國立成功大學
邁向頂尖大學計畫出國案報告書
報告名稱：第十一屆 國際宇航科學院國際研討會-葉家亨出國報告書
出國期間：106 年 4 月 20 日至 106 年 5 月 3 日
經費來源：邁向頂尖大學計畫經費
單位：電機工程所
職稱：碩士班二年級生
姓名：葉家亨
中華民國 106 年 08 月 23 日
Abstract
11th International Academy of Astronautics (IAA) Symposium on Small Satellites for Earth Observation held in Germany-Berlin by Technology University Berlin and German Aerospace Centre (DLR). Small Satellites are generating significant interest among academic, government and industrial institutions due to their low cost, ease of launch vehicle integration and to the high quantity of documentation available. Thus, the symposium provided a platform to stimulate idea, share experience, search cooperative partner.
Fortunately, I got an acceptance for my research. My research is “Estimation of Online Power Behavior in PHOENIX's Electrical Power Subsystem’. The research proposed an innovative method which provides predictive capacity for the mission planners and appraises the battery voltage rather than its capacity via the comprehensive power generation model and the scenario power consumption analyses.
In the symposium, most of teams were from Europe and proposed innovative perspectives for future plans and vision. Some special missions ideal were discussed such as laser communication and thin film solar cell applying in spacecraft. Maybe some ideas aren’t practical, but those offered chances to challenge them.
Since our laboratory (SPACE Lab) successfully operates PHOENIX 2U CubeSat, our capacity is not bad comparing to other advanced countries. For instance, Germany is impressive industrial capacity, but SOMP2 CubeSat, one of QB50’ project from Dresden University of Technology, failed in space. Therefore, there are no any prerequisites for any country so long as they could be prudent to all details in process.
摘要
第十一屆國際宇航科學院研討會舉行於德國柏林，主辦單為柏林工業大學與德國航太中 心。小衛星近年來越來越受到重視，不論是在學術界、政府機關甚至是產業界。因為其相對低 廉的價格、較短的開發時程、標準化的架構….等的諸多優勢。因此，此研討會提供了一個平台 給各團隊激發想法、分享經驗甚至尋找合作夥伴。
