教材教法
衛星通訊的發展與組成
=企~ ~... 宣 、 別 盲 科技的腳步從一小步到一大步， 從一大步到長足的進步，科技進步的 速度是以等比級數成長中;然而，科 技的腳步也從地面走向天空，更從天 空跨入太空，邁向宇宙。(圖1)
傳播科技的長足進步肇始於「電」 的發現. 1831 年法拉第 (Michael Fara-day)發現了電磁效應，四年後摩斯(Samuel F. B.
Morse)設計了發報機與鍵盤， 摩斯電碼開敢了電的傳播; 1844 年美 國架設了第一個電報線路，正式邁入 電子傳播的時代; 1876 年員爾 (Alexander Graham
Bell)發明了電話; 1895 年蔡坤錦
英格蘭的馬可尼(Guglielmo M訂coni)執 行了無線電實驗，開敵了無線電通訊 的先端; 1919 年蘇聯開始國際廣播; 1920 年電視傳播成功地展示;1957 年 蘇聯發射第一枚人造衛星「史普尼克」(Sputnik)
.第一次從太空送出無線電 波;通訊科技也從地面有線到無線， 更進入了太空。 民國 87 年 8 月 25 日，我國擁有的 第一顆商用衛星一一中新一號衛星(ST-l)
，在法屬圭亞那庫魯基地成功的 發射升空;男外，國科會太空計畫室 主導的中華衛星一號 (ROCSAT-l ，圖 2) 也已排定在 88 年元月 27 日發射升 空。目前中新一號(ST-l)已進入地球同 圈 l 科技發展跨入太空一衛星通訊 (資料來源:http://www.ch
t.com.tw)
27
月一期 句、--吟、 d年一絲]
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生
教材敦法
E浮在這、·
圖團璽露過，
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....昏 主顆衛星喝>It企雄ii.-If輛被念 E 國 2 中華衛星一號 (資料來源:http://www.nspo.gov.tw)
步軌道正常運作中，而中華衛星一號 (ROCSAT-l)也已完成所有的測試工作， 於 87 年 12 月 8 日打包運往美國卡拉維 爾角甘迺迪空軍基地，進行發射前最 後的檢測。 中新一號(ST-l)的順利升空與中華 衛星一號(ROCSAT-l)的計畫成功，已 正式地開敵我國太空通訊的新紀元， 實現了我國探測太空科學與發展太空 科技產業的夢想。貳、衛星通訊的發展
衛星通訊的概念緣起於1945 年 10 月，英國作家亞瑟克拉克(Arth叮C. Clar-k) 在無線電世界(Wireless World)發表一 篇文章，建議使用三顆衛星等臣離放置於同步軌道(GEO:
Geostationary Orbit)
上，以達成全球通訊的目的(Worring h位n，
1990)
0 (圖 3)
雖然衛星通訊的概念發展得很早， 但若就衛星實際應用於通訊言，印象 最深刻的要屬 1971 年 8 月 28 日，我巨 人少棒隊於美國威廉波特出戰美西隊， 爭奪世界盃冠軍的衛星實況轉播(戴 月芳、羅吉甫，民 8 7) ，民眾們三更 1999年 3 月 生活科技教育 32卷第 3 期28
國 3 全球通信概念圖 燈火五更雞，徹夜收看比賽的轉播吧! 實際土，早在 1957 年 10 月 4 日蘇 聯發射了人類首顆人造衛星「史普尼 克 j(Sputnik)
，不甘示弱的美國也在 1958 年 2 月 1 日發射了美製第一顆人 造衛星 rExplorer
I
j ;吾人熟知的太空 競賽與衛星通訊於焉展開。以下就美 國及國際電信衛星組織(InternationalTelecommunication
Satellite，的TELSAT) 系列衛星，說明衛星發展的概況。 1958 年 12 月人類首顆通訊衛星rSCORE
j ，第一次自衛星傳送包含 艾森豪總統耶誕祝賀詞的語音信息到 地球上，此為衛星通訊技術的首次展 現(菩提，民 86a) 。不過 rSCOREj 的功率小、軌道低、壽命短，雖然只 有兩週的壽命，卻是道地的通訊衛星 「開山祖師」。日後對於衛星通訊的 技術研發均集中在中高軌道(距地5000-15000
