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09/10/2020

【星鏈計劃】構建衛星寬頻網絡,觸發低軌道空間全球爭奪戰!

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  • 方展策

    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

  大家生活在大都市內,無線上網當然又快又容易,但居住在偏遠地區的民眾要上網通訊卻非易事。根據聯合國最新數據,目前全球仍有57%人口(約42億人)無法上網。為收窄此「數碼鴻溝」(Digital Divide),有人提出透過通訊衛星,向偏遠地區發射寬頻訊號,用戶只要架好天線,無論是身處深山幽谷抑或遠洋小島,都能享受到城市般順暢的上網體驗;當中的推動者之一正是近年憑Tesla電動車撈到風生水起的科技狂人伊隆·馬斯克(Elon Musk)。

 

星鏈網絡提供廉價寬頻

 

  2020年10月6日,SpaceX的獵鷹9號火箭(Falcon 9)運載第13批60顆微型衛星,從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空,迄今累計成功發射逾700顆低軌道的通訊衛星。

 

由SpaceX自行研製的獵鷹9號火箭,肩負發射星鏈衛星的重任。它是歷史上首枚可多次重複使用一級推進器的液體燃料運載火箭,顛覆了運載火箭只能一次性使用的固有思維。(圖片來源:SpaceX官網)

獵鷹9號火箭張開回收降落腳架,利用略低於火箭重量的推力反向噴射軟著陸後,即可回收重用。(圖片來源:維基百科)

獵鷹9號迄今已發展出5個版本:(從左至右)獵鷹9號1.0版、獵鷹9號1.1版的三個版本、獵鷹9號全推力版的三個版本、獵鷹9號Block 5的三個版本、以及獵鷹重型火箭的兩個版本。現時運載星鏈衛星的是獵鷹9號Block 5。(圖片來源:維基百科)

獵鷹9號火箭單次已能運載與投放60顆星鏈衛星,令衛星發射成本得以大幅下降。(圖片來源:維基百科)

 

  SpaceX正是馬斯克於2002年創立的民營航太公司,目標是研製可重用的火箭,以降低太空運輸成本,並進行火星殖民。2015年,馬斯克發表一項基於通訊衛星的太空互聯網項目——「星鏈計劃」(Starlink),旨在為全球人類提供平價的寬頻網絡服務,而星鏈服務所賺取的收入,則是推動其火星計劃的必要資金。

 

  所謂「通訊衛星」(Communications Satellite),是指傳遞與放大無線電通訊訊號的人造衛星。這就好像是把架設大廈天台的無線網絡基站移到太空中,好處是覆蓋範圍非常廣闊,可讓訊號傳遞至全球任何一個角落。

 

高中低軌道三大類型衛星

 

  目前通訊衛星可按距離地面的高度,劃分為同步軌道衛星、中軌道衛星、低軌道衛星三大類型。同步軌道衛星(Geostationary Earth Orbit,GEO)意指距離地面35,786公里,跟地球同步運轉的衛星,因高度夠高,故只需3顆衛星便可覆蓋地表大部分地區;但也因訊號發送距離較遠,致使訊號延遲時間較長,約為250毫秒。除通訊外,這類衛星還可應用於電視廣播、氣象觀測,以及國防用途。

 

  中軌道衛星(Medium Earth Orbit,MEO)在距離地面2,000公里至35,786公里之間的軌道運行,因所處位置較低,所以延遲時間亦較短,約為100毫秒,惟卻需要20顆衛星才可覆蓋大部分地區。這類衛星主要用作定位導航,大家常用的手機GPS定位,背後全靠中軌道衛星支撐運作。

 

  低軌道衛星(Low Earth Orbit,LEO)則是距離地面2,000公里以內的衛星,正因為距離地面較近,故延遲時間可縮減至20毫秒,但卻需要較多數量始能覆蓋大部分地區。離地2,000公里約需5,000顆衛星,離地500公里則需要10,000顆衛星。

 

衛星發射成本大幅下降

 

  SpaceX星鏈衛星分布於1,100公里、550公里與340公里三個高度,故此馬斯克計劃用11,943顆衛星組成衛星通訊群,圍繞地球運轉,構建成本低廉的無線寬頻網絡。那麼,星鏈網絡開通後,究竟上網費用能便宜到甚麼程度呢?雖然暫時還未有確切答案,但大家試想一下,要在高山或沙漠鋪設光纖纜線,成本是何等昂貴;若改以通訊衛星發送無線網絡,就可省去高昂的布線成本。

