非地面網路持續進化　衛星通訊改寫全球連接版圖

在讀者閱讀此篇文章的同時，約有6,000多顆衛星正在為世界各地的家庭和辦公室提供寬頻網際網路服務，超過100顆衛星正替人們導航，或許還有數千顆衛星正在確保國家安全。上述所有功能都要感謝神奇的衛星通訊。

本文將介紹用於電信、廣播、網際網路連接和國防用途的衛星通訊運作原理，瞭解如何針對不同應用場景決定衛星的關鍵特性，並探索衛星技術的最新進展。

衛星通訊使用無線訊號傳輸

衛星通訊是指當地面上的發射機和接收機之間由於位置或距離限制而無法進行地面無線訊號傳輸時，便利用衛星在兩者之間進行無線訊號傳輸。

衛星通訊應用

・電信用途，如使用傳統衛星電話通話，或使用現代5G非地面網路進行無線通話、發送訊息和資料傳輸。

・向大範圍提供廣播或電視訊號。

・寬頻連接，以便從偏遠地區連網。

這些通訊系統大多與其他領域相關，例如使用衛星進行遙感探測和全球定位。這些應用將衛星作為感測器來進行測量，而非僅作為訊號中繼。

衛星通訊運作機制

衛星通訊的軌道範圍為160~36,000公里(或100~22,400英里)。為了在如此遙遠的距離上進行無線通訊，衛星通訊必須依靠電磁波。

地球的大氣層和電離層對大多數電磁頻率具有不透明性，但部分波段的無線電、微波、可見光和紅外線頻率可以穿透。

本文將聚焦於使用射頻(Radio Frequency, RF)、微波和紅外線訊號進行衛星通訊。

通訊段/通訊鏈路

每個衛星通訊系統都有一個太空段和一個地面段。

太空段包括所有衛星或衛星群以及負責追蹤、遙測、控制和監測(TT&C或TTC&M)的地面控制站系統。

地面段包括向衛星發送資料或從衛星接收資料的地面站或終端，並透過地面有線或無線網路進行互連。

從終端或地面站到衛星的無線鏈路稱為上行鏈路；從衛星到終端(或地面站)的鏈路稱為下行鏈路。透過一顆或多顆衛星在兩個終端之間建立的端到端鏈路稱為通道。根據不同用途，鏈路中的資料流可能是單向的(如廣播)或雙向的(如網際網路連接)。然而，TT&C通訊始終是雙向的。

用於通訊的衛星類型

這些領域使用的衛星可以根據其軌道、用途或功能進行分類。

軌道參數如高度、傾角和速度等對衛星通訊的設計至關重要。軌道高度從160~36,000公里不等。為抵消地心引力，高度越低，衛星繞地球運行的速度就越快。同時，由於地球的自轉，地表上的每個點每分鐘都會在衛星下方移動數公里(赤道處為27公里)。上述因素必須在建立上行鏈路和下行鏈路時納入考量。

高度是最重要的參數。根據此一參數，衛星可分為以下幾種類型：

・地球同步軌道(Geostationary Orbit, GEO or Geosynchronous Orbit, GSO)：地球同步軌道衛星的軌道週期與地球相同，均為24小時，圓周高度約為36,000公里。雖然地球同步軌道可能有輕微傾斜，因此看起來略微漂移，但由於地球靜止軌道正好位於赤道上方，從地面上看起來像固定在天空中。

・低地球軌道(Low Earth Orbit, LEO)：LEO衛星在160~2,000公里高度的圓形軌道上運行，速度為25,000~28,000公里/小時。LEO衛星每秒可移動約7公里。

・中地球軌道(Medium Earth Orbit, MEO)：MEO衛星的圓形軌道高度為2,000~36,000公里。

・高地球軌道(High Earth Orbit, HEO)：HEO衛星的軌道呈高橢圓形，最高高度為36,000公里，最低高度接近LEO。它們用於覆蓋高緯度和極地地區。