km
)以上衛星; 1960 年美 國太空總署(N ationalAeronautical and
Space Agency
,
NASA) 發射了 rECHOIj 衛星，主要用於美國境內地面終端
設備間，作影像、數據與語音的傳送
Tele-教督教法
phone Laboratories
,
BL) 發射了「 τEL STAR -.I衛星， rTELSTAR -.I寵於中高 樺樹軌道，運轉遇期三小峙，依賴太 γ 有效的 J 通訊衛主義(馮韓三，民約) 1962 年美國 NASA 發騁 rSyncom h 衛星，準備放蠶於三三萬六千公壁上 空的闊步軌道，但沒有成功，昱年六 月再畫筆耕 rSyncom
11 -.1衛星，量於高蟬 斜角向步軌擺上;緊接著，1964 年發 射 rSyncom
111 -.1衛盔，成功地安置 步軌道上，並II蟹和j 完成 1964 部的 京奧運會的電親節目傳送任務O 至此， 星技掉了日推向地球同步軌道(距地35786km
)的高度 O 1964 年美國衛冕通信公濤(Comωmunication Satellite Corporation
,
COM-SAT)擴充其組織，並吸引許多國家學 與，在 8 丹 20 日 fill 個臨家共!有輩革 文獻成立國際通倍衛星組織(International
Telecommunication Satellite Organization
,
INTELSAT)
，旋即於 1965 年 4 月 6 日 毒才詞際電倍寵壞一號(INTELSAT-I)
“
Early Bird"
，糧於大西洋主三百的 道。同年，蘇聯發射第一枚蘊訊館 星“Molniya" 。 闊際電信衛星組織(INTELSAT)於 1967 年又分別發射了關際報告衛星一 號系列罷星… ~INTELSATII-F2
,
IN-TELSAT II-F3
,
INTELSATII-F4
;接著在 1968 年 12 月發射了區鐸電偕諱:豆豆五號 系列的 n汀ELSAT I1I-刃. 1969 年再發INTELSAT
II卜F3' INTELSAT III-F4
二糊富農分耳目被置於大的洋、印 度洋、太平洋上空的闊步軌道，英人 拉克 (Arthur
C.
Clark)的全球通常理論 已經實現 o 1969 年 7 月 20 日阿姆斯壯 的登月漫步，事定是j登過這些衛度傳 服務全哎界觀眾。成後衛盟的發展已 罷了密集繁多、自f鵲成熟的階段， 表 1 0 1998 年間際意義 f昌衛星組織宣佈將 於 '98 年底發射「熱為衛星 J 的otbird)•
鳥諱:農具有 30 個 Ku 顏段的轉頻器， 波東將可涵蓋聽{盟中國大建士也區( 話 6b) ，還與中新衛冕 ST-l 的 束語蓋範置有相當大的重壘，屆時衛 冕轉頻器的市場勢品賠入戰齒時代。 際電信每星組織 (n汀ELSAT) 列衛星均鷹培球問學軌道 (GEO) 衛 成本醋、功率大、涵蓋範闢塵，由主全 赤道上空的軌道巨益?難悟，INTELSAT
1
[@
年代 1971~19751975-1978
1980-1984
1985-1989
1989~19911992
1993~19951995
1994-1996
發射年代一覽 衛反 歡 聽際電信衛星四號三位的(的TELSAT-IV)6
國際電伶衛星回號 A ，~到 (INTELSAT-IV A)
5
國際電信衛星五號 1拉到 (INTELSAT曲V)8
闊際電信衛三是五號 A~ 到(的 TELSAT-VA)5
雪慧際電信衛星六號 2拉到 (INTELSAT-V
I)
5
國際電倌衛星 K 號采列(INTELSAT-K)1
瀚際電信衛星七號象到(的 TELSA恥VII)5
國際電信衛星七號 A .~:V
I}(INTELSAT VII)
3
關際電信衛星八號是在的 (INTELSATVIII)
6
立。 月一摺 弓3 一句、以年一卷
