低轨卫星业者试图透过雷射光串联太空中相邻卫星,构建卫星通讯传递链路。如何依不同营运模式布建、营运地面闸道器,并与各国电信商合作,同时符合各国监管机关的通讯监察法规,是业界未来努力的目标。

空对空雷射光通讯加持 低轨卫星网路布局席捲全球

  SpaceX于2015年提出Starlink计画,分别于2016、2017年向FCC提出共计11.927颗LEO卫星,并于2019年底透过FCC向ITU申请30.000颗LEO卫星频段。迄今该公司已规画将近42.000颗LEO卫星。

  SpaceX自2019年5月24日首次发射60枚LEO卫星至2021年5月4日止,已进行27次LEO卫星升空,将近1.500枚LEO卫星发射至距地面550公里的轨道上并提供服务。随着LEO卫星布建数量成长,2020年3月开始,SpaceX在美国进行Beta版的服务试验,并于2021年逐步在加拿大、英国、德国、波兰、澳洲、纽西兰等6国提供Beta版的服务试验,并已累积超过50万笔订单。SpaceX表示将在2021年内将LEO卫星覆盖范围扩展至近乎全球。

  目前SpaceX主要提供服务的低轨卫星无法进行卫星间通讯,所使用的通讯模式仍是将低轨卫星作为中继站,将地面闸道器提供的通讯服务,透过低轨卫星从空中连接到使用者端,进而提供使用者通讯服务。当使用者距离地面闸道器太远,超出低轨卫星所能连接的范围,便无法建立通讯链路并提供通讯服务,因此目前低轨卫星所能提供通讯服务的范围,受限于地面闸道器设置的位置(图1)。

空对空雷射光通讯加持 低轨卫星网路布局席捲全球

  图1 地面闸道器对GEO及LEO卫星服务范围比较图

  资料来源:资策会MIC(6/2021)

  以往通讯卫星主要位于距地表面高度超过2.000公里的中、高空轨道,随着对于通讯低延迟的需求提高,卫星轨道随之往低空轨道移动,缩短讯号传递的距离,进而可将通讯延迟从180~600毫秒缩短至20~50毫秒。随着轨道高度从GEO降至LEO,高度降低36~72倍,地面闸道器对轨道的讯号覆盖范围及卫星对地面的讯号覆盖范围都大幅缩小,使得地面闸道器透过低轨卫星对使用者提供网路服务的范围大幅缩小,进而使相同服务范围内,低轨道卫星需要更高密度的布设地面闸道器,更导致在不易设置或无法设置地面闸道器的区域,如海域、极地等,将无法提供相关卫星网路服务。

  SpaceX目前已在美英德加澳纽等六国设置许多地面闸道器,其中又以美国的分布数量最多,多达51个站区,每一站区的天线数量多达8座。目前SpaceX在提供Beta版服务的国家境内都有设置多个地面闸道器,相较之下,卫星通讯服务商Inmarsat使用高轨卫星,仅须在全球设置30个地面闸道器即可提供全球卫星通讯服务,足见以目前SpaceX的低轨卫星星系,在一个区域内提供服务,须在服务范围内许多设置地面闸道器。

  雷射光串联卫星构建卫星通讯传递链路

  低轨卫星业者为了降低低轨卫星对于地面闸道器的依赖,开始发展以雷射光建立卫星间通讯的技术,希望透过雷射光在太空中串联相邻的卫星,构筑卫星间讯息传递链路,进而透过多颗串联的低轨卫星,将地面闸道器与远距离的使用者建立通讯链路,并减少卫星与地面闸道器的链路数量。

  雷射光通讯零组件供应业者表示,选用雷射光来建立卫星间通讯链路,主要是因为在传输量的部分,雷射光理论值可达电磁波的千倍,此外,雷射光对于电磁波的干扰非常小,且在真空环境下不会受介质影响而减速,可提供卫星间资料传递以直线最短距离、稳定且高传输量的卫星间链路。

  2021年1月,SpaceX先在与赤道夹角97.6度且会经过南北极圈的极地轨道上,发射10枚搭载卫星间雷射光通讯设备的低轨卫星,测试以卫星间雷射光通讯串联多颗低轨卫星,希望能够减少地面闸道器数量,并在无法设置地面闸道器的极地提供服务。依SpaceX的规画,2021年间只有布设在极地轨道上新的低轨卫星会搭载卫星间雷射光通讯;2022年开始所有新布设的低轨卫星,无论在哪个轨道上,都会搭载卫星间雷射光通讯。

  未来在新的区域内提供服务,可利用卫星间雷射光链路,经由数颗卫星传递至远处的地面闸道器与地面网路连接,尤其是地域广阔的国家、海面区域或南北极圈,可将足够流量的地面闸道器集中设置在太空与地面通讯环境较好的地方,可避免因气候因素影响地面与太空间的通讯,并不受地面网路铺设困难的限制。

  虽然使用卫星间雷射光通讯技术,可减少低轨卫星对地面闸道器的需求,甚至可以用一组地面闸道器对多个国家提供通讯服务,但大多数国家包括台湾,基于通讯监察塬则,要求境内使用者须透过境内设置的地面闸道器才可连接至网际网路,因此卫星通讯业者仍须配合在境内设置地面闸道器,才能符合该国监管机关的通讯监察相关规定。

  在过去,同为低轨卫星营运商的OneWeb曾为了要在俄罗斯提供服务,在俄罗斯监管机关期望下,取消卫星上的雷射光通讯设备,并在俄罗斯境内设置地面闸道器,让监管机关得以透过境内的地面闸道器进行网路监管。随着SpaceX的发展,将採用卫星间雷射光通讯设备,在SpaceX未在俄罗斯境内设置地面闸道器、亦未能让俄罗斯监管机关对境内使用者进行网路监管、掌控的前提下,俄罗斯透过修法禁止公民透过SpaceX的卫星使用网际网路。

  未来低轨卫星目标:全球皆搭载雷射光通讯设备

  日本是SpaceX努力争取服务的国家,希望最快能够在2021年底开始提供服务。依照SpaceX向日本提出的说明资料显示,为了在日本提供服务,会配合日本的通讯监察制度,将日本境内的地面闸道器设置于札幌,让日本的网路服务透过日本的闸道器与网际网路连接。

  依照SpaceX的规画,未来所有的低轨卫星都将搭载雷射光通讯设备,在太空中彼此连接形成空中的通讯链路,不受地面闸道器的分布限制,可向极地、海域等无法设置地面闸道器的区域提供服务;在幅员辽阔的国家中,也可不用在境内分散设置地面闸道器,只需在一个适合的地点设置足够的地面闸道器,利用空中的通讯链路,便可向该国境内所有区域提供网路服务,除了减少在服务范围内分散设置地面闸道器的营运成本,更可避免来自其他通讯设施的干扰,或降低气候产生的影响。

  接下来,SpaceX欲进入我国或其他国家提供服务,依不同的营运模式,由SpaceX自主布建营运地面闸道器、与各国电信业者合作使用地面闸道器或租用地面闸道器,以及如何配合国家对于网路的通讯监察需求并善用雷射光通讯设备,都是未来值得关注的方向。