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超雲端的浮思 –超小型人工衛星 (上)

時間:2012-08-13 14:16來源:陳乃塘 作者:陳乃塘 點擊:

相信有不少人肯定會存在著刻板的傳統印象,人工衛星這麼高科技的太空宇宙裝置,是先進國家或是放送通信事業業者把玩的領域,事實上真的是這樣子嗎?

其實,有一種體積甚微的超小型衛星,是電子業玩得起的把戲,而且可以從消費性產品的電子經驗與元件,延伸到這個產品領域,衍生出各種商業價值的應用;您會相信嗎?若是用這句話來把脈:『衛星 = 地球規模的超廣域感應器』,它已經將願景的輪廓點出三分。況且,人工衛星的內部構成與一般電子產品,差異也不大呀。



 

話說從前,人工衛星僅限於專門的業者,使用者也是特定的對象,體積龐大有如獨立的孤屋,巨額的開發費用,開發的期間長到難以估算,而該產品所使用的元件也都是太空產品專用等級的零組件。

 

所謂體積重量龐大是指公噸的水平。老天給我們的另一項禮物,是資訊廠商在電子產品上下游的進化,使得消費性產品的零組件,無論在使用上或是可靠度上,以10倍速的步伐提升了一大步。因而,在所謂低於100公斤的超小型衛星,無論在性能面還是可靠度方面,與傳統的大型衛星差異不會太遠,但是開發時間得以大幅度地減少。同時,由於沿用了消費性產品的元件,成本面的滑落更是誘人。

 

當衛星的門檻一口氣從極高峰化為丘陵般的高度時,傳統的電機業者人人有能力,爆發力的威力會是如何,可能會超越您的想像。衛星的特徵可以簡短說成乃是地球規模的超廣域感應器,能夠即時取得資訊;應用範圍從農業、礦業跨及到IT、內容產業。若是從科學小說的面向來預測,甚至可以這麼說,每一家有規模的公司,未來多可以擁有自己的人工衛星也說不定。好比說,計程車公司的衛星(交通賭塞的狀況)、建設公司的衛星(地盤下沉的測定)IT企業的衛星(資料多重化)、石油企業的衛星(海底油田的探索)、電力公司的衛星(電力耗費的狀況)、農林漁業公司的衛星、新聞公司放送業的衛星(即時新聞影像)、保險公司的衛星(災害的狀況)、海運公司的衛星(海賊監視、流冰的位置)、內容公司的衛星(從太空的極光攝影)等等等。

 

這時候的服務應用,可能超越雲端或者是讓雲端再度引爆一次新革命。日本某大商社更是高喊未來打上去1000台的超小型衛星之願景。

 

注:超小型衛星通常是說,重量低於100公斤,每邊長度數10公分程度的人工衛星。

 


1:闖出另外一片天空的超小型衛星。取自IBM

 

至於,傳統的人工衛星與超小型衛星的差異,將它整理成底下的表格;作為您的參考:

 1傳統人工衛星與超小型衛星的比較

 

傳統人工衛星

超小型衛星

重量

數公噸

低於100公斤

開發費用

很高

普通

開發期間

5

1~2

使用元件

高單價的宇宙專用品

沿用便宜的消費性產品元件

衛星製造商

比如日本三菱電機,NEC        ,

美國Lockheed Martin

電子業者多有機會

衛星用戶

限於國家,通信放送業者

一個公司一台的時代

 

 

機器、元件暨服務的新市場:

 

說到衛星新服務,勢必要提到谷歌(Google)。其知名的Google MapsGoogle Earth地圖服務就是人工衛星的運用才得以實現的。它就是利用提供地圖服務企業GeoEye20089月打上去的「GeoEye -1」人工衛星,具有商用攝影能力的衛星。而谷歌就是取得GeoEye -1的攝影影像利用的權利。

 

人工衛星與飛機攝影的差異點,即在於衛星往往在地球上方跟著轉。

 

注:「GeoEye -1」人工衛星,重量約2公噸,開發費用約5億美元。

 



2:GeoEye -1。取自Google

 

說來有趣,這個世界上超小型衛星的急先鋒,竟然就是陷於失落20年的日本(還在下一個10年失落中);由於日本的大學與研究機構從事於這方面的研究有好幾年的累積Know-How經驗與實力。

 

比如說,每邊長度10公分立方體、重量一公斤的人工衛星,也就是所謂地「CubeSat」,世界上最初打到太空的就是日本的兩個大學。開發「XI-IV」的東京大學以及開發「CUTE-1」的東京工業大學。20036月,這兩個CubeSat同時打上去。而最有趣的事實乃是兩者皆是學生獨立完成的傑作。

 

注:「CubeSat」的概念係由美國史丹佛大學教授Robert Twiggs1999年所提出。

CubeSat就是Cube Satellite的簡稱,細節詳見網路上維基百科。


3:Cube satellite。取自東京大學。

 

在這之前的200212月,千葉工業大學針對鯨魚生態觀測用途,打上去一個重量50公斤的衛星「觀太君」。就是由日本人工衛星業界的精銳(NEC人工衛星開發者與JAXA宇宙航空研究開發機構的好手)所共同開發的成果。

 