根據不同的使用方式和功能，選擇適合的衛星軌道。每種軌道各有利弊，例如：

・LEO適合低延遲需求的應用，如網際網路連接等。然而，由於衛星運行速度較快，地面接收器必須精準地在天空中對其進行追蹤。

・MEO的半同步軌道能以少量衛星覆蓋全球，因此成為定位衛星的首選。

・GEO衛星每顆都能覆蓋幾乎整個半球，因此適合廣播、針對特定國家的感測及偵察需求。

衛星通訊常用頻段

射頻和微波頻率是目前衛星通訊中最常用的頻段。這些頻率被分為多個頻段，其名稱各不相同(圖1)。

頻段在衛星通訊中的作用

根據使用方式選擇合適的頻段。例如：

・C-band：C-band覆蓋4~8GHz範圍，在惡劣天氣條件下表現較佳，因此廣泛用於電視廣播。然而，為了減少對地面微波系統的干擾，其功率受到限制。

・Ku-band：Ku-band(12~18GHz)也常用於電視廣播和部分網際網路服務。

・Ka-band：Ka-band(27~40GHz)可提供寬頻網際網路等高頻寬衛星服務。

重要的是，上行鏈路和下行鏈路雖然位於同一頻段，但頻率始終不同。如果兩者相同，衛星的上行鏈路濾波器將無法區分來自地面站的合法輸入訊號和來自自身下行鏈路天線的回饋訊號。

衛星的射頻架構

地面站和行動衛星終端使用正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)向衛星發射無線電訊號。這些訊號由衛星接收，並進行解碼或轉發。

如圖2所示，中繼衛星的通訊負載由轉發器和天線組成，包含以下主要零組件：

・接收器子系統：接收器子系統接收資料(僅在中繼衛星上)和TT&C命令。

・接收器天線：接收器天線需要足夠靈敏度以接收微弱訊號。如果需要更寬的波束，4GHz及以上可使用喇叭天線，10GHz及以上則更適合使用拋物面天線。

・輸入濾波器：輸入濾波器確保只有設計的輸入頻率才能通過。

・低雜訊放大器：放大微弱的輸入訊號。

・中頻(Intermediate Frequency, IF)降頻器：將GHz頻率降至中頻以便於訊號處理。

・中頻放大器：放大中頻訊號。

・上變頻器：將中頻頻率提升至正確的傳輸頻率。

・功率放大器：將輸出訊號的功率提升到幾十甚至幾百瓦。

・發射天線：輸出訊號透過發射天線發送。

為解碼TT&C指令和接收到的資料，還需要以下零組件：

・解調器：QAM解調器將輸入的類比訊號分成Q波和I波。

・解碼基頻處理器：解碼基頻處理器的數位轉換器(Analog To Digital Converter, ADC)將類比波形解碼成數位資料。

傳輸資料需要以下零組件：

・編碼基頻處理器：編碼基頻處理器的數位類比轉換器(Digital To Analog Converter, DAC)將資料編碼為Q和I類比波形。

・QAM調變器：數位資料需占用大量頻寬。因此，QAM數據器將波形轉換為QAM訊號。

光學衛星通訊運作模式

一些現代衛星星座使用衛星間的光學鏈路相互通訊，這些鏈路利用紅外線雷射傳輸指令和資料，其優點包括高頻寬和不易受干擾。

衛星通訊在各產業的主要應用

衛星通訊應用於多個產業：

・國防：國防產業廣泛使用衛星進行實時戰場監控、通訊、偵察和導航系統，如美國的全球定位系統(Global Positioning System, GPS)或日本的準天頂衛星系統。

・電信：電信產業部署衛星電話系統已有數十年。近年來，衛星使5G網路得以向無法安裝傳統行動通訊塔的任何地方提供高速的通訊服務。

・網際網路供應商：新一代網際網路服務供應商透過大型全球商用衛星星座網路為全球提供高速寬頻連接服務。

・媒體廣播：媒體公司透過衛星提供電視和廣播內容。

衛星通訊技術進步

衛星通訊的最新發展包括以下方面：

・相位陣列天線：隨著LEO通訊衛星的出現，需要對經過上空的衛星進行追蹤。機械追蹤方式在長期使用中可能造成誤差和故障，因此建議改用精巧的射頻工程技術。相位陣列由數百到數千個小型天線組成，透過調整來自每個天線的訊號波形的相位，可以對它們在特定角度的建設性干擾進行電子控制。這種技巧可用於追蹤快速移動的LEO衛星，以確保穩定且不間斷的網際網路連接。

・高吞吐量衛星：這些衛星採用特殊的波束成形技術和通道調變技術，可同時滿足大量使用者的需求。

・用於5G/6G的非地面網路：非地面網路作為5G/6G存取網路的一部分，使衛星能夠充當基地台，讓使用者在全球各地撥打電話、收發訊息和連接網路。

・人工智慧：人工智慧和機器學習逐步應用於智慧網路管理、預測分析和網路最佳化。

(本文作者為是德科技航空航太與國防產業解決方案行銷人員)