衛星通訊的構想與應用(三)－洋洋得意報NO.34

洋洋實業團隊 撰 2008/11/20

接續：《衛星通訊的構想與應用(二)》

           世界上第一顆人造衛星，是蘇聯於1957年10月4日發射的「斯普特尼克一號」（Sputnik 1），它的功能、構造、體積與近期發射的衛星相比，相差甚遠。本體是一只用鋁合金做成的圓球，直徑58公分，重達83.6公斤。圓球外面附著4根彈簧鞭狀的天線，其中一對長240公分，另一對長290公分。衛星內部裝有兩台無線電發射機，頻率分別為20.005及40.002Mhz，以無線電發射機發出的訊號，間歇時間與此相同。此外還安裝有一台磁強計，一台輻射計數器，一些測量衛星內部溫度和壓力的感應元件及作為電源的化學電池。它在通訊的功能，採用一般電報訊號的形式，每個訊號持續時間約0.3秒發出「嘟……嘟……」的無線電波外，還可以測量軌道間的大氣密度、濕度及電離層的電離子濃度…等，是一顆典型僅供科學用的實驗衛星，不過它的歷史及政治意義卻遠遠超過了單純的科學研究。

       人造衛星的組成大致分為兩個部份：一為「衛星本體」它是維持酬載運作的器具；另一個部份為「酬載」（Payload），就是太空飛行體中被裝載的「貨物」－「設備與儀器」。火箭的酬載的是人造衛星，而人造衛星的酬載則是做為科學實驗或探測的儀器，衛星的用途決定酬載的項目，遙測衛星如空照、望遠、溫測、感應或遙控…等設備是不可或缺的，以通訊做為用途的衛星，則必需包含訊號轉頻、發射與天線…等相關器材。人造衛星本體系統的基本架構可分為結構體、熱控系統、噴進系統、方位控制系統、電力系統、天線系統、通訊指令系統與載具系統…等八個部份，整理如下：

1. 結構體：做為承受火箭發射時高加速下所產生的震盪，以穩固酬載與本體的安裝設備。

2. 熱控系統：避免衛星於太空中高低溫的差別，控制各部機件的溫度，以避免極度溫差而導致電子儀器的損壞。

3. 噴進系統：當衛星運行中，常會逐漸偏離軌道，噴進系統以微調的方式，採用自旋穩定、重力梯度穩定和磁力穩定…等方法對衛星進行方位控制，推動衛星至所需的正確軌道。這些設計還包含了殘存的燃料，以做為其壽終時，將衛星推入極高軌道的太空墓場中，成為太空垃圾。

4. 方位控制系統 使衛星能保持預定的位置、角度、指向或控制衛星的轉向…等。

5. 電力系統：提供各種儀器及裝備的能源之用，電源同時採用太陽能電池和化學電池。要求電源系統體積小、重量輕、效率高、壽命長。

6. 天線系統：衛星的天線系統包括通信天線和遙測指令天線，兩種天線要求：體積小、重量輕、可靠性高，壽命長、增益高…等功能，波束永遠指向地球，分別採用迴旋天線和全向天線。

7. 通訊指令系統：保持與地面站的通訊聯絡，並接受地面控制人員的指令操作，忠實地接收並執行地面測控站發來的指令訊號。

8. 載具系統：為了衛星升空的需要，如火箭和太空梭等，衛星發射升空脫離地球的地心引力，使用的載具至少要以每秒11.2公里的速度一衝上天，將帶到相當高度就與衛星分離，並功成身退。最後再用衛星本身攜帶的燃料推進最後的軌道。

       地球上空同步軌道只有一條，因此軌道上可安置的衛星數量有限。由於，近年來衛星的使用量巨增，同步衛星的佈點由間隔3度改為間隔2度，以一個圓周360度來算，這樣同步軌道上安置的衛星數即可增至180顆，但是佈點的增加，對地面站收發天線方向性的精度要求也相應提高。衛星上所攜帶的燃料主要用來維持衛星的定點精度，即保持衛星的位置與角度。由於調校燃料有限的原因，一顆衛星在軌道運行的「壽命」僅有十二至十四年的壽命。製造加上發射一枚衛星目前需約二億美元以上，價格相當昂貴。而酬載設備的用電部份，其所需的電能主要來自衛星上太陽能電池的供給。因為在太空中不存在雲層對太陽光的遮擋，即使夜間也能發電，無所謂日夜間之別，比在地面利用太陽能發電效率高得多。對於通訊衛星上裝有許多必需24小時全天候運作的「轉頻器」（Transponder）與收發設備來說，衛星能源靠著取之不盡用之不竭的「太陽光」來發電，能將光能轉換為電能，提供衛星動力的來源。

