STEAM教育｜3巨型星座登場 編織無縫通訊網｜星島教室

根據國際電信聯盟（ITU）近年資料顯示，原來全球仍然有約四分一（26%至27%）的人未能使用互聯網，地面基站的移動通訊網絡亦覆蓋不到20%的陸地面積，若把佔地球面積約70%的海洋計算在內，全球的網絡覆蓋率更是少得可憐，只有總面積的6%左右！廣闊的海洋、沙漠與森林，仍然很大程度上與「數字世界」隔絕。要實現網絡覆蓋全地球，讓遠洋船舶、萬米高空的民航客機、野外勘探能獲得即時資料傳輸，甚至在自然災害導致地面基站癱瘓時仍能保持通訊，由低軌衛星組成的「空天地一體化」網絡，可能是未來真正的救急生命線與最佳出路。

從36000公里到300公里的挑戰

地球衛星根據軌道的高度可以分為3種：「高軌衛星」、「中軌衛星」及「低軌衛星」。

高軌衛星

過去數十年，我們長時間使用「高軌衛星」（地球同步軌道）。它們被安放在赤道上空35786公里，這個高度讓它們的運行周期剛好與地球自轉一致，因此我們從地面看上去，它們就像是固定在天空某一地點。根據幾何計算，我們只須用3顆高軌衛星，就能覆蓋全球除極地以外的所有地方，建設成本也較低，但缺點就是信號傳輸延遲較大。電磁波往返一次加上設備處理的時間，信號延遲往往超過500毫秒。500毫秒對於單向廣播影響不大，但對於無人駕駛或遙距手術等需要毫秒級反應的現代應用，這已經是致命的缺陷。

中軌衛星

至於「中軌衛星」，軌道高度約20000公里，主要用於導航系統，如北斗衛星和GPS衛星等。就算北斗衛星具備獨特的「短報文通訊」功能，亦只能傳送簡單的文字，無法滿足網頁瀏覽或影片串流等需要大量數據的需求。

低軌衛星

中國近年正全速推進「低軌衛星」計劃。目前有3大「巨型星座」輪番登場！2018年上海一間衛星公司牽頭建設的「千帆星座」（又稱G60星鏈），於2024年8月已把首批18顆衛星發射入軌，預計在2030年底完成約1.5萬顆衛星的目標。而在「千帆」揚帆起航時，國務院國資委直接管理的「國家隊」——「國網星座」亦在2021年發力推進，預計會發射近1.3萬顆低軌衛星。另外，純民營的「鴻鵠三號」星座也在2024年正式申請發射1萬顆低軌衛星。這三大「巨型星座」列陣，透過國家與商業合作，加速中國航天互聯網發展。

「千帆星座」在完成第一階段後，便會把衛星軌道高度從1000多公里降至300至500公里左右，屆時傳播時延將壓縮在20毫秒以內，與地面5G標準對齊，實現實時互聯。其次，根據「反平方定律」（即信號強度與距離的平方成反比的原理），隨着距離大幅縮短，意味着信號強度將大大提升。以後無論身在何地，只要看到天空，手機就有機會直接收發衛星信號，不用再依賴巨大的碟形天線或中繼裝置了。

天基互聯網

不過低軌道也帶來了新難題︰衛星飛得太快了！在接近第一宇宙速度下，單顆衛星對於我們的有效通訊時間僅約10分鐘。為了保證通訊不中斷，必須依靠「星間鏈路」（Inter-satellite Link），再通過雷射或微波接力，當一顆衛星飛出範圍，另一顆馬上接手，才可構建一張不用依賴地形的「天基互聯網」。

此外，中國的星網工程更開拓了極高頻的Q/V頻段。這就像在塞車的高速公路旁新開闢了一條寬闊的快速道路，不過極高頻段的信號容易受空氣中的水分吸收和散射而衰減，因此中國科學家要利用創新的演算法去克服這個挑戰。

其實這張「天基互聯網」已悄悄展開。2025年初，「千帆星座」聯同中國移動香港，在一艘途經香港維多利亞港的「鼓浪嶼號」郵輪上，完成首個低軌衛星寬頻聯網測試，系統成功在多顆衛星間穩定切換，其下載速率超過500Mbps，上傳亦達100Mbps以上！以後即使身處茫茫大海，也可如陸地般流暢上網。

黃金三叉戟組合

要在短短幾年內發射萬多顆衛星，傳統「一顆一顆送」的方法已過時。中國航天工程師們設計出3個新「法寶」去應戰。

1. 平板堆疊技術︰傳統衛星多為立方體，非常浪費空間。新一代衛星被設計成扁平的矩形，在放入火箭的整流罩時，就像我們把衣服放進旅行箱內，一件一件緊密壓實。這種設計提高了火箭的運載效率，「一箭18星」甚至更多，大大降低發射成本。
2. 柔性太陽翼︰工程師借鑑「摺紙藝術」，研發出一種厚度僅約1毫米的超薄柔性太陽翼，發射時它可以摺疊及壓縮成幾厘米；入軌後，它就像蟬翼般展開成數米長的能量網。另外，這種材料不但柔軟能摺疊，更能抵禦太空的極端溫差與輻射。
3. 霍爾推進器︰為了在軌道上長期運行並精準變軌，衛星不再使用笨重的化學燃料，改用電推進引擎。它利用電場加速氣體產生推力，效率很高。它更賦予衛星「主動離軌」的能力，推進器可在衛星壽命結束前，利用剩餘的動力將其推向大氣層燒毀。

科技向來是一把雙刃劍。儘管工程師已為衛星設計了主動離軌的機制，我們仍須警惕技術擴張對太空環境的衝擊。天文學家擔心過多反光的衛星會干擾深空觀測；一旦有衛星失效且未能及時處理，更會變成時速幾萬公里的「太空子彈」，對人類探索宇宙造成極大威脅。

下次當你仰望星空，不妨想一想：在享受無縫網絡的同時，我們應該如何守護「可持續」的太空生態，負起對頭頂這片星空的責任？

小思考，大智慧

1. 太空中有許多微隕石，柔性太陽翼很柔軟而且很薄，那麼它會容易被隕石撞破嗎？
2. 如果你是未來的航天工程師，除了讓舊衛星燒毁，你能想像出一種更好、更具創意的「清理太空垃圾」方法嗎？

參考答案

1. 不會輕易被撞破。因為柔性太陽翼具備多層防禦結構，就像穿了超薄的「防彈衣」。它柔軟且具有彈性，當微隕石與太陽翼相撞時，柔軟的表面能吸收並緩衝部分衝擊力，因此不容易受到嚴重破壞。
2. 可考慮以下方法：太空捕魚網——發射一顆母衛星，用高強度網捕捉碎片；雷射掃帚——利用雷射在垃圾表面產生反作用力，將垃圾「推」離軌道；太空回收站——派遣機械人拆解舊衛星，回收有用材料，直接在軌道上建造新太空站。

文：中華基督教會協和小學（長沙灣）副校長鄭俊傑及中華基督教會協和小學（長沙灣）老師楊倩儀

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。

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