榮幸地，本人得到此次機會發表我的研究。主題為” 鳳凰立方衛星電力系統之線上電力行為 估測”。 此研究的所提出的演算法相較於大多數的研究最大不同之處為估測電池的電壓，而不是 電池容量或健康狀態。任務規劃者亦可透過此演算法結合電力產生模型與情境分析，達成良好的 任務規劃與評估。
此次研討會，大部分的隊伍來自歐洲並且於研討會中提出許多新穎的想法與議題。諸如: 利 用雷射來進行衛星與地面戰的通訊，以及將薄膜太陽能板的技術應用在太空中試圖打破三-五族太 陽能板佔領的市場。也許部份的想法是不可行的，但這些提供了很好的訓練於實現的過程中。
透過與各國團隊的交流，發覺我們台灣的實力也不亞於那些先進國家。譬如，同樣是 QB50 計畫中一員，我們實驗室成功操作衛星，但德國的德勒斯登工業大學就無法如期地與衛星建立基 本的通聯。由此可證，在太空這領域每個國家都有機會，只要在實踐的過程多點用心與謹慎。
目次
一、目的……..………. ...P1
二、 過程………..………...P1
三、心得與建議事項………..………..………...P3
四、附錄………...………P4
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一、 目的
主辦單位柏林工業大學與德國航太中心召集世界各優秀團隊前往柏林參予十一屆國際宇航 科學院研討會，從基本的分享各團隊的經驗之外。亦藉由此機會，激發各團隊的想法來規畫新型 態的小衛星太空任務及尋求共同合作的契機。另外，此研討會也邀請到美國太空總署與歐洲太空 總署前來分享此目前世界航太領頭羊的未來規劃。
許多團隊分享著如何帶領一個團隊從專案管理員的角度。一個好的團隊，該如何妥善的分配 人立及安排計劃時程表。然而，也有許多團隊分想著如何將小衛星之太空領域應於教育上，使大 學生甚至高中生及早接觸太空領域的教育，並且試圖激發其興趣。經驗分享除了團隊的帶領及教 育的扎根，另一個重要的目的即為技術分享。而本人此次前往此會議即為分享本實驗室所開發的 鳳凰立方衛星如何預估其電力行為。
然而，此會議除了提供尋找合作夥伴的媒介之外，也有許多廠商前來推展其產品與服務，進 而使各團隊可以貨比三家挑選出最適合自己任務的產品與公司。以一個學生身分前往參加此會議，
不但可以深根其技術視野，亦可建立太空世界觀的概念。藉由交流討論，促使前進的動能更加飽 滿。
二、 過程
十一屆國際宇航科學院研討會舉辦在德國-柏林，此會議主辦單位為柏林工業大學與德國航 太中心，可能因為德國的工業實力與地位在歐洲或世界上皆占有一席之的關係，許多專家前來 參加包括歐洲太空總署與美國太空總署也有派人前來參與。此次前來參加的團隊，來至世界各 地，但仍以歐洲團隊佔最大宗，將近 2/3 的報告者為歐洲團隊。而此會議也有很多商業團隊前來 推展他們的產品，從測試服務、各子系統的電路板至發射服務應有盡有，而此次的會議也有許 多的報告者是前來推銷他們的服務及產品。
此會議舉辦了四天，共可分為以下十四個部分:
1. Programmtics: 從一個領頭羊的角度去看待未來的太空發展於小衛星方面。美國太空總署與歐 洲太空總署這兩個太空領域的指標，闡明了未來的小衛星將被賦予諸多的複雜任務，且有將大 衛星的任務漸漸的或部份的轉移至小衛星的構想。以往高解析度的照相功能、或多個精準的科 學量測都僅於動則幾十億台幣起跳的大衛星，而小衛星不可避免的是未來的趨勢。
2. Missions: 任務分享與激想已成為太空領域研討會不可或缺的一環，展示著任務的成果不再單 單是分享而是一種秀實力的契機，而這契機也讓自己在之後的任務合作中，擁有更好的機會找 到理想的合作對象。而往往要能成功的站上舞台分享是需要一段很漫長的路程與足夠的資金跟 能力，所以進行中的任務，不論是否發射了，都可以利用這機會好好的跟大家討論。而上述所 提到的資金跟能力，也可以藉由這大型的國際研討會找尋合作的夥伴。
3. Instruments: 一個太空發展成熟的國家，通常太空任務不再單單是驗證子系統，而是進行科學 探測。然而，太空的量測八九不離十都是相機或光學儀器。常見的高解析度的可見光或不可見 光的量測到利用光學儀器進行大氣懸浮粒子測量，甚至追星體來控制衛星姿態皆廣泛的討論於 會場中。精準度與特殊性就是其討論中的重中之重。
