立方衛星　即將改變太空網絡生態

隨著科技進步，衛星體積得以縮小，邊長10公分的正立方體就能提供衛星完整功能，甚至一般智慧型手機也能改造作為衛星主體，太空不再只是政府及大公司的領域，人人皆有潛力製作衛星，並有機會送上太空。

文／陳昊安
資料提供／台灣微衛星發展中心

自從人類開始記錄歷史以來，對太空的嚮往未曾間歇，1957年第一顆人造衛星史波尼克1號（Sputnik1）成功發射入軌，宣告太空時代來臨。迄今已有大大小小多達數萬枚人造衛星進入太空。

電子技術進步　衛星愈來愈小

人造衛星若以質量區分，可分為超過1,000公斤的大型衛星、500〜1,000公斤的中型衛星、100〜500公斤的小型衛星，還有微衛星、奈（米）衛星，以及不足1公斤的皮（米）衛星和飛（米）衛星。

商用通信衛星與天文觀測用的太空望遠鏡屬於大型衛星，我國對地觀測用的福爾摩沙衛星二號屬中型衛星，福爾摩沙衛星三號則是6個微衛星組成的衛星群，利用折射原理發展出的掩星技術，進行大氣與電離層觀測。

由於電子資訊及微系統蓬勃發展，精密製作技術進步，電子裝置益發輕薄短小、省電及智慧化，衛星得以小型化、輕量化，甚至平常使用的智慧型手機就具備衛星所需的系統元件，美國太空總署（NASA）就在2013年以3支手機製作手機衛星，送上太空！

衛星小型化有許多好處，最主要的好處是降低發射費用與增加發射機會，可採「搭便車」方式或用小型火箭發射；研發成本亦降低。此外，發射立方衛星比較沒有製造太空垃圾的問題，因其體積小，且多位於低地軌道（Low Earth Orbit，LEO），較易進入大氣層，返回過程中就會燃燒殆盡。

10公分立方為單位　標準化模組助發展

1999年，加州理工州立大學與史丹佛大學定出標準化規格，以長、寬、高各10公分的立方體為1單位（1unit，簡寫成1U），因此又稱為立方衛星（CubeSat），較大的衛星可為數個單位，目標是在低地軌道進行科學實驗及新技術測試。標準化介面使廠商有發展各自模組的依據，提供價格合理的零組件，加上開源資料分享的豐富資訊，製作立方衛星變得更容易。

我國國家太空中心於2002年研製出台灣第一枚立方衛星「番薯號」（YamSat），僅857公克，屬皮衛星級，其主要科學任務是量測大氣層對太陽可見光譜的散射量，進而研究大氣層變化及分析大氣層成分。雖然蕃薯號衛星幾經波折後並未發射，但此計畫已發揮教育訓練作用，在國家太空中心的協助下，國內已有成功大學和中央大學發展自己的立方衛星。

此外，台大太空社的學生發起跨校團隊，與大同大學、北科大的同好共同創立台灣微衛星發展中心，自籌經費，進行立方衛星的開發。成大電機系教授莊志清表示，發展立方衛星可確實普及衛星實做的氛圍，累積並分享經驗，激發學生的興趣。

立方衛星的系統架構可粗略分為「平台」（Bus）和「酬載」（Payload），平台負責維持衛星基本運作，酬載則是執行衛星任務的部分。太空環境的特性包括：高低溫差、充滿宇宙高能粒子，因此立方衛星必須具備熱控制系統，並以盡量節省能量的方式來達到溫度控制的目的，避免儀器過熱或受凍；姿態控制系統則為保持預定的位置及指向，轉動角度並維持衛星在軌道運行；其他還有飛行電腦、通訊系統及電力系統等。

太陽光壓新動力

目前立方衛星主要使用的動力依然是電力，能量來源包括電池或太陽能板，值得一提的是，許多科學家對利用光子的光壓推動運行的「太陽帆」抱持高度期待。

就像帆船依靠風力前進，光子施加的光壓雖然極微小，但在幾無阻力的太空環境下會不斷累積並推動太陽帆運行，為衛星長期運行提供新的可能。

2010年日本研發的伊卡洛斯號（IKAROS）是世界第一個成功在行星際空間運作的太陽帆探測器，而美國行星學會（The Planetary Society）研發的光帆（LightSail），2015年5月底發射後，兩度失聯，終於在6月8日成功展開，達成既定任務。

太空網絡新願景

立方衛星與大型衛星的功能類似，但規模有所不同，舉凡遙測、影像拍攝、科學實驗、通訊…等皆可執行，高度介於同步軌道與探空氣球之間。單一衛星用於進行較單純的任務，對較複雜的任務則透過星群的方式達成。

太空探索科技公司（SpaceX）創辦人及特斯拉汽車的聯合創辦人伊隆•馬斯克（Elon Musk）2015年1月宣布，準備向太空發射700顆衛星，建立全球衛星網，解決當前太空網路訊號延遲的問題，但因衛星離地表更近之後，訊號覆蓋面積縮減，此計畫所需衛星暴增至4,000顆！初步測試估計至少耗資10億美元，但在理想及現實上都仍然十分具有吸引力，伊隆•馬斯克表示，此舉將「重構太空網路」。

舊金山的新創公司史拜耳（Spire）發佈新聞，表示公司計畫用立方衛星架構網絡，以追蹤動物並拯救自然保育園區的明星獅子西廋（Cecil）；到2015年年底，史拜耳公司陸續推出20顆立方衛星，並完成幾項目標，包括部署世界上第一個商業化的氣象衛星網。

太空的「民主化」

近年來立方衛星的概念從最初的學術研究，擴展到商業應用及個人領域，備受矚目的美國行星實驗室（PlanetLabs）專門製作3U的「鴿子衛星」，3〜5公尺的高解析度超越陸地衛星8號[註]，頗具商業價值；南韓藝術家宋浩俊「跳痛」自製衛星，為此印製T恤募資，只為證明「人人都能創造衛星」。不過台灣微衛星發展中心提醒道，研製立方衛星仍需具備基礎工程和太空知識，以及長時間研發調整的耐心。

若說1950〜1970年代是太空競賽的時代，21世紀初的今天則是「庶民太空計畫」的開端，太空不再只是大政府或大公司的領域，DIY太空探索不再是夢想，美國太空總署艾姆斯研究中心小型衛星整合產品小組副經理布魯斯•約斯特（Bruce Yost）稱此趨勢為「太空的民主化」。

註：陸地衛星計畫是運行時間最長的地球觀測計畫，自1972年開始迄今。陸地衛星8號是該計畫最新的衛星，於2013年發射入軌。