是地面設備,43%是應用服務。目前臺灣已有40多家廠商切入國際的衛星供應鏈,其中高達98%正屬於商機最大的地面設備。

 

這其中包含上游元件(如晶片、PCB)、衛星接收天線和元件(如天線、外殼、支架、內部微波元件、功率放大器)、纜線、電源供應器和網通設備等五大關鍵零組件,「和既有的資通訊設備高度重疊,這正是臺灣廠商的強項;同時地面設備不用上太空,技術門檻較低,臺廠相對容易快速切入。」

 

四大建議 有助臺廠加入太空戰局

 

針對有意參與低軌衛星競賽的臺廠,廖榮皇也提出四大建議。第一從技術面來看,目前臺廠大多還是從較低階的元件或零組件切入國際供應鏈,建議未來要往系統整合面發展,做到整機組裝,甚至針對利基應用市場研發系統,讓技術往高值化邁進。

 

第二從產品面來看,地面設備雖然是臺灣的強項,但也不該侷限於此,在其他三大次產業,臺灣也有機會。在應用服務上,臺灣有很多新創和AI公司,可思考如何利用衛星通訊推行創新服務;在衛星製造和發射上,同樣可切入關鍵零組件,讓製造價值翻倍。同步發展四大面向,不僅有助臺廠拓展商機,對未來臺灣想要發展健全的太空產業也很重要。

 

第三從財務面來看,建議臺廠要更開放接受國際資金的合作。廖榮皇指出,臺灣很多從衛星小耳朵起家的老牌衛星廠,大多屬於家族企業或較保守的股權結構,較無法接受外資參與,「這不只是財務槓桿的問題,而是透過外資獲得外部市場的機會。」像是韓國的韓華系統便投資OneWeb,就是為了掌握星系的採購權和營運發展機會,臺廠如果能在財務上有更開放的國際策略合作思維,將更有助未來發展。

 

第四從通路面來看,則要多點想像力,有些業者可能覺得衛星和本業並不相關,而把自己局限在某一範疇內,「但科技和太空產業發展很快,以後大家可能都不知道本業是什麼?所以多點想像力,就能把原有的技術運用在太空領域,擴大本業。」神秘的太空總承載著人類的夢想,在見證新的太空時代來臨之際,臺灣也有機會走向太空產業的世界舞台。

 

 

全球巨頭搶占太空制空權

低軌衛星商機臺灣吃得到

 

看好衛星與地面通訊的互補優勢,低軌衛星成了太空商機中的明日之星,也為發展已久的衛星產業,注入了新活水。工研院產業科技國際策略發展所分析師楊欣倫指出,目前全球低軌衛星運營商主要為四大巨頭,分別是由特斯拉(Tesla)創辦人馬斯克領軍的SpaceX、英國政府和印度第二大電信集團聯合營運的OneWeb、亞馬遜旗下的Kuiper,以及加拿大老牌衛星業者 Telesat。

 

這些業者向聯邦通訊委員會(FCC)遞送的非同步軌道衛星的申請數量,皆突破千顆等級,形成巨型星系(Mega-constellation)。由於衛星軌道和頻段資源,採先到先審制,四大巨頭無不積極搶進制空優先權,各有不同布局。

 

臺灣衛星通訊產業的優勢在於具備資通訊產業基礎能量,具有快速的工程能力、成本控制,國防資安風險低,目前地面設備和部分衛星元件已打入國際供應鏈。

 

達成全球覆蓋 SpaceX邁入試營運階段

 

引領這波低軌衛星熱潮的,首推SpaceX的星鏈(Starlink)計畫。Starlink目標在全球提供可用的衛星寬頻網路,自2019年5月啟動首批衛星發射後,至2022年9月4日累計發射衛星數量來到3,259顆,達成全球覆蓋。

 

2020年中,Starlink在內部員工啟動家戶寬頻衛星的測試服務,2022年展開商業營運,至6月底全球已有超過40萬用戶,遍及全球36個國家。受到通貨膨脹影響前期安裝硬體設備的費用599美元,消費者只要月付110美元,可能享有高達100Mbps的下載速度和20Mbps的上傳速度,目前Stralink也是四大巨頭中,唯一針對終端消費者提出服務方案的低軌衛星運營商。