cap 』司 ph9-3
間一啊符 教 技 寸寸 44 月1 活生
教材教法 90 度，將地球自轉轍 ，稱為極軌道:若價斜 。極軌道的 屬之(白光弘，
time)
.鈴用特定週期來 為太陽闊步攘回歸軌道; 道的軌混聞與太陽保持-兩 再觀測地表時，陽光入射角 福滑，民 80)
。著名的大士也釋重 sat) 、海洋衛冕 (sea sat) 、 RO心N令人A) 等觀濟每星麗工、強軌道高度區分
(寸土棍球靜止軌道的EO)
地 35786km 的高度，地球 衛盤均 f立於此軌道。
軌道 (LEO:
Low-Earth Orbit)
500-1500km的高度，組 動還言其使罵f惡地 。如:該計鑫[(Iridium) 。 印中棉球軌道會1EO:Medium毛a的 Orbit) 增刊。0-15000km .陸輯部份 訊訐畫使用中 如:英闊的興德塞計劃(Odyssey)(
擺，民 86c) 豆、俄衛星蠶量區吾吾 (大於 3000kg)(
/J、於 3000kg) (小於 lOOOkε) 館星(150kg)
(50kg)
若個科 蓋在內的 為 0 度則 多，部份85 )
日太鶴闊步建農田歸軌道 (Synchronousnear recurrent orbit)
生意球時，若以特定的 時刻，如地方平均太厲詩(local
mean
靶，可 的 Sputnik 館，衛星 器個數、 ，衛星技術 與 f專 時不聽 兒，但若 分為圖 以能繞地球 士也心引力 ，士也心引力提 動的向心 心，也是精 。 發展出新的衛是按街， 關 3 度的衛星軌道縮減 解決日益不足的衛是軌道;另外值得 的，在地球闊步軌議的EO)衛 的同時，中棋軌支援衛組系統亦 如爾後春答般的競輯發展，街Motorola 的「錶計晝tl J 單是一辨。 人造每星的發展不 聽說第一投入造衛 現在成熟穩定的 命、體積、 均不斷的增長、 進步，使衛星扮 最重要的骨幹， 著我們。 種軌道(PolarOrbit)
一般相對於赤溫剖暉，其若干傾 斜角度的的衛星軌增稱為傾斜軌道，參、衛星的種類
館里的分黨方式 以其連行軌道形狀來 形和精圓形;而衛 伸過期性的運動， 的牽引 o 說得明白一 數區周運動制 ，地球是置題譚藍色的 的一{盟黨點。 以下分民就僅是的 、衛星重一、依軌道種額臨至于
付棉球靜止軌道(GEO) f立於赤道上空的 自轉週期與窩里么轉 ，在地球上種靜止軌道上的衛星 於靜止狀態。 INTI三LSAT 闊步籠星 1999年 3 月 生活科校教育32卷第3難30
教材教法 四、依衛星功能區至于 (寸筒黨通訊衛星 一般的通信窗是均囑之。如;中 新一號 ST-l 、藍藍播衛鼠，掠計畫衛泉。 (=-)科學衛星 地球資源探測衛星星、天文觀測衛 、氣象衛星均屬之。如:哈伯太 望遠鏡 (Hipp叮cos) 、中華衛星-號 (RO CSAT-l) 。 (或軍事衛 般軍事用途(定位、導 51 、觀 爛、{員盔、...…)的衛星星(吳俊弦， 務7) 茲以中華龍惜的中新…號 ST間 l 與 國科會太空計叢室的中華衛是一號 (RO CSAT幽 1) 依前述分類方式做比較，俾不IJ 衛星種穎的瞭解(表 2)
肆、衛星通訊的系統構成
每星通訊系統的組成分為「地面 台分系統 J 與「衛星分系統 J 。地 宙空軍台分系統出射頻將端設路(即可ter-minal
equipment) 、基步頁終端設斑(baseband terminal
equipment)與海邊設施組 成;而僅是分系統的組成包括:天線 (antenna) 、轉頗器(transponder) 、偉I 源系統、衛監姿勢穩定系統(Satelliteat-titude stabilization
system) 、衛星噴射系統 (s況tellite
propulsion
system) 、這測追蹤及 指揮系統 (telemetry，tracking
,
&
command
system) 、熱能控制系統。(如[讀 4
)
、地眉電台分系統 (…)射額終端設施 (RFterminal
equip喝ment)
