超雲端的浮思 –超小型人工衛星 (上)

相信有不少人肯定會存在著刻板的傳統印象，人工衛星這麼高科技的太空宇宙裝置，是先進國家或是放送通信事業業者把玩的領域，事實上真的是這樣子嗎？

其實，有一種體積甚微的超小型衛星，是電子業玩得起的把戲，而且可以從消費性產品的電子經驗與元件，延伸到這個產品領域，衍生出各種商業價值的應用；您會相信嗎？若是用這句話來把脈：『衛星 = 地球規模的超廣域感應器』，它已經將願景的輪廓點出三分。況且，人工衛星的內部構成與一般電子產品，差異也不大呀。

話說從前，人工衛星僅限於專門的業者，使用者也是特定的對象，體積龐大有如獨立的孤屋，巨額的開發費用，開發的期間長到難以估算，而該產品所使用的元件也都是太空產品專用等級的零組件。

所謂體積重量龐大是指公噸的水平。老天給我們的另一項禮物，是資訊廠商在電子產品上下游的進化，使得消費性產品的零組件，無論在使用上或是可靠度上，以10倍速的步伐提升了一大步。因而，在所謂低於100公斤的超小型衛星，無論在性能面還是可靠度方面，與傳統的大型衛星差異不會太遠，但是開發時間得以大幅度地減少。同時，由於沿用了消費性產品的元件，成本面的滑落更是誘人。

當衛星的門檻一口氣從極高峰化為丘陵般的高度時，傳統的電機業者人人有能力，爆發力的威力會是如何，可能會超越您的想像。衛星的特徵可以簡短說成乃是地球規模的超廣域感應器，能夠即時取得資訊；應用範圍從農業、礦業跨及到IT、內容產業。若是從科學小說的面向來預測，甚至可以這麼說，每一家有規模的公司，未來多可以擁有自己的人工衛星也說不定。好比說，計程車公司的衛星(交通賭塞的狀況)、建設公司的衛星(地盤下沉的測定)、IT企業的衛星(資料多重化)、石油企業的衛星(海底油田的探索)、電力公司的衛星(電力耗費的狀況)、農林漁業公司的衛星、新聞公司放送業的衛星(即時新聞影像)、保險公司的衛星(災害的狀況)、海運公司的衛星(海賊監視、流冰的位置)、內容公司的衛星(從太空的極光攝影)等等等。

這時候的服務應用，可能超越雲端或者是讓雲端再度引爆一次新革命。日本某大商社更是高喊未來打上去1000台的超小型衛星之願景。

注：超小型衛星通常是說，重量低於100公斤，每邊長度數10公分程度的人工衛星。

圖1:闖出另外一片天空的超小型衛星。取自IBM。

至於，傳統的人工衛星與超小型衛星的差異，將它整理成底下的表格；作為您的參考：

 表1：傳統人工衛星與超小型衛星的比較

機器、元件暨服務的新市場：

說到衛星新服務，勢必要提到谷歌(Google)。其知名的Google Maps、Google Earth地圖服務就是人工衛星的運用才得以實現的。它就是利用提供地圖服務企業GeoEye於2008年9月打上去的「GeoEye -1」人工衛星，具有商用攝影能力的衛星。而谷歌就是取得GeoEye -1的攝影影像利用的權利。

人工衛星與飛機攝影的差異點，即在於衛星往往在地球上方跟著轉。

注：「GeoEye -1」人工衛星，重量約2公噸，開發費用約5億美元。

圖2:GeoEye -1。取自Google。

說來有趣，這個世界上超小型衛星的急先鋒，竟然就是陷於失落20年的日本(還在下一個10年失落中)；由於日本的大學與研究機構從事於這方面的研究有好幾年的累積Know-How經驗與實力。

比如說，每邊長度10公分立方體、重量一公斤的人工衛星，也就是所謂地「CubeSat」，世界上最初打到太空的就是日本的兩個大學。開發「XI-IV」的東京大學以及開發「CUTE-1」的東京工業大學。2003年6月，這兩個CubeSat同時打上去。而最有趣的事實乃是兩者皆是學生獨立完成的傑作。

注：「CubeSat」的概念係由美國史丹佛大學教授Robert Twiggs於1999年所提出。

CubeSat就是Cube Satellite的簡稱，細節詳見網路上維基百科。

圖3:Cube satellite。取自東京大學。

在這之前的2002年12月，千葉工業大學針對鯨魚生態觀測用途，打上去一個重量50公斤的衛星「觀太君」。就是由日本人工衛星業界的精銳(NEC人工衛星開發者與JAXA宇宙航空研究開發機構的好手)所共同開發的成果。

於是，「觀太君」與JAXA宇宙航空研究開發機構共同開發衛星小型化的實際驗證衛星「uLabSat」數十公斤等級還有數公斤源流的Cubesat，劃分成兩種系統分開來進化。