 

楊欣倫指出,SpaceX在寬頻衛星的布局上,不只限於偏鄉郊區固定聯網的用戶,也同時往移動地面站(Earth Stations in Motion;ESIMs)布局,涵蓋大型車輛、海上船舶、機上聯網等移動載具上的通訊設備,搶攻更多移動商機,並且在2022年陸續推出海事、航空、RV等面對企業用戶與消費者的方案。

 

 

加快發射進程 衛星運營商各擅勝場

 

緊接在SpaceX之後,貢獻第二多發射數量的是OneWeb。從2019年2月啟動首批衛星發射後,至2022年3月已發射428顆,訊號涵蓋範圍在北緯50度以北,目標是向北半球部分地區提供衛星寬頻網路服務,包含加拿大、阿拉斯加、格陵蘭、北歐等國家,全球商業服務則預計在2022年開始。

 

值得注意的是,由於OneWeb由英國政府和印度Bharti集團共同營運,雙方在英國、南亞、非洲等地皆有布局區域地面網路,後續串聯低軌通訊衛星寬頻服務,提供地空網路的互補互利將可預見。

 

不讓馬斯克專美於前,亞馬遜創辦人貝佐斯也以Kuiper計畫,加入這場太空戰局。Kuiper初始申請獲准的衛星數量為3,236顆,但至今尚未有衛星實際發射升空,更令人好奇他的布局。目前Kuiper規劃在2022下半年,發射兩顆試驗衛星,若其首批量產衛星能在2023年底或2024年初發射,有望建成星系並於2025年投入實際使用。

 

Kuiper的訊號範圍在北緯56度到南緯56度之間,目標鎖定家庭寬頻與行動寬頻等應用。楊欣倫表示,除了提供連網服務,未來Kuiper與亞馬遜旗下不同計畫的整合,如Amazon Prime Air(無人機配送)或Amazon Scout(自動物流配送)也備受關注。

 

四大巨頭最後一位參賽者Telesat,原為高軌通訊衛星運營商,在2018年1月率先發射一顆低軌試驗通訊衛星進行測試,希望未來能為偏鄉用戶提供連網服務。Telesat將低軌通訊衛星計畫命名為Lightspeed,原先規劃數量298顆,因通膨因素縮減至188顆,主要用於地面網路基礎建設不易的偏鄉、多島嶼/離島或極端氣候等區域,未來將鎖定在B2B的用戶群。

 

值得一提的是,日前蘋果宣布iPhone 14支援衛星緊急救援服務,則是由非四巨頭的行動衛星通訊公司Globalstar提供。外電報導,該公司未來85%的網路頻寬,將會被蘋果包下,而蘋果也將資助Globalstar未來95%的資本支出,顯示蘋果透過異業合作,也參與了低軌衛星的發展。

 

衛星4項次產業 地面設備商機最大

 

當全球爭相競逐太空戰場之際,臺灣也有機會找到切入點。工研院產科國際所分析師呂珮如指出,衛星產業主要涵蓋4項次產業,包括地面設備、衛星製造、衛星服務與衛星發射,「其中以地面設備囊括半數全球衛星產值,商機最大。」

 

「地面設備和臺灣既有的資通訊產業高度重疊,包含晶片、PCB、天線、電源供應器和網通設備等,供應鏈相對完整,加上國際地端設備需求在於控制成本,也是臺灣強項,」呂珮如分析,加上國防資安議題也排除紅色供應鏈,是臺灣很好的機會。目前臺灣衛星產業外銷能量多集中在地面設備與部分衛星元件,2020年產值高達新臺幣1,715億元。

 

在衛星製造上,過去臺灣在科研計畫下發展遙測、通訊衛星之研製,但因需求不穩定,投入家數少,非持續性的供應產品。隨著國際低軌衛星星系的規模以倍數放大,追求具成本競爭的替代元件,帶動國內元件發展航太認證,有助產品量與質的提升。

 

