從星鏈計畫看低軌道衛星商機（3）

王志強博士

2022年中推出的第二代星鏈（Starlink）衛星，本體長度為7公尺，重量1,250公斤為第一代的5倍重。第二代的設計規格考慮到SpaceX新的發射系統「星艦號」（Starship）直徑為9公尺，長度7公尺的衞星剛好可以躺平、疊放在艙內的衞星發射架上。本文還是從第二代Starlink衛星的火箭發射談起：

火箭發射

第一代Starlink與台灣的福衛五號衛星，都是由「獵鷹9號」（Falcon 9）發射到低軌道– Falcon 9的第一節火箭（Booster）使用9具Merlin液態火箭。載運第二代Starlink衛星的「星艦號」（Starship）所使用的「超重型火箭」（Super Heavy Booster, B7）安裝33具SpaceX自行研發的「猛禽引擎」（Raptor）（註一）。
 

大部分的液態火箭的燃料是採用精煉煤油RP1，優點是常溫下為液態、容易儲存，缺點是燃燒後產生「焦化污漬」（Coking）。因為過去大部分的火箭是一次性使用，所以焦化不是問題，但是如果需要重複使用火箭引擎，清理引擎上的「焦化污漬」會是個頭痛的問題。

SpaceX的「獵鷹九號」（Falcon 9）使用的Merlin 火箭引擎就是使用RP1為燃料，每次回收後都需要花上數週的時間做清理。為了避免coking的問題，有些液態引擎採用液化氫為燃料（例如如太空梭主引擎），SpaceX則採用「液態甲烷」（就是液化天然氣CH4），猛禽引擎使用CH4為燃料也是前所未有的創舉。

附帶一提，Blue Origin開發的BE4引擎也採用甲烷為燃料。天然氣燃燒後沒有焦化的問題，這個優點使得快速清理Starship上的33具火箭引擎成為可能。

第一代Starlink衛星

Starlink最初的服務對象設定在沒有基地台的偏遠地區，或是海洋中的船艦及空中飛行的飛機–要達到這個目標，Starlink衞星之間必需要能夠「互相傳訊溝通」（inter-satellite communication）。

第一代Starlink衛星並沒有這項功能，當時是依靠建立地面站來解決信號傳輸問題：除了在使用者自家安裝19吋圓盤或20 x 12吋方盤天線外，還得靠附近的「地面接收站」（Ground Station），以及電信營運商既有的地面光纖網路。一般一個400平方公尺圍籬的地面接收站設有9個直徑2.86公尺的雷達天線（參見下圖）。
 

以美國為例，共有32個「地面接收站」（Gateways），每一個接收站方圓800公里（500哩）的用戶，利用自家平盤天線，經由通過上空的䘙星和鄰近的地面接收站連接；換句話說，地面接收站和自家天線必需鎖住同一顆衞星，因為第一代Starlink衞星之間沒有互相溝通的功能。

用戶上傳或下載的訊號都需要透過現有的地面/海底的光纖網路傳輸，再依賴靠近住家附近（800公里內）地面接收站的Ka-band電磁波，傳送到正在通過上空的某顆Starlink衞星，這顆Starlink衛星再將訊號傳到用戶的天線上，這也是為什麼在海洋上沒有Starlink網路的原因。

第二代Starlink衛星

Starlink衛星從第1.5代就開始就有inter-satellite communication 的能力，第二代Starlink衛星（註二）間通訊是利用雷射光作訊號傳輸（Laser Inter Satellite Link；LISLs）；光在太空中傳播速度要比在光纖上更快，大約快30%，在真空中以光速直接傳輸，比起經由地面站、透過光纖網路，信號延遲可降低50%，而且由於當前技術可以有效控制雷射光束精度，更可以大大的增加通訊頻寬。

第二代Starlink衛星在2022年中已經出現，它的功能比第一代至少增強5倍。第一代與第二代同樣使用四片「相控陣列天線」（Phased Array Antenna）（註三），其中兩片用來跟「地面站」（Gateways）連繫，另兩片用來跟地面用戶連繋的。

Starship可運載150公噸荷載到「近地軌道」（LEO），一次可運載110~120顆第二代Starlink衛星。這個數目的衞星剛好可以一次佈滿一個軌道面，而「星鏈星座」（Starlink Constellation）在53度傾角，550km高度的「殼層」共有72個軌道面。

根據SpaceX說法，當第二代Starlink衛星開始量產，再加上Starship的巨大運載能力，第二代Starlink衛星的成本將會比前一代更低，可以預期前一代的Starlink衛星會被淘汰，獵鷹9號的Starlink發射任務也將終止。

看完本系列的三篇文章，讀者是否可以看出Musk要在低軌道建立起6G通訊網路的商業版圖？ 台灣廠商曾經幫助Tesla開創出電動汽車市場，「星鏈計畫」所衍生的龐大商機，不正是台灣ICT產業的強項，台灣廠商又怎能缺席！

註一：SpaceX的「猛禽引擎」（Raptor）

註二：「星鏈計劃」（Starlink）現況

註三：星鏈（Starlink）相控陣列天線

地面接收站（Gateways）及9個直徑2.86公尺的雷達天線