包含地雷電台間發射天線、接收 天線、昇頻揖波器(up converter) 、降頻 混波器(dm:vn converter) 、高額放大器 (HPA) 、低雜音放大器(LNA)等。 (::::)華頻終端設施 每合基頻設備編碼器、解碼器、 調變器及副調器等 O 頭常射頻終端輿 基頻終端自警用適當的霞纜或光纜聯繫， 構成中蘋(IFLine
70MHz)聯絡系統。 (:::.)測試儀表、空氣鵲節、標準鐘等。 工、衛星分系統 (今天線 衛星上的天總要求體積小、重量 單豆、饋電方便、使於摺疊和展開， 工作原建和件型與總面天線相同。 1.全方向天線:衛星仁的遙測、指 令、倌號標記天線皆為全方向天 ，俾幸IJ 可靠的接收指令，立主發 射進測數據和信號標記。 2‘通信天線:屬於定i恕的通告用微 液天線，天線增益高，有效輻射 善之三 令有主衛星一號與中新衛星特性比較表 項 自 中學衛星一號(ROCSAT-l) 中新一號(ST-I) 軌道種無 傾斜軌道( 35 沒) 地球詞步軌道(Oeo，發8°日 軌道高度 他見球軌道(躁地600恆的 闊步軌道(距純35786km) 衛豆豆重最 小型衛星(395kg) 中型衛星(l450kg) 4去務特權 科學帶星(科技研究) 商局通訊衛星(中續與直播) 4學 命 二年 十五年 31 月一期 勻3 一甸、 d丘地咐
9m 全 MU 一育教
技 叫于 逞，! 活 生教材教法 衛星系統組成及運作關聯固
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§l IE 假Z理系統 紛i&': t{l :nl 系統 圖 4 中華衛星一號的采統組成 資料來源、 :h前p://www.nspo.gov.tw II&純1/
悶 .lt' lfi& 亢徘 功率大;依其波東涵蓋範圍大 小、形狀區分，可分為全球波東 天線、點渡束天線、賦形波東天 線。 3. 通信頻率:衛星通信所採用的頻 率，限定在所謂微波 SHF(3-10 GHz)及 EHF (30-300MHz)的範圍 內，見表 3 。以中新衛星 (ST-l) 為例， C 頻上鏈 6.425-6.725GHz ， 下鏈 3 .4-3.7GHz ;
Ku 頻上鏈 14.0-14.25GHz ，下鏈 1 1.的~ 1 1. 70GHz 。 (=:)轉頻器 轉頻器是衛星分系統中直接起中 繼作用的部份，每個衛星都有若干個 表 3 衛星頻段一覽表 頻 段 範圍 (GHz)L
Band
1.
5 -
1.
6
S
Band
2.0 - 2.7
C
Band
3.7-7.25
X
Band
7.25 - 8
.4
Ku
Band
10.7 - 18
Ka
Band
18 - 31
Q
Band
44
nun
wave
40 - 300
資料來源:白光弘，氏的，頁5 。 轉頻器(如:中新衛星ST-l 有 14 個 C 頻轉頻器， 16 個 Ku 頻轉頻器) ，每個 轉頻器是一套靈敏度高、寬頻帶的收/ 1999年3 月 生活科技教育32卷第3 期32
教材敦法 發訊設備，主要作用是對需要轉發的 信號進行接收、放大、變頻，並再次 發射。衛星直播電視與衛星通信的中 繼功能均有賴於轉頻器的作用。(圖 5
)
以下介紹轉頻器的訊號收發頻率 何以不同，及轉頻器種類。 1.轉頻器的訊號上鏈與下鏈 (l)轉頻器的訊號上鏈下鏈應採 不同頻率，可避免轉頻器發 生回饋現象。 (2) 上鏈頻率通常高於下鏈頻率， 因為地面電台的發射功率大 於衛星，之於長距離的傳播 路徑損失言，也較合理;復 以衛星受制於重量、體積、 電力，故衛星下鏈選用較低 的頻率。 2. 轉頻器的種類 (l)透通轉頻器:指單純的對地 面上鏈的訊號進行接收、低 雜訊放大、變頻、功率放大、。JA嚷:一叮叮
-j
八九八崑
如叫盟
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品，作暫j 意「
國 5 衛星轉頻器的應用 DTH 資料來源:http://www.ch
t.