在衛星服務上,因臺灣內需市場已具備相對完善的地面網路,既有衛星通訊多支援在衛星電視及海事通訊等服務,同時也提供遙測服務,供產學應用,如分析地貌、氣候等。值得注意的是,因應臺灣所在的戰略位置,銜接北亞與東南亞,未來發展衛星寬頻對海空或緊急通訊備援,可望形成新的需求模式。

 

在衛星發射上,低軌衛星發射主要由美歐俄等業者掌握,進入門檻高,國內現有能量聚焦在衛星發射的仲介工程服務。關於火箭研製,也處於研發測試階段,目前投入家數極少。

 

發揮資通訊強項 臺廠可掌握太空商機

 

整體來說,臺灣衛星通訊產業的優勢在於具備資通訊產業的基礎能量,具備快速的工程能力、成本控制,國防資安的風險也低,目前地面設備和部分衛星元件已打入國際供應鏈。

 

「臺灣廠商的劣勢在於缺乏通訊衛星自主研製的經驗與人才,衛星發射尚在學研界開發階段但整體缺乏商用價值,特就地面設備次產業來看,外銷能量雖大,但仍以元件或次系統為主,相對欠缺低軌寬頻衛星地面設備系統整合能量。」呂珮如說。此外,臺灣非聯合國成員,對國家布局太空端資源相對受限。不過,隨著全球低軌衛星寬頻通訊商機崛起,政府的政策也鼓勵進行產業升級,往系統整合發展,對臺灣廠商仍是很好的機會,只要掌握市場方向,深化國際合作關係,投入關鍵技術的研發,仍可在優勢利基市場,占有一席之地。

 

掌握自主技術

延伸5G優勢再戰衛星商機

 

人造衛星的發展至今已逾一甲子,2016年以前,全球營運衛星總數僅1,100多顆。但在包括SpaceX在內的多家太空與衛星通訊業者的推波助瀾下,2020年,全球單是低軌衛星就增加超過1,100顆。根據非營利組織憂思科學家聯盟(Union of Concerned Scientists;UCS)的統計,截至今年5月,全球營運中衛星來到5,465顆,低軌衛星占了86%,而具備通訊功能的衛星超過6成。

 

今年6月,制訂行動通訊標準的3GPP發布最新5G演進版本R17,支援非地面網路(Non-Terrestrial Networks;NTN)存取,宣告5G通訊躍上衛星,達成陸海空無縫連結、全覆蓋立體通訊的應用情境。

 

臺灣在5G的生產製造、研發經驗及技術,都可以延伸應用到低軌衛星上。

 

從精品到消費品 

低軌衛星扮下世代通訊要角

 

衛星通訊的挑戰有哪些?「早年衛星大多距離地球相當遙遠,在超過3萬6,000公里的太空中,必須面對太空中高強度的宇宙輻射、低溫等惡劣環境,」工研院資訊與通訊研究所所長丁邦安解釋,高軌衛星採用的電子元件必須擁有高強度的抗輻射驗測與特殊製程,以保護衛星不受高能電磁波打穿,「單是衛星上的一台電腦就要價新臺幣1,000萬元。」

 

「高軌衛星可以說是精品、奢侈品,數量相當稀少,也因此早期衛星幾乎都操控在國家手中,多與軍事用途相關,」丁邦安進一步說明,隨著科技巨頭們開始探索距離地球相對近,約500公里至2,000公里的低軌道衛星之後,那裡的太空輻射環境沒這麼嚴苛,幾乎可以商用元件取代太空元件,成本大幅降低,也象徵著衛星從奢侈品轉為消費品。隨著成本降低,衛星數量得以放大,用於通訊的低軌衛星一旦毀損,鄰近衛星也能立即補位,不影響通訊品質。麥肯錫公司估計,若現有發射計畫全都順利執行,將有7萬顆衛星進入地球軌道,相關的應用與商機相當可觀。

 

太空產業蓄勢待發 臺灣不能缺席

 

臺灣投入太空科技始自1990年代,在國科會下成立「國家太空科技發展長程計畫規劃小組」,擬定「太空三期計畫」,由國家太空中心負責執行,以發展衛星為主軸,逐步將臺灣科技能量推往太空。在前兩期的計畫裡,奠定了臺灣的衛星科技基礎,也培育相關人才,大部分以感測,如氣象衛星、科學實驗目的為主。

