「低軌衛星」通訊將面臨那些考驗？該如何克服高速移動造成的「都卜勒頻移」？
隨著5G通訊邁入商業化推廣階段，著眼於未來，臺灣也將著手投入6G技術布局。其中低地球軌道衛星（LEO, Low-Earth Orbit）通訊技術，將成為6G通訊服務的關鍵之一，提供立體基地臺與涵蓋陸海空的網路通訊。
使用低軌衛星提供通訊服務最大的技術考驗有哪些？又該如何克服呢？本次科技大觀園專訪國立成功大學電機工程學系專長為控制工程、航空工程與電子導航的莊智清教授，為我們進行解析。
讓6G無遠弗屆的「低軌衛星」
根據軌道的高度，通訊衛星可以被分為三種，分別是距離地表在 3 萬 6000 公里的地球同步軌道（GEO, Geostationary Orbit）衛星、距離地表 2000 至 1 萬 5000 公里的中地球軌道（MEO, Medium-Earth Orbit）衛星，最後則是 6G 服務的關鍵「低地球軌道衛星」（以下將簡稱為「低軌衛星」）。「低軌衛星」是部署位置最低，距地表僅有 500 到 2000 公里處的人造衛星，具備低延遲、高頻寬、低成本的特性，用來提供通訊與影像遙測等功能。
然而，也因航行位置，低軌衛星繞行地球的速度可達每小時 2 萬 7000 公里，最快每 1 小時半繞行地球一周。在這樣的情況下，衛星相對於基地台處於高速移動的狀態， 因此通訊系統在設計時必須考慮到許多因素，其中一個重點，便是「都卜勒效應」（Doppler Effect）所帶來的影響。
軌衛星如何解決「都卜勒效應」帶來的通訊干擾？
究竟什麼是都卜勒效應？又跟衛星通訊有什麼關係呢？莊智清舉例說明，大家都有在馬路上聽到消防車鳴笛靠近接著又遠離的經驗，鳴笛聲音在靠近時首先會變尖銳，然後隨著車輛遠離變低沉，這也讓路邊的觀察者很容易能夠判斷消防車是在接近還是遠離自己。聲音作為「波」這樣的變化，就是所謂的都卜勒效應，一個訊號的頻率，會隨著發射源與接收端之間的移動而變化。
而這也會發生在同樣是「波」的無線電波。尤其低軌衛星的移動速度可高達每秒 7.4 公里，且低軌衛星通訊採用 Ku、Ka 或更高頻率之頻段，因此產生的都卜勒頻移幅度會極大。莊智清指出，如果同時有多顆衛星傳輸訊號，就有可能由於都卜勒頻移造成通訊頻率的重疊，致使接收到的訊號有所混淆。此外，低軌衛星採取的高頻訊號，相較於地面通訊訊號也更容易衰減。這些都是在設計衛星系統時，需適當考量並進行補償設計。莊智清說明，針對都卜勒效應，可以在訊號格式設計上做出適當的區隔；接收機的部分也可應用陣列天線進行波束追蹤，以強化訊號、排除干擾。
低軌衛星技術發展的未來進行式
「如果善用都卜勒平移變化的可預測性，能有許多有意義的運用，」莊智清強調，都卜勒效應是科學家熟知的物理現象，雖然會在低軌衛星的技術設計帶來些許挑戰，卻也是科學可以善用、發展出新技術。莊智清舉例，當蘇聯發射了史上第一顆人造衛星「斯普特尼克號」（Sputnik），美國就追蹤此衛星運行的無線訊號，也因此也觀察到了顯著的頻偏變化。
後來美國約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）就據此發展出了早期的 TRANSIT 衛星定位系統，利用都卜勒效應來進行定位。莊智清說明，雖然此定位技術已經被現今普遍運行的 GPS定位系統所取代，但考量到 6G 通訊技術的發展，也有研究團隊，包括國立成功大學（以下簡稱成大）正在探索未來是否能將相關的技術應用於結合通訊與導航的 6G 訊號的定位運用。
未來 6G 將提供無遠弗屆、隨時聯網的通訊系統，而低軌衛星通訊將是其中重要的一環。「太空終究是大家共有的資源，要與國際接軌，也要自己有技術能量，」莊智清分享他的觀察，考量到通訊的頻譜與衛星軌道有其極限，各國如何協調發展，將產生許多競合與考驗，而臺灣也應積極布局。
莊智清率領成大團隊於去（2022）年成功將「IRIS-A」立方衛星送上太空，正持續進行衛星物聯網的技術驗證、優化地面站自動化功能。莊智清表示，很高興有機會透過成本較為低廉的立方衛星，有效進行關鍵技術驗證與人才培育，為未來產業的新技術與人才培育做出貢獻。
本文授權轉載自科技大觀園。