STEAM教育｜3巨型星座登场 编织无缝通讯网｜星岛教室

根据国际电信联盟（ITU）近年资料显示，原来全球仍然有约四分一（26%至27%）的人未能使用互联网，地面基站的移动通讯网络亦覆盖不到20%的陆地面积，若把占地球面积约70%的海洋计算在内，全球的网络覆盖率更是少得可怜，只有总面积的6%左右！广阔的海洋、沙漠与森林，仍然很大程度上与「数字世界」隔绝。要实现网络覆盖全地球，让远洋船舶、万米高空的民航客机、野外勘探能获得即时资料传输，甚至在自然灾害导致地面基站瘫痪时仍能保持通讯，由低轨卫星组成的「空天地一体化」网络，可能是未来真正的救急生命线与最佳出路。

从36000公里到300公里的挑战

地球卫星根据轨道的高度可以分为3种：「高轨卫星」、「中轨卫星」及「低轨卫星」。

高轨卫星

过去数十年，我们长时间使用「高轨卫星」（地球同步轨道）。它们被安放在赤道上空35786公里，这个高度让它们的运行周期刚好与地球自转一致，因此我们从地面看上去，它们就像是固定在天空某一地点。根据几何计算，我们只须用3颗高轨卫星，就能覆盖全球除极地以外的所有地方，建设成本也较低，但缺点就是信号传输延迟较大。电磁波往返一次加上设备处理的时间，信号延迟往往超过500毫秒。500毫秒对于单向广播影响不大，但对于无人驾驶或遥距手术等需要毫秒级反应的现代应用，这已经是致命的缺陷。

中轨卫星

至于「中轨卫星」，轨道高度约20000公里，主要用于导航系统，如北斗卫星和GPS卫星等。就算北斗卫星具备独特的「短报文通讯」功能，亦只能传送简单的文字，无法满足网页浏览或影片串流等需要大量数据的需求。

低轨卫星

中国近年正全速推进「低轨卫星」计划。目前有3大「巨型星座」轮番登场！2018年上海一间卫星公司牵头建设的「千帆星座」（又称G60星链），于2024年8月已把首批18颗卫星发射入轨，预计在2030年底完成约1.5万颗卫星的目标。而在「千帆」扬帆起航时，国务院国资委直接管理的「国家队」——「国网星座」亦在2021年发力推进，预计会发射近1.3万颗低轨卫星。另外，纯民营的「鸿鹄三号」星座也在2024年正式申请发射1万颗低轨卫星。这三大「巨型星座」列阵，透过国家与商业合作，加速中国航天互联网发展。

「千帆星座」在完成第一阶段后，便会把卫星轨道高度从1000多公里降至300至500公里左右，届时传播时延将压缩在20毫秒以内，与地面5G标准对齐，实现实时互联。其次，根据「反平方定律」（即信号强度与距离的平方成反比的原理），随着距离大幅缩短，意味着信号强度将大大提升。以后无论身在何地，只要看到天空，手机就有机会直接收发卫星信号，不用再依赖巨大的碟形天线或中继装置了。

天基互联网

不过低轨道也带来了新难题︰卫星飞得太快了！在接近第一宇宙速度下，单颗卫星对于我们的有效通讯时间仅约10分钟。为了保证通讯不中断，必须依靠「星间链路」（Inter-satellite Link），再通过雷射或微波接力，当一颗卫星飞出范围，另一颗马上接手，才可构建一张不用依赖地形的「天基互联网」。

此外，中国的星网工程更开拓了极高频的Q/V频段。这就像在塞车的高速公路旁新开辟了一条宽阔的快速道路，不过极高频段的信号容易受空气中的水分吸收和散射而衰减，因此中国科学家要利用创新的演算法去克服这个挑战。

其实这张「天基互联网」已悄悄展开。2025年初，「千帆星座」联同中国移动香港，在一艘途经香港维多利亚港的「鼓浪屿号」邮轮上，完成首个低轨卫星宽频联网测试，系统成功在多颗卫星间稳定切换，其下载速率超过500Mbps，上传亦达100Mbps以上！以后即使身处茫茫大海，也可如陆地般流畅上网。

黄金三叉戟组合

要在短短几年内发射万多颗卫星，传统「一颗一颗送」的方法已过时。中国航天工程师们设计出3个新「法宝」去应战。

1. 平板堆叠技术︰传统卫星多为立方体，非常浪费空间。新一代卫星被设计成扁平的矩形，在放入火箭的整流罩时，就像我们把衣服放进旅行箱内，一件一件紧密压实。这种设计提高了火箭的运载效率，「一箭18星」甚至更多，大大降低发射成本。
2. 柔性太阳翼︰工程师借鉴「折纸艺术」，研发出一种厚度仅约1毫米的超薄柔性太阳翼，发射时它可以折叠及压缩成几厘米；入轨后，它就像蝉翼般展开成数米长的能量网。另外，这种材料不但柔软能折叠，更能抵御太空的极端温差与辐射。
3. 霍尔推进器︰为了在轨道上长期运行并精准变轨，卫星不再使用笨重的化学燃料，改用电推进引擎。它利用电场加速气体产生推力，效率很高。它更赋予卫星「主动离轨」的能力，推进器可在卫星寿命结束前，利用剩余的动力将其推向大气层烧毁。

科技向来是一把双刃剑。尽管工程师已为卫星设计了主动离轨的机制，我们仍须警惕技术扩张对太空环境的冲击。天文学家担心过多反光的卫星会干扰深空观测；一旦有卫星失效且未能及时处理，更会变成时速几万公里的「太空子弹」，对人类探索宇宙造成极大威胁。

下次当你仰望星空，不妨想一想：在享受无缝网络的同时，我们应该如何守护「可持续」的太空生态，负起对头顶这片星空的责任？

小思考，大智慧

1. 太空中有许多微陨石，柔性太阳翼很柔软而且很薄，那么它会容易被陨石撞破吗？
2. 如果你是未来的航天工程师，除了让旧卫星烧毁，你能想像出一种更好、更具创意的「清理太空垃圾」方法吗？

参考答案

1. 不会轻易被撞破。因为柔性太阳翼具备多层防御结构，就像穿了超薄的「防弹衣」。它柔软且具有弹性，当微陨石与太阳翼相撞时，柔软的表面能吸收并缓冲部分冲击力，因此不容易受到严重破坏。
2. 可考虑以下方法：太空捕鱼网——发射一颗母卫星，用高强度网捕捉碎片；雷射扫帚——利用雷射在垃圾表面产生反作用力，将垃圾「推」离轨道；太空回收站——派遣机械人拆解旧卫星，回收有用材料，直接在轨道上建造新太空站。

文：中华基督教会协和小学（长沙湾）副校长郑俊杰及中华基督教会协和小学（长沙湾）老师杨倩仪

本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。

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