4. Distributed Space System: 單點的量測或單顆衛星的量測，總是無法確實的呈現應有的量測 值，原因是樣本數過少或單顆衛星的誤差值無從比較近而修正。而衛星群星正是解決這問題的 最直接方法，統計學告訴大家，越多比的樣本數可以消蝕一些變動幅度過大或不合理的情況。
本實驗所參與的 QB50 計畫，也是同樣的概念。多點、連續、多顆的量測來達到精確、合理的測 量結果。
5. Specail Aspects: 發明家常常發明某樣物品是為了某個目的，但應用家就是站在發明家上的侏 儒。衛星的應用也可以應用農業，利用衛星來作無人耕田機。又或者每年發射上太空的衛星越 來越多宛如目前地球的人口成長毫無趨緩的跡象。鑒於如此太空規則的規定日趨重要，但這觀 點之所以特殊是因為牽扯到太空政治學。中央大學也利用衛星影像來觀察 2016 尼伯特颱風對南 台灣的衝擊影像。
6. Student Conference: 學生競賽，這次的主題專注於衛星的控制領域。姿態、軌道的控制可以說 是將控制的理論發揮的最佳場所之一。與有榮焉地，本實驗的學弟代表台灣、亞洲去參與的這 競賽，雖未獲的前三名的佳績，但優秀的表現深植人心讓大家看到亞洲台灣的成功大學教育的 扎實度。
7. Communications: 若地面站僅設在陸地上，然陸地站地球的總面積僅不過 30%，但又真的適合 來當作衛星訊號地面接收站的面積更是少，所以如何建立強健和快速的通訊極為重要。因此各 個團隊嘗試著各種可能的通訊方式，就是為了達到上述的目的。本實驗也藉此分享著如何驗證 通訊的品質於鳳凰立方衛星。
8. Lessons Learned: 從失敗中學習，這句話對於發展衛星也是很適用的。別人的成功與失敗也是 給各個團隊最好的效仿與借鏡。然而，對於衛星產業而言，這個部分也是發掘商機的最好的時 候。本實驗室的鳳凰立方衛星得成功，也須歸功於有記取之前失敗的原因。
9. CubeSat: 立方衛星是目前盛行於世界各大學的衛星種類，有諸多好處:技術難度低、發展期程 短、許多商售產品、大學可承擔的財務壓力。其實，在每個部分幾乎都會提出相關的研究關於 立方衛星，但因為實在是太多的團隊都在發展立方衛星，所以特立此節來討論。本實驗室成功 發展的衛星即為 2U 的立方衛星。
10. New Platforms: 小衛星這名詞尚未有明確的定義，故奈米衛星、微衛星、立方衛星、口袋衛 星、罐頭衛星…等皆可屬於小衛星。這類群中又以奈米衛星與微衛星屬於較大型，且較沒有一 個標準的設定規範，故在這兩種衛星上就可以有很大的發揮空間。一些資金較充裕的團隊仍會 已發展微衛星或奈米衛星為主，而在這節中就是給這些團隊發表期設計的概念。
11. Propulsion: 對於軌道的控制，推進器的設計與研發是一個算是新穎的題材。姿態的控制通常 會用到地磁來達成，但推進的話通常是用霍爾效應來達成。各團隊也藉由這研討會來幫助自己 更佳的掌握這方面的技術。而小衛星的體積所能貼附的太陽能板本來就是有限的情況下，推進 器的裝載只會更佳耗能，所以推進器的困難處就是如何精準的控制與減低能量損耗，故有團隊 就提出太陽能集中器來增加電力的產生。
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12. Subsystems: 各個特別的一些觀念都在這節提出，這些觀念可能不是這麼的新穎，但就將它 發揮得更好。譬如說薄膜技術在太陽能板界不是一個新的技術，但應用在太空領域的太陽能板 還是以三五族元素為主，而英國的薩里大學就嘗試將薄膜太陽能板實現於立方衛星。許多的技 術結合與深化，都在這節展示。而我的研究也被歸化在這領域，因為我是結合了許多的技術去 行程整理的表現，但題目的新穎度的確不夠，所以也安排再這節。
13. Software: 許多廠商都有販售許多子系統，所以許多團隊彼此間都有共通點，唯獨飛行軟體就 是看各家的本領。所以一個穩定、可靠、彈性化的軟體是共同的趨勢，而本實驗也在這部分有 所發表，一為針對地面站任務規畫的自動化安排，二為衛星本體的自動化任務規劃。軟體不僅 僅是針對衛星或地面站，相關的模擬軟體也一併在這部分深入的探討。
14. AOCS: 姿態與軌道的控制在學生競賽的時候就有些探討，但在這部分主要由廠商與專家們來 分享著更細部的內容，主要就是針對會用到的制動器與感測元件來作探討。而一個小衛星在太 空中的任務期程最多可能會到十年，然許多任務經驗告訴大家，在這任務期程內常常許多制動 器或感測元件的壽命比這任務期程來得短。例如:福衛二號最後也因為制動器的故障導致任務終 結，雖然它不屬於小衛星。而如何製造出除了精準的元件外，壽命長及穩定性夠的元件尤為重 要。但一個互補性的設計，也可以避免一個元件的失效導致任務的不完美。這些廠商與專家們 帶來一個不同的觀念在控制上，相較於學生競賽時探討的各種控制法則。