com.tw
轉發射的任務;因此，對工 作頻帶內的任何信號都是「透 通」的通路。 (2) 處理轉頻器:除了轉發信號 外，還有信號處理的功能， 增加了信號解調器、處理單 元和調變器，它先將信號解 調以便進行信號處理，然後 調頻、變頻、放大後發回地 面(通訊編輯，民的) ~衛星電源系統 1.太陽能電池:將太陽的光能轉變 為電能的光電變換裝置，最常用 的是矽太陽能電池，成小型片 狀，經並、串聯成太陽能電池 板;太陽能陣列輸出電壓很不穩 定，必須經電壓調節器調解才能 使用，為衛星的主要電源。 2. 化學電池:通常使用性能優良的 鎳-鍋(Ni-Cd)蓄電池與太陽能電 池並接，在非星蝕期間被充電， 而在星蝕(衛星飛越地球陰影) 時，蓄電池則供電保證衛星繼續 工作。 的衛星姿勢穩定系統 衛星在太空易受外來干擾轉矩， 使衛星姿勢逐漸變化，影響到衛星天 線的指向，致使通訊功能無法發揮; 姿勢的穩定對衛星是一項很重要的需 求，通常可分為自轉姿勢穩定與三軸 姿勢穩定。 1.自轉姿勢穩定(Spinstabilization
system)
:圓形桶狀衛星以其縱軸 為自轉軸，做規律的自轉運動(
50-1005 轉/分鐘) .以得旋 轉穩定。發射與接收天線群經由 旋轉接頭連接，定向不迴轉。2. 三軸姿勢穩定 (three
axis attitude
33
1999年 3 月 生活科技教育32卷 3 期
教材教法 的熟能控棋系統 在太空環境裡，只有幫端嚴芳炙手口 的環境，衛星的溫度可能從 -200°C 到 +l50°C 左右，院為使番:盟正常工作， 必須使用熱能控輯元件， {吏衛星達到 熱平衡(自先豆豆，民的) 【館展接收的太陽能]
+
:衛星器件產生的熱能]=
{衛星向太空輻射的熱能;f五、衛星混訊的特性
聶訊在今日的資訊時代能{占 有一席之地，而且的形薰要，主要請 主士其價良的特性主義非其他士毒面痛訊 介能友，竟以衛星通訊的農佈性、 II笠、多點講訊、建構沮連、通 費用合理等最為人構造。 一、無遺弗屆的涵蓋範圈 衛星 i通訊距離遷 ， i續支蓋面積廣入， 個問步衛星的全球波草鞋可以通 42 .4%的地球妻雙語撓，綿蕾的衛星網路 已經形成，只要布服務籠醫內，資訊 可以選主黨每個用品。 stab益IZ睬。的:將衛鐘本體區分為 丸Y，Z 三翰，在車車上放擺平軸反 作用飛輪 (3-reactionwhee
l)
，經融 改儕反作用飛驗的轉速， 作用轉矩，維持衛星姿勢種定。 如〉衛星噴射系統 噴射系統的作用就 衛星台址。由於士也球是個桶 前上月球或太陽等|力，致使撞 上東蘊藏南北漂流，當衛星 標準時，便會敢動的繡的衛 統，立即:奧麗正確的合址。 噴射系統的噴射燃料使用年 限(蠱〉與電池講命(劣{色) ，種往是 決定吾吾主義講命的主要聽素。 約遙潮追蹤及指揮系統 1. 遙測 (Telemet可) :使用各種感 器和感知瓣，不斷聽得有關衛星 及衛星內各部份工作狀態等 ，經過放大、多工、編器、 每處理後，級遙潰1 發射機與 天鑼，將訊號攘間士也露的溫測蜻 蜓與指揮欖白，體樹 'TT&Cj ，以攪得知衛星的僻康情形。 2. 泊蹤 (tracki略) :衛星內縈繞指標發射機(beacon
signal
trans-mitter)