好比說，2009年1月同時打上去的7顆超小型衛星，東大的PRISM、東京都

立航空專門學校的KKS-1與香川大學的STARS，均是屬於CubeSat系。其餘的四顆就是屬於數10公斤等級的產品，JAXA的SDS-1就是箇中代表。

從這些超小型衛星的開發所獲得的最大經驗，就是消費性產品元件的採用。這也是為何超小型衛星的費用會呈現飛躍性的降低之主要理由。不過，消費性產品元件的開發，當初絕非是針對太空用途，在宇宙中能否正常動作也難以取得保證；況且，有輻射線可能引起的Soft error，引起的錯誤動作考量。於是，超小型衛星的開發者認真地實驗與施予在太空中的對策；經過實際上打上去的證明，消費性產品元件的確是可以採用。好問題來了，為什麼呢？其實這個背景可以追溯到日本汽車業者與家電業者對於元件的要求，讓元件開發商奮鬥的成果，使得元件的信賴度大大地提高。

而且還有一個好笑的現象間接也影響到這個趨勢。一般，人工衛星專用的宇宙專用元件，在同樣的機能下其價格往往是消費性產品元件的數千倍甚至數萬倍。而原本太空用元件的出貨量就很少，為了保證在太空中能夠動作，也必須反覆做實驗。元件製造技術的世代交替就緩慢很多。一旦實驗成功的元件又會有持續使用的傾向。而消費性產品元件的製造技術卻是日新月異，10倍速的時代。也就是這個好笑的理由，太空用元件的製造技術往往是消費性產品元件前幾代的東西；既昂貴，電力消耗量也比較高。

而最先端技術所製造出來的消費性產品元件，在超小型衛星上卻可以逃出太空用元件的魔咒；價格性能比隨著時間的飛逝越來越高。製造費用大幅降低之外，另一層的含意也許暗示著利用高性能高等級的消費性產品元件，也許慢慢地可以與傳統的人工衛星相匹敵，也說不定。

超小型衛星上得以低價化來實現的另一張王牌，就是所謂的背馱式(Piggyback)打上去的方法。一般利用火箭來打上去的費用價格時在相當嚇人。於是，利用與大型衛星相乘的方式，成為經濟式的一條道路。

舉例來說，2009年1月23日承載溫室效應觀測用技術衛星所利用的H-IIA火箭就相乘了7座的超小型衛星。畢竟，火箭的推力必須高於衛星的重量，才能將衛星打上去。而推上去的能力與衛星重量的差額，就是服務超小型衛星的動力來源。以日本開發的超小型衛星為範例，海外火箭推送的費用算是相當便宜；而JAXA則是免費。

當然，打上去的衛星要扮演怎樣的用途，是非常重要的議題。以超小型衛星來說，隨著資訊的取得、解析等一連貫作業，在衛星側與地上側的分擔分工之差異，大致上可以歸納成為三類(依照衛星的負擔大小順序)：

第一類：在衛星上搭載感應器的『地球觀測型』。

由於衛星搭載了地球觀測用的感應器，它必須將觀測資料傳送到地上端。幾乎所有的地球觀測衛星，皆是隸屬於這種型態。

圖4:地球觀測型。衛星負擔大，地上端負擔較小。筆者製圖。

第二類：在衛星上不搭載感應器，衛星是針對資料的匯集而特別強化的『感應器‧資料匯集型』。好比說，在地上或是海洋(海上、海中、海底))的感應器，將其自身的位置以及量測到資料傳送到超小型衛星；換句話說，就是將在地球端所檢測到資料匯集(集約)到衛星上。前面所說的鯨魚觀測衛星「觀太君」就是利用這種方法。

其他諸如，魚群的探索(從衛星很難看見的微小詳細位置 )、資源探索的海水溫度測量詳細資訊等；也多是此類型的極佳運用。

圖5:感應器‧資料匯集型。衛星與地上端的負擔均攤。筆者製圖。

第三類：在衛星上搭載諸如雷射裝置的『光源提供型』。比如說，某氣象資訊提供企業於2010年打上去的「WNI衛星」，從衛星發射雷射，由地上的機器來測量衰減，達成測定CO2的濃度。

圖6:光源提供型。衛星負擔小，地上端負擔較大，利用網路連結來會籍資料。筆者製圖。

如果各式各樣企業能夠擁有超小型衛星，毫無疑問對於元件市場的擴大有莫大的效用。超小型衛星市場，對於電子產業而言，藉由在手機、數位家電、工業用電子所累積的經驗；況且，衛星的內部構成與電子裝置差異並不大；也就是說，在電子產品上所累積出來的開發‧製造Know-How，多可以運用到超小型衛星上。對於電子業者來說，進入的機會與門檻，人人有機會。

而對於超小型衛星市場的推廣，日本政府的著力點甚深，對於中小企業還是大學學術機構對於超小型衛星的開發，資金面與超小型衛星平台的建立技術，都提供了鼎力的支援。