 

  然而,發射衛星的成本不是也很昂貴嗎?事實上,隨著SpaceX掌握了火箭重用技術,多次成功回收和再利用火箭硬件來進行升空,火箭發射成本已下降不少。另一方面,近年微型衛星亦開始成為主流,生產成本較低之餘,火箭單次更能運載數十顆衛星,使衛星發射費用進一步降低。同步軌道大型衛星需1億美元(約7.8億港元)的發射成本,低軌道微型衛星只需1,000萬美元(約7,800萬港元)已能發射64顆了!自2019年起,SpaceX便積極發射星鏈衛星,預計完成全部部署的成本約為100億美元(約780億港元)。

 

馬斯克原本想從俄羅斯購買火箭,惟因價錢太貴而談不攏,於是決定創辦一家公司,自行生產低成本的可重用火箭。時至今日,SpaceX不但已具備發射、回收、重複使用運載火箭的能力,更能夠發射載人飛船進入太空軌道。(圖片來源:維基百科)

 

2020年底北美投入服務

 

  雖說星鏈衛星有如架設在太空的無線網絡基站,但用戶不能直接用手機或電腦連接衛星,而是要透過衛星天線接收衛星訊號,再轉換成Wi-Fi訊號傳至手機或電腦,才可連線上網。馬斯克表示,Starlink衛星天線非常容易安裝,只要插上電源,並放在可清楚看到天空的地方,天線的內置摩打即會自行啟動,轉到最適合的接收角度。

 

  2020年夏季,SpaceX已開始對運行中的數百枚星鏈衛星進行Beta封測,並在社交媒體發帖指,初步測試的下載測試速度已達100Mbps。雖然此速度尚未達SpaceX原先提交給美國聯邦通訊委員會(FCC)文件中承諾的Gbps級數,但對網速僅有1Mbps的美、加村鎮居民來說,已是喜出望外了。

 

  SpaceX指出,美國已有接近70萬名潛在用戶對星鏈服務表示有興趣,需求高於預期,於是2020年8月向FCC提出申請,要求將衛星天線基站的官方授權數量從100萬部增加至500萬部。該公司又表示,星鏈網絡將於2020年底會在美國北部與加拿大南部投入服務,2021年更會把服務拓展至全球,預計到2025年可帶來300億美元(約2,340億港元)的收入,潛在市場規模更可望達至1兆美元(約7.8兆港元)。

 

全球爭奪低軌道空間資源

 

  由商業角度視之,星鏈衛星的市場定位應是取代既有的中軌道衛星。這類衛星的發射與維修成本皆高,很有可能被低成本的星鏈衛星取而代之,逐步瓜分其市場份額;至於星鏈市場規模,是否真的有如SpaceX所述的1兆美元,目前還是有待觀望。

 

  不過,從戰略角度來看,現時中軌道已擠滿衛星,只有低軌道仍是空著,在「佔一個位、少一個位」的大前提下,低軌道衛星已成全球太空科技競賽的新戰線。SpaceX表明,星鏈計劃不會止步於11,943顆衛星,未來還會陸續增至42,000顆;亞馬遜(Amazon)發表了「古柏計劃」(Project Kuiper),擬斥資100億美元(約780億港元),發射3,236顆低軌道小型衛星;加拿大衛星通訊商Telesat亦已宣布,將投放220顆大型衛星到低軌道。

 

  市場估計,及至2029年低軌道衛星數量將高達5.7萬顆,屆時可用空間將會變得所餘無幾。因此,儘管市場還未成形,但在「搶位為先」的迷思下,相信全球業者拼了命也要追趕上去,搶佔有限的低軌道空間資源。

 

Reddit討論區用戶darkpenguin22開車經過威斯康辛州的SpaceX站點時,拍下並上傳疑似是Starlink碟形衛星天線的相片;圖中外形有點像雞蛋的物體,估計是用來保護衛星天線的防護罩。(圖片來源:Reddit討論區)

有興趣試用星鏈網絡的朋友可前往Starlink網站(www.starlink.com)註冊,只要輸入電郵及郵遞地址(香港部分地區也可找到),即可接收所在地的星鏈服務最新資訊。(圖片來源:Starlink官網)

 

 

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