，以便當衛星接發射及在 軌道獨行時將訊號撤回地麗， TT&C 主喜好這蹤衛星星。 3. 指揮 (command) :揖揮僧號是 γT&C 將遙閥、遲疑的數慷計算 ，對餐露展研下的指令，但 括轉頓器的操作、合起t 維護、 星姿勢警變化、增益擔劍、1措 f分 件交換，以及在醫還發射期間通 情天線的展纜、太陽能會覺地板的 伸張、噴射系統的自主鸚均告會在 禹。 {區 二、系統的聞發繡充迅遠 興麓， 成 Q 設與規 間內裝設 無纜諒的 以在 用 戰 變E 但E暑 不像線 敢決於頻 工、傳輸f寶格不受距離 衛星的 f專輯續格 般由距離抉菇，關 與傳輸 。 為， 響 然災害 四、不易受 24 行員長 2τ1:123tga 通過組蜀， aa34
1999年 3 月 生話科技教育32卷第3期五、高頻寬、高傳輸速率
目前 NASA (美國太空總署)的
ACTS (Advanced Communication
Tech-nology
Satellite)衛星之通訊容量可達 1Gb戶，資料傳輸速度 622Mbps. 而商 用的非同步傳輸模式(asynchronoustmasfer
mode;
ATM) 服務則可以達到的 Mbps 。 大、多點通訊導向系統 目前地面通訊系統多為單點對單 點通訊，透過衛星可以輕易地做到多 點通訊網，相當符合通信需求。如:Internet
、還距教學(圖 6)
七、安裝費用不高 終端用戶設備與安裝費用的價格 不高，且不需因增加用戶而架設線路 (陳志明，民 86)
陸、結語
衛星通訊的發展在二十世紀末又 有了重大的變化。 Internet 在頻寬有限、 速率遲緩、使用爆炸的窘境下，衛星 通訊高頻寬、高傳輸速率的特性，再 圈 6 衛星通訊的應用~遠距教學 資料來源:http://www.cht.com.tw
35
教材教法 次受到青睞;而衛星的個人行動通訊 也在地球村即將實現的今天，提供地 球人更方便的全球行動通訊服務。在 '98 年 11 月 1 日已全球通話的「錶計畫」 (Iridium) 全球衛星行動電話即是一例。 在地球同步軌道 (Geo) 日益擁擠的 情況下; 1990 、 1991 陸續提出的衛星計 畫，銀計畫、全球星(Gl obal Star) 、奧德 塞計畫 (Odyssey) 、愛國計畫 (Inrnarsat-P)
等，全球性衛星行動通訊計畫，均改 採中低軌道衛星;而衛星個人高速數 據系統(ATM 、 multimedia) .也是採用中 低軌道衛星，如:微軟的Bill Gates 所 投資的 Teledesic計畫使用 288 顆低軌衛 星 (Evans， 1998) 。衛星的多元發展勢所必然。
在國際通訊舞台熱鬧的二十世紀 末，我們也沒有缺席，儘管我們不是 國際電信聯合會(ITV) 的一員，我們也 在 1998 年 8 月 25 日與新加坡合作發射 了中新一號(ST-l)衛星，而國科會太空 計畫室在 1998 年 12 月 8 日，已將測試 完畢的中華衛星一號(ROCSAT-l)打包 赴美，排定 1999 年 1 月 27 日發射;這 在在顯示了我們於太空科技上也有了 長足的進步。 如今衛星已成為我們日常生活中 的一部份，舉凡而見聽廣播、數據傳輸、 行動通訊、資訊高速公路等，衛星都 扮演著極為重要的角色。未來結合衛 星通訊網路與地面通訊網路，將可提 供更完整的通訊服務。參考書目
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