於是,「觀太君」與JAXA宇宙航空研究開發機構共同開發衛星小型化的實際驗證衛星「uLabSat」數十公斤等級還有數公斤源流的Cubesat,劃分成兩種系統分開來進化。

 

好比說,20091月同時打上去的7顆超小型衛星,東大的PRISM、東京都

立航空專門學校的KKS-1與香川大學的STARS,均是屬於CubeSat系。其餘的四顆就是屬於數10公斤等級的產品,JAXASDS-1就是箇中代表。

 

從這些超小型衛星的開發所獲得的最大經驗,就是消費性產品元件的採用。這也是為何超小型衛星的費用會呈現飛躍性的降低之主要理由。不過,消費性產品元件的開發,當初絕非是針對太空用途,在宇宙中能否正常動作也難以取得保證;況且,有輻射線可能引起的Soft error,引起的錯誤動作考量。於是,超小型衛星的開發者認真地實驗與施予在太空中的對策;經過實際上打上去的證明,消費性產品元件的確是可以採用。好問題來了,為什麼呢?其實這個背景可以追溯到日本汽車業者與家電業者對於元件的要求,讓元件開發商奮鬥的成果,使得元件的信賴度大大地提高。

 

而且還有一個好笑的現象間接也影響到這個趨勢。一般,人工衛星專用的宇宙專用元件,在同樣的機能下其價格往往是消費性產品元件的數千倍甚至數萬倍。而原本太空用元件的出貨量就很少,為了保證在太空中能夠動作,也必須反覆做實驗。元件製造技術的世代交替就緩慢很多。一旦實驗成功的元件又會有持續使用的傾向。而消費性產品元件的製造技術卻是日新月異,10倍速的時代。也就是這個好笑的理由,太空用元件的製造技術往往是消費性產品元件前幾代的東西;既昂貴,電力消耗量也比較高。

 

而最先端技術所製造出來的消費性產品元件,在超小型衛星上卻可以逃出太空用元件的魔咒;價格性能比隨著時間的飛逝越來越高。製造費用大幅降低之外,另一層的含意也許暗示著利用高性能高等級的消費性產品元件,也許慢慢地可以與傳統的人工衛星相匹敵,也說不定。

 

超小型衛星上得以低價化來實現的另一張王牌,就是所謂的背馱式(Piggyback)打上去的方法。一般利用火箭來打上去的費用價格時在相當嚇人。於是,利用與大型衛星相乘的方式,成為經濟式的一條道路。

 

舉例來說,2009123日承載溫室效應觀測用技術衛星所利用的H-IIA火箭就相乘了7座的超小型衛星。畢竟,火箭的推力必須高於衛星的重量,才能將衛星打上去。而推上去的能力與衛星重量的差額,就是服務超小型衛星的動力來源。以日本開發的超小型衛星為範例,海外火箭推送的費用算是相當便宜;而JAXA則是免費。

 

當然,打上去的衛星要扮演怎樣的用途,是非常重要的議題。以超小型衛星來說,隨著資訊的取得、解析等一連貫作業,在衛星側與地上側的分擔分工之差異,大致上可以歸納成為三類(依照衛星的負擔大小順序)

 

第一類:在衛星上搭載感應器的『地球觀測型』。

由於衛星搭載了地球觀測用的感應器,它必須將觀測資料傳送到地上端。幾乎所有的地球觀測衛星,皆是隸屬於這種型態。


4:地球觀測型。衛星負擔大,地上端負擔較小。筆者製圖。

 

第二類:在衛星上不搭載感應器,衛星是針對資料的匯集而特別強化的『感應器‧資料匯集型』。好比說,在地上或是海洋(海上、海中、海底))的感應器,將其自身的位置以及量測到資料傳送到超小型衛星;換句話說,就是將在地球端所檢測到資料匯集(集約)到衛星上。前面所說的鯨魚觀測衛星「觀太君」就是利用這種方法。

 

其他諸如,魚群的探索(從衛星很難看見的微小詳細位置 )、資源探索的海水溫度測量詳細資訊等;也多是此類型的極佳運用。

 
 

5:感應器‧資料匯集型。衛星與地上端的負擔均攤。筆者製圖。

 

第三類:在衛星上搭載諸如雷射裝置的『光源提供型』。比如說,某氣象資訊提供企業於2010年打上去的「WNI衛星」,從衛星發射雷射,由地上的機器來測量衰減,達成測定CO2的濃度。

 


6:光源提供型。衛星負擔小,地上端負擔較大,利用網路連結來會籍資料。筆者製圖。

 

如果各式各樣企業能夠擁有超小型衛星,毫無疑問對於元件市場的擴大有莫大的效用。超小型衛星市場,對於電子產業而言,藉由在手機、數位家電、工業用電子所累積的經驗;況且,衛星的內部構成與電子裝置差異並不大;也就是說,在電子產品上所累積出來的開發‧製造Know-How,多可以運用到超小型衛星上。對於電子業者來說,進入的機會與門檻,人人有機會。

 

而對於超小型衛星市場的推廣,日本政府的著力點甚深,對於中小企業還是大學學術機構對於超小型衛星的開發,資金面與超小型衛星平台的建立技術,都提供了鼎力的支援。

 

 

(責任編輯:jane)
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