65年前,蘇聯發射了全世界第一顆人造衛星,從此人類的生活與衛星密不可分。從氣象雲圖、行車導航到登山救難必備的衛星電話,衛星雖然遠在地球另一端,與你的關係卻比想像中更靠近。現在,人類更迎來史上規模最大的衛星競賽,低軌道衛星(Low-Earth Orbit;LEO)成為漆黑領空中的新亮點,全球科技巨頭紛紛搶進。
低軌衛星,通訊,SpaceX,星鏈

低軌衛星讓通訊無遠弗屆

資料夾icon 科技新知
行事曆icon 2022/11/23
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低軌衛星

撰文/陳怡如

65年前,蘇聯發射了全世界第一顆人造衛星,從此人類的生活與衛星密不可分。從氣象雲圖、行車導航到登山救難必備的衛星電話,衛星雖然遠在地球另一端,與你的關係卻比想像中更靠近。現在,人類更迎來史上規模最大的衛星競賽,低軌道衛星(Low-Earth Orbit;LEO)成為漆黑領空中的新亮點,全球科技巨頭紛紛搶進。

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!」


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。

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。」

2021年衛星四大次產業產值與市場分布。

2021年衛星四大次產業產值與市場分布。


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。


歷來發射衛星人類發射數量。歷來發射衛星人類發射數量。

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