       衛星上下鏈（Uplink & Downlink）主要是由衛星、地面站與此二者聯繫的測控、收發、跟蹤…等系統所組成。而衛星自天空返回的訊號，實際上是一種擴散發射方式的通訊。地面接收時，要設「碟形天線」（Dish Antenna）和接收設備，而且天線要始終對準衛星的方向。電視廣播用衛星的無線電發射功率比通訊衛星要大得多。通訊衛星的電發射功率通常只有幾瓦到幾十瓦，而電視廣播衛星的無線電發射功率則可以達到數百瓦。由於電視廣播衛星具有這樣大的無線電發射功率，因此地面接收站不需要像通訊衛星那樣要有幾十公尺直徑的?物面接收天線，而只需要半公尺或幾公尺直徑即可，目前我們使用的SNG轉播車（Satellite News Gathering）與直播衛星電視所使用的，即是如此。衛星上下鏈使用頻段，大致分為C、Ku、Ka Band三個部份，其上下鏈頻率、使用頻寬與頻帶各有所不同，整理如下：

• C Band：5.925~6.425上鏈（GHz）；3.7~4.2下鏈（GHz）；500頻寬（MHz）；4/6頻帶（GHz）

• Ku Band：14.0~14.5上鏈（GHz）；11.7~12.2下鏈（GHz）；500頻寬（MHz）；11/14頻帶（GHz）

• Ka Band：27.5~31.5上鏈（GHz）；17.7~21.2下鏈（GHz）；2,500頻寬（MHz）；19/29頻帶（GHz）

       太陽跟人類的活動最?密切，它給地球以陽光和溫暖，使生命賴以生存和發展。但是它也經常造成衛星傳輸上的干擾，太陽黑子的爆發會擾亂地球的磁場，破壞電離層，使地球上的無線電通訊減弱甚至中斷。衛星上下鏈中可能因太陽對電離層會產生影響，進而降低衛星的傳播效率，太陽本身是一個巨大的熱核反應堆，表面的溫度高達6,000°C，伴隨著電磁場、太陽風以及輻射雜訊。電離層中各副層的自由電子及離子的密度會隨著太陽週期的變化而改變，太陽黑子活動達到高峰時會?生巨大的「磁暴」（Magnetic Storm）。在磁暴發生的過程中，太陽散發出大量的帶電粒子，干擾地球磁場，影響地球的電離層。所以當地球磁暴發生時電離層電子濃度會激巨攀升，這樣造成了通訊系統受到了很大的影響，甚至干擾衛星的正常工作。在1989年磁暴使加拿大魁北克省停電達九小時，有些美國衛星停止服務，在2003年10月，太陽上爆發強烈的太陽耀斑，引發近期最嚴重的磁暴。而眾多磁暴影響事件中，地磁暴更使日本的一枚通訊衛星短暫停止運作。

       另外；當衛星電波在往返大氣層必將受到大氣氣體、雲、霧、雪、降雨…等的損耗。如行進的途徑如有烏雲或雨水的阻擋而形成訊號衰減，此種衰減稱為「雨衰」（Rain Fade或Rain Attenuation），而這些在傳播上的損耗，隨天氣的變化比較明顯。雨衰對訊號的損耗量，是以烏雲的厚度、雨量的多寡及訊號穿透障礙物的時間。而雨衰通常對衛星使用頻段的差異，而有所不同，Ku頻段的訊號較為明顯，對C頻段的訊號影響不大。因為Ku頻段頻率較高、波長較短，所以不容易穿透烏雲及雨水。由於目前有線電視的訊號大都來自衛星的傳輸，當大雨及颱風來臨時，雨衰將使有線電視訊號產生停格或斷訊的現象。衛星實現遠程通訊的目的，但其載荷資訊的無線電波要穿越大氣層，經過很長的傳輸距離，在地面和太空之間進行傳播，因此它受到影響因素很多，因此善於應用各種頻段的傳播特性是進行衛星通訊系統和線路設計時，必須考慮的基本要素。