科技大補帖
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讓海上船隻不再迷航
——玉山衛星
2021.05.21

戴騰瀠/玉山衛星計畫主持人,不喜歡守舊,喜歡突破性的創新。騰暉電信科技創辦人。(本篇照片皆由作者提供)

臺灣四面環海,在有限的資源下,發展海事相關衛星是現在與未來都必須關注的重點。為了確保船隻航行的安全,能提供全球船舶定位的自動識別系統(automatic identification system, AIS)是目前主流的使用工具,其應用範圍包含漁業資源、海上通訊、水道、導航、船舶避碰、搜索救援、人員落水等。另外,AIS 也能建置在西部臨海的風力發電機上。

自 2017 年起, 國際海洋航行輔助導航和燈塔協會(International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities, IALA)針對海事相關的通訊與數位資料交換需求,提出的 VHF 數據交換系統(VHF Data Exchange System, VDES),經過國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)與其他海事組織陸續採用,同時在衛星端也有正式的規範,從區域海域進到太空,未來也將陸續出現相關的太空船聯網衛星。而玉山衛星就是針對此方向進行發展的本土立方衛星。

 

玉山衛星上頭有什麼裝備?

2017 年,國家太空中心開始規畫與執行立方衛星的相關計畫與研討會,並找尋業界夥伴及學界教授共同組成玉山衛星團隊。

玉山衛星是一顆規格為 10×10×15 公分,重量為 1.5 公斤的 1.5U 立方衛星。衛星上包含衛星電腦(onboard computer, OBC)、電力次系統(electrical power subsystem, EPS)、姿態控制次系統(attitude determination and control subsystem, ADCS)、衛星機構次系統(structure and mechanism subsystem, SMS)及遙測與追蹤次系統(telemetry, tracking and control subsystem, TT&C)。

衛星上的酬載方面,則包含船隻自動識別系統與自動封包回報系統(automatic packet report system, APRS)。玉山衛星以船隻及相關的物聯網為設計考量,並監測海上船隻、天氣、路況及物聯資料等陸地上的系統,整併成一個海洋大數據庫。

 

▲玉山立方衛星的外觀。

 

▲玉山衛星的開發與測試過程。

 

▲玉山衛星的太陽能板進行真空測試。

 

玉山衛星能做什麼?

臺灣周遭的海洋資源豐富,因此漁業是相當重要的經濟來源,對此就需要對漁船進行適當的管理。由於漁民會依照季節設定航路到不同地點捕魚,所以我們常會聽到漁民進入他國的經濟海域內被驅趕或被扣船等消息;另外,海上偷渡、非法交易及船難等這些在周遭海域中常發生的事件也都需要有即時資料,並進行事後的反查等。而目前最適合進行追蹤與管理的方式就是透過 AIS 訊號。

海上行駛的船隻需靠 AIS 訊號通知鄰近的船隻,這些資訊包含當下的經緯度、船速、方向與船名等,以避免撞船意外的發生。而 AIS 是以分區的概念進行自我管理,漁船必須在靠近 AIS 塔台時,進行通訊協調管理與監控。

但問題來了,如果在沒有塔台的海域有其他國家的船隻進入時,我們該如何進行追蹤與監控呢?舉例來說,我們常聽到的北方三島,包含彭佳嶼、棉花嶼及花瓶嶼,因為有黑潮經過,該地的漁業資源豐富,也是北臺灣著名的捕魚地點,所以經常會有其他國家的漁船侵入該經濟海域內。而玉山衛星扮演的角色,就是透過衛星所經之處進行 AI S訊號儲存,並由地面站接收後對資料解碼,並繪製在海圖中。這些累積的資料則可繪製成航路,進行船隻航路追蹤。

 

衛星發射的事前準備——軌道與電力系統模擬

由於太空是一個相當艱鉅的環境,很多條件難以在地面上直接進行模擬,對此必須藉由相關模擬軟體進行分析。其中包含衛星軌道的傾角模擬試算,用以分析太陽照射的角度,並將太陽能轉換為衛星運作的能源。

而衛星必須透過吸收太陽能轉換為電能,因此玉山衛星採用轉換效率為 30% 的太陽能板。此外,由於衛星的本體會持續自轉,導致照射角度不斷變動,這時就需要一個能即時反應電壓與電流變化的系統,以確保衛星能獲取最大能量。這些都是經由團隊耗時超過六個月,從需求分析、設計、電力架構、線路規劃、實作及驗證一步步完成的。

在電力次系統經初步驗證與測試完整功能後,我們還需要再進一步使用太陽能模擬器進行驗證。為了完成模擬驗證,團隊須經常前往國家太空中心進行測試,並將相關的研究數據,帶回實驗室中調整演算法。而經過每次的調整,以及與太空中心的討論,團隊也獲得了寶貴的經驗。

電力系統是衛星能否持續運作的關鍵角色,為了確保系統能正常運作,研究團隊花費許多時間進行測試,經過一次又一次的驗證,經歷多次失敗與調整後終於完成。

 

▲玉山衛星進行常壓熱循環的測試過程。

 

飛行軟體是衛星運作關鍵

玉山衛星是設計在離地球高度約 600 公里的軌道,受地球引力慣性飛行。在飛行過程中為了因應任務的需求,衛星勢必要使用飛行軟體進行自我管理。

飛行軟體可以說是衛星的靈魂,它主要是監控與管理各個次系統與酬載,例如監控電力使用的狀態、衛星的姿態或是與地面站進行遙測等任務。以最重要的電力次系統來說,對於電力的使用模式,團隊訂定了正常模式(Normal Mode)、安全模式(Safe Mode)及充電模式(Charge Mode)。當電壓在 80% 以上時會持續運作放電,各次系統均可正常使用;當電壓下降到 60~80% 時,系統則會進入安全模式,並關閉耗電量大的酬載,進行電力補充;而當電壓降到 60% 以下時,衛星就會進入充電模式,並關閉相關次系統,維持飛控電腦的低耗電模式。

上述的介紹是團隊希望讀者可以了解參與製作衛星的工程中,每個環節都需要花費大量心力與時間,在經過這些繁雜的過程後,才有辦法將玉山衛星發射升空並順利運作。

 

▲玉山衛星進行真空熱循環測試。

 

作為太空與海洋的衛星船聯網

目前玉山衛星正在發展第二代的 AIS 系統,並以 3U 立方衛星為目標,設計大功率的電力系統,採用軟體無線電進行發展,讓整體的設計更加彈性、模組化與可程式化,以 VDES 太空船聯網星群為目標。

由於海上無法使用手機進行通訊,除了使用昂貴的通訊衛星外,建立成本較低的衛星群則是未來玉山衛星擔任的重要角色與發展藍圖。

玉山衛星未來將扮演的角色,是建立臺灣自主監測海上與陸地上的相關設備,從監測、船聯網到未來的海事聯網通訊等。這條研發的道路雖然很艱辛,但在團隊的堅持及努力下,持續推動這股研發的能量,相信我們的努力一定能被國際看到並發光發熱。

 

▲玉山衛星在太陽光模擬器中進行測試。

 

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