 

有鑑於臺灣在半導體、資通訊與精密製造領域的長期優勢,總統蔡英文在2021年宣布太空產業為「六大核心戰略產業」的關鍵項目,並透過第三期國家太空計畫,10年投入251億元,達成自製衛星發射目標。此外,我國也通過「太空發展法」,結合產、官、學、研能量,進一步發展通訊技術,建立臺灣太空產業鏈,工研院即是重要成員之一。

 

工研院正在建構自有技術,協助國內廠商競逐低軌衛星市場,將衛星研發、製造的供應鏈留在臺灣。

 

善用5G基礎 助低軌道衛星研發

 

談起臺灣在太空科技發展的優勢,丁邦安分析,低軌道衛星所用的Ka頻段在26.5至40 GHz之間,與5G毫米波頻段有部分重疊;而目前臺灣產業在5G發展上,無論是半導體、晶片以及通訊天線陣列、基地台等方面,都相當成熟。

 

「這代表著5G的生產製造、研發經驗及技術都可以延伸應用到低軌衛星上,」丁邦安進一步解釋,低軌道衛星所需的相位陣列天線相對5G較大,因此地面終端接收效能至為關鍵,所幸地面終端的毫米波晶片與5G接近,晶片技術也都相仿,「臺灣半導體實力堅強,可以支撐這方面的開發,甚至可以賣到全世界,成為國際供應鏈的要角。」

 

工研院自2020年開始布局,先實行可行性分析,再進一步執行系統規劃。丁邦安表示,雖然臺灣5G經驗豐富,晶片、系統設計與人才俱全,然而低軌道通訊的環境和地面5G通訊畢竟有所差異:有別於地面通訊500公尺至1公里的距離,低軌道衛星至少需達500公里的傳輸,訊號易衰減;低軌衛星轉速快,每秒可達7.4公里,僅90分鐘即可繞地球一圈,如此高速移動下,往往會造成通訊的損失與偏移,需透過通訊系統的設計進行減輕與補償。

 

對於工研院通訊系統設計團隊可以很快進入衛星酬載領域,丁邦安認為,最重要的領路人與夥伴是國家太空中心,他表示,太空中心多年來執行太空計畫,以發展衛星本體為主軸,累積了豐厚的人才與技術儲備,相關經驗的無私傳授是工研院跨入相關領域時最棒的前輩與教練。工研院也派駐團隊到太空中心,雙方密切合作。

 

「過去臺灣在資通訊領域的成功,多受惠於全球市場的標準化與開放架構,然而,現階段低軌道衛星通訊協定各家標準不一,尚無一致標準,是比較有挑戰的地方,」丁邦安說。因此,工研院除了參考市面上現有的系統,也向已有經驗的歐洲航太中心取經,更將進一步地展開合作、授權。

 

備齊自主研發量能 擁衛星供應鏈商機

 

「現在積極建立低軌衛星技術的最大目的,就是期望未來臺灣製造自己的低軌道衛星通訊系統時,無論技術、人才或是零組件全都可以國產化,無須仰賴進口。」丁邦安表示,歸功於5G基地台技術國產化所奠定的基礎,目前地面終端所需的重要元件,臺灣皆能自主生產;衛星與地面站的天線陣列、射頻晶片、通訊協定等,工研院也能自主研發製造;針對抗輻射電路設計與相關零組件設計,則已獲得臺大、陽明交大等各校教授授權使用。

 

「我們期待2023年時,整個低軌衛星系統通訊酬載與地面中的關鍵射頻晶片、相陣列天線、通訊協定與軟硬體開發整測環境等核心能量可以全部自主設計與製造,2024年在太空中心進行組裝測試,2025年就進行衛星發射。」丁邦安直言,如今低軌道衛星已經進入戰國時代,無論從國家戰略或是商業競爭的角度來看,臺灣迫切需要備齊自主研發量能。丁邦安說,工研院現在做的就是建構自有技術,讓國內廠商在競逐低軌衛星市場時,工研院有技術能量可以提供協助,將衛星研發、製造的供應鏈留在臺灣。

 

 

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