創辦人談衛星 4／一旦翻天就無法覆地？

卫星通讯示意图。美联社

一旦火箭把卫星成功的送到它运行的轨道，卫星就要开始靠自己的力量，努力维持它的高度(Altitude)和姿态(Attitude)。当卫星的高度低于运行轨道时，卫星和地面站会失联。影响卫星高度最主要的因素来自于太空中的空气阻力。

一台每小时100公里速度前进的汽车，其空气阻力粗估是100牛顿。在550公里的太空，空气已经十分稀疏，但因为阻力和速度的平方成正比，也和卫星的表面积成正比。估计高速飞行(每秒7.3公里)的卫星还是会蒙受大约0.01牛顿的阻力。

阻力会让卫星飞行速度变慢、高度降低，造成失联(如图一A所式)。因此卫星必须时时采用气体推进器来调整高度(如图一B所示)。

图一A：空气阻力拖住卫星，让卫星微微下坠。 李中旺／提供

图一B：卫星采用气体推进器来调回轨道高度。 李中旺／提供

星链卫星底部(如图二所示)4个碟形天线(红色箭头)与3个气体推进器(白色箭头)。

图二：星链卫星的4个碟形天线与3个气体推进器。 李中旺／提供

星链的V2 Mini版本卫星更大，太阳能电池翼两侧展开后宽度约30米，总面积达116平方米，尺寸是v1.5卫星的4倍以上。增大面积会增加阻力，所以V2 Mini也携带了大约80公斤的气体作为推进剂。

如果「翻天」，就无法「覆地」

「姿态控制系统(ACS: Attitude Control System)是卫星维持自己正常运作，让高增益碟型天线指向地心的系统(如图三A所示)。卫星受到微小力量干扰而翻滚是难以避免的。一旦翻天，碟型天线背对地球，和地面的通讯就会中断失联(如图三B所示)。

图三A：卫星的高增益碟型天线面指向地面。 李中旺／提供

图三B：卫星的碟型天线「翻天」，背向地球。 李中旺／提供

卫星姿态的主要外力干扰源

1.重力场干扰：地球不均匀的重力场(如图四所示)。卫星飞经各地的上方，变化的重力场可能会改变卫星的姿态。相较于高轨的同步卫星，低轨卫星由于接近地球，受到地球重力场的影响比较大。

除了地球之外，太阳、月亮、与其它星体对卫星的引力，多少会影响卫星的姿态。

图四：地球的重力场(取材自Wikipedia)

2.地球的磁场干扰：地球的磁场本来就不均匀的分布在空间里(如图五所示)。磁场的变化会在卫星内部的电路里感应出力矩，会造成姿态变化。

图五：地球的磁场(取材自britannica.com)

3.卫星会消耗推进剂来保持其高度与姿态。逐步减少的推进剂会使得卫星的质量中心及转动惯量偏移，这也会改变卫星的姿态。

设计低轨卫星的时候就必须模拟这些干扰源并加以防制。一旦调整姿态的推进剂耗尽，即使其他系统运作正常，卫星也会逐步失速、翻滚、焚毁。复杂的姿态控制系统，凸显出维持卫星正常运作有多么地困难。

（作者是友讯科技共同创办人、明泰科技创办人，现任职于创威讯科技）