呂文祺／從小喜愛涉獵各類飛行器知識，目前教學以航空電子為主，研究重心則為衛星系統工程，業餘時間從事遙控飛機的飛行。（本篇照片皆由作者提供）

 

 

從太空看地球

自從西元 1957 年蘇聯成功發射史普尼克一號（Sputnik-1）衛星進入太空後，人類總算獲得了脫離地球引力的能力。這年是真正意義上開啟了人類的太空紀元，進入太空也不再只是紙上的想像。史普尼克一號的衛星軌道高度是 577 公里，而當時飛機飛行的高度也不超過 20 公里，對人類來說，衛星將我們觀察地球的高度大幅提升了數十倍以上，也讓我們可以一次獲得更多諸如地形地貌、海洋、天氣及災害等地表資訊。

此後，人類可以在衛星的協助下，對地表事物進行仔細的追蹤觀測。舉例來說，高解析度的影像衛星可以清楚拍攝到地表車輛的車牌號碼。然而，我們卻很少利用衛星對於飛機進行觀測或追蹤。

 

要怎麼追蹤飛機的蹤跡？

目前要追蹤民航機的飛行軌跡，主要是利用陸地上的雷達或通訊系統（aircraft communication addressing and reporting system, ACARS），而越洋航行的飛機則多倚賴同步軌道衛星，傳遞飛機的飛航或發動機資訊到飛航資訊公司，再以付費方式提供航空公司追蹤與記錄飛機航程，此外也能提供機上乘客網路與通訊等服務。

但對於許多沒有購買此類服務的航空公司，當飛機執行越洋或飛越人煙稀少的陸地航線時，因飛機已超出無線電通信及雷達系統的涵蓋範圍，將會難以追蹤後續的飛航狀況。

為了提升飛機航行的追蹤能力、擴大覆蓋範圍，以及降低追蹤的成本，基於 GPS 所延伸建構的廣播式自動相關監視系統（automatic dependent surveillance–broadcast, ADS-B），可以從飛機上所配備的 GPS 定位資訊，以 ADS-B 發射器的自動週期性廣播方式，傳輸每架飛機的標識、當前位置、高度和速度等資訊，為航管員提供比現有雷達更準確的飛機即時資訊。

ADS-B 的接收機可以設置於陸地的固定站台或是飛機本身，以提高飛航安全。設置於地面的接收機可整合至航管系統中，藉此提高飛航管理的精確度、安全與效率。更重要的是， ADS-B 的飛航資訊主要來自精準的 GPS 衛星導航系統，而 ADS-B 與 GPS 的組合架構複雜程度不只遠低於 ACARS 及地面雷達所使用的應答器（transponder），且價格也更低。

雖然 ADS-B 對於越洋或偏遠陸地航線仍有無法涵蓋的缺點，但近期有衛星廠商開始發射具有 ADS-B 接收功能的低軌道通訊衛星，並以星系（constellation）的方式提高全球覆蓋率，有助於提升飛航安全。

 

▲堅果衛星太陽能板與天線的展開及閉合狀態。

 

臺灣的堅果衛星計畫

2017 年，虎尾科技大學的飛機系與機械設計系師生組成立方衛星團隊，團隊成員橫跨電機、通訊、控制與機械等專業領域，預定在三年內完成一枚立方衛星的設計、製造與整合測試，並訂名為堅果衛星。命名來自於校徽上的螺帽，英文為 nut，但由於以螺帽命名並不好聽，改使用英文同為 nut 的「堅果」，並象徵本衛星所帶來資訊的豐富性。

堅果衛星的主要酬載是一個小型商業用的 ADS-B 接收機，衛星設計壽命為一年，主要任務為接收、儲存與轉發民航飛機的 ADS-B 訊號。2018 年完成衛星各項自主系統的關鍵設計與功能測試後，在同年也完成了一枚工程體與一枚飛行體的組裝與各項測試，並預定於 2020 年 12 月進行發射升空。

 

堅果衛星的組成

堅果衛星是一枚 2U 衛星，尺寸為 10×10×22.7 公分的柱形體，重量約 2 公斤，具備有四片可展開的太陽能板，每片玻璃纖維材質的印刷電路板上黏貼四片太空規格的太陽能電池，可提供約 6 瓦特（W）的平均功率。衛星的主要結構由鋁合金製成，結構的設計除了要符合立方衛星發射筒的尺寸要求外，當所有電路等相關元件固定於衛星本體結構內時，還要能夠承受衛星發射時火箭所帶來的震動。

由於震動的加速度往往遠超過火箭飛行的加速度，因此衛星本身必須要透過震動測試來檢視整體結構的強度與緊固性。而在團隊的設計巧思與精密加工技術下，堅果衛星本體也順利通過了各項震動測試。目前預訂乘載堅果衛星的是 SpaceX 的獵鷹 9 號運載火箭（Falcon 9）。

 

堅果衛星研製與測試過程

堅果衛星的次系統包含酬載、衛星電腦、通訊、電力與姿態控制等，其中酬載的 ADS-B 接收機、通訊模組、太陽能電池、鋰電池與定位用的 GPS 接收機等分別外購自國外及國內廠商；而主要的衛星電腦、電力次系統、姿態控制則由團隊師生完成設計與製作。各項系統不僅要能忍受發射過程中的震動，更要在進入太空軌道超過 100°C 的溫差環境與太空輻射的侵襲下能正常運作。因此，在設計過程中便盡量採用工業規格的電子元件，可耐受 -40 ～ 80°C 的環境溫度，並在各次系統原型製作階段便分別進行輻射測試與常壓熱循環測試。

由於團隊成員大多未曾有過相關環境測試經驗，因此國家太空中心的工程師們不厭其煩地解答團隊的疑惑，甚至在測試過程中與虎尾科大師生團隊一起加班與熬夜，一步步通過各項關鍵測試，逐步修正測試過程中發生的各項問題。堅果衛星的研製可說是虎尾科大團隊師生與太空中心聯手歷經三年的努力成果。

 

▲衛星製作期間進行的各種測試，分別為常壓熱循環測試。

 

▲真空熱循環測試。

 

▲衛星進行秤重。

 

發射堅果衛星的意義

由於堅果衛星是一枚單一衛星，無法追蹤全球特定的民航飛機，只能作為我們的立方衛星設計與製作技術，是否能正常送到太空持續運作的一項驗證。如果衛星發射後確認此設計可行及可靠，未來將可持續製作與發射大量相同的衛星，並建立衛星星系，廣布於太空中進行全球民航飛機的追蹤與建立飛航大數據，讓未來的飛航安全帶來更多的保障。

 

▲團隊針對衛星的次系統模組進行輻射測試前的準備。

 

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