除了上述的各個小節外，主辦單位舉辦了接待會位於柏林郊區的天文台。這個擁有二戰時 期所留下的觀測望遠鏡，這望遠鏡可不是大家想的一樣，手拿就可以攜帶的那種。而是一個巨 大無比的望遠鏡好幾噸重(如圖 4)，要控制它還需要特殊的馬達裝置來驅動。由此可知德國的遠 見與科技實力的雄厚，二戰前就在發展天文觀測。
三、 心得與建議事項
藉由與各團隊的交流，從基本英語、社交能力的進步，更進一步的拓展太空領域的知識。
在此會議中可以發現一個現象，除了本身的研究內容與想法外，好的報告能力也是很重要的。
在會議中可以看出發展微衛星是許多國家、學校的重點，而台灣的國家太空中心也瞭解這趨 勢，所以也在今年釋出許多標案給大學去發展立方衛星，這些大學也可以藉此機會陶冶學生太 空工程的視野，並且與台灣許多廠商合作達到雙贏的局面。
從本實驗室及他國團隊的經驗裡，皆可以認知到一個好的管理，通常可以造就一顆好衛星 及經驗、技術傳承。良好的管理包括文件的撰寫、人員的分配、時間的掌握、倉儲的控管、資 源的規劃以及培訓機制，這些要素造就一個團隊的成敗。很可惜的是，台灣的太空產業依然不 是很蓬勃，台灣目前有訓練出一些太空工程背景的學生實為不多，但根據我們實驗室的畢業生 的情況，好幾年才會有一兩個學生畢業後繼續深造於這領域。
前一陣子也有參加另一個微衛星的研討會由東京大學舉辦，當時覺得日本很厲害。但這次 與歐洲太空總署、美國太空總署交流過後，深深的體會到世界領頭羊的實力。日本所舉辦的研 討會的負責人之一，也到現場稱臣並且力邀大家去參與他們所舉辦的研討會。由此可看出，這 是一個多麼大型的研討會，但聽說關於衛星的研討會最大型的還是在美國。也因為這研討會，
我有機會跟一個 NASA 的工程師做一個深入的探討關於太空領域，而美國的太空總署未來的一 個大計劃就是想要把人載去火星生活一陣子。雖然我早就聽過他們有這想法，但沒想到的是他
們已經著手實踐這對許多人而言是不可能的事。在這麼多天的交流中，也談到台灣該如何才能 有所突破與長進，他認為一定要透過國際合作才能幫助自己，吸取別人的能力轉化為自己的實 力，透過多次的合作的不足自己不足的地方。
目前許多衛星的計畫皆為拍照，雖然這是最直觀的任務想法，但衛星的任務將會是更多元 與更具挑戰性。例如: 利用雷射作為通訊的方式，達到更加快速與連續的目的。又或者，利用衛 星觀察大氣懸浮微粒的影響，進而與地面的量測系統進行相互的互補，這樣的任務構想若可以 實現並應於台灣，也許可以幫助我們更瞭解空汙的情況，減少 PM2.5 的發生。然而，在有限的 體積甚至是標準化的架構下小衛星要追求新穎與特別，可以說額外困難，而且架構與系統亦更 加複雜。這些種種導致近年來衛星執行任務的失敗率亦順著水漲船高了。所以在做出任何突破 與挑戰時，皆須回到現實面評估並盡已所能達成衛星能順利執行完任務。
在本次的研討會中，我的研究主要是針對衛星發展一個電力的模擬系統。可能是領域太過 狹小且在太空領域不是很被注重的一環，導致在這次的研討會中無法一展拳腳。但因為自己的 題材不是非常的特別，而在研究領域裡最好能夠做出夠新穎的東西才能被受關注。
台灣雖然資源有限，不可能樣樣都要好。然而，微衛星對於台灣這種小國是一個很好的契 機進入太空領域，不須花費太多資源、發展歷程短…..等諸多優點，由微衛星循序漸進的進步、
發展，相信台灣也能在太空領域占有一席之地。台灣的 IC 產業如此的優秀，也許可以結合各個 子系統的電路板於一身。目前的微衛星架構皆為各個子系統各一個電路板，以手機為例，手機 結合通訊、電力、及衛星定位…等功能於一身，而微衛星應該也是可以辦到。另外，目前的商 售的電路板因為市場規模的關係，皆以 1U 的大小為其電路板的結構。但許多團隊發展的微衛 星，皆以 2U 以上的大小為考量。因此內部結構就會像疊疊樂一樣，顯得複雜與繁瑣。但如果電 路板的大小以 2U 的結構為基準的話”10 公分*20 公分”，結構上就不再如此複雜，且電路板的面 積變大，要實現微衛星手機化的可能性可能相對得更有機會了。
四、 附錄
圖表 1 個人與研究海報 圖表 2 與 NASA 資深工程師合影
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圖表 3. 成大代表團
圖表 4. 柏林天文台-觀測望遠鏡
