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- 610期－發射吧！立方衛星（10月號）
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2020-10-01臺灣立方衛星的過去、現在與未來
610 期
Author 作者
方振洲／國家太空中心福爾摩沙七號星系計畫系工經理、系統工程組研究員及國立交通大學光電工程研究所博士。
立方衛星是一種低成本、易於設計建構及標準化的立方體人造衛星。而臺灣在此領域中，從最初的蕃薯號及鳳凰號，到現在的玉山、堅果及飛鼠衛星，用於航海、飛機及太空天氣等領域，每種都有各自的特色及用途。而在未來，立方衛星將會搭配開源方式進行發展，讓所有人都有機會為立方衛星做出貢獻。
西元1999年，兩位分別來自美國加州州立理工大學的蘇亞里（Jordi Puig-Suari）及史丹佛大學的特維格斯（Bob Twiggs）教授，提出立方衛星（CubeSat）的構想。立方衛星又稱方塊衛星，蘇亞里與特維格斯最初是想把大學生的實驗送入太空，以易於設計、建構、低成本及標準化平台為概念，定義出外形為邊長10公分、重量約為1.3公斤的立方體衛星，並稱此衛星架構為一個單元（1U）。大多數的立方衛星重量為0.2～10公斤，尺寸則介於0.25 ～6U。以重量方式分類衛星的話，立方衛星多屬於奈米或皮米衛星等級。
截至今（2020）年4月為止，全世界的奈米衛星發射數總計已超過1300枚，其中超過1200枚屬於立方衛星。目前每年100公斤以下的發射衛星數目，有超過一半也是立方衛星。依據奈米衛星（NanoSats）資料庫網站預測，未來的6年內，全世界將會再發射約2500枚奈米衛星。
另外，全球已有近500 多家新創衛星公司及66國擁有衛星，其中立方衛星是許多小國進軍太空的首選。美國國家航空暨太空總署（NASA）也在規畫使用立方衛星進行月球、行星及太陽系等的太空探索任務，而臺灣又會在立方衛星領域中扮演什麼樣的角色呢？
臺灣立方衛星的濫觴
2003年，第一批的6枚立方衛星發射升空，這年也被視為「世界立方衛星發展元年」，臺灣其實在這一波的立方衛星發展上，也曾有機會在國際舞台嶄露頭角。最初，臺灣的第一枚立方衛星蕃薯號（YAMSAT），是當時第一批立方衛星發展的第7個團隊。蕃薯號起源於2001年初，是由前國研院院長莊哲男授課的「衛星系統設計」遠距教學專題課程內容，但由於國際政治的影響，導致最終的發射升空任務胎死腹中。
繼蕃薯號之後，成功大學發展了2U的姿態控制實驗平台（platform for attitude control experiment, PACE）立方衛星，雖然在2014年6月發射升空，但因通訊問題而無法收到衛星訊號。後續成大又與歐盟的QB50衛星計畫進行合作，該任務是計畫邀請國際各大學合作研製並預計部署50枚2U立方衛星，以探索200～400公里的中低變溫層大氣資料及進行相關物理研究。成大發展的鳳凰號（Phoenix）2U衛星於2017年4月發射送入國際太空站（international space station, ISS），並於同年5月由ISS 將衛星部署在400公里的軌道，執行多年任務後，鳳凰號於去（2019）年5月結束任務。鳳凰號衛星是臺灣第一枚成功發射與在太空運作的立方衛星，並首次提供了太空中低變溫層的寶貴科學資料。
另外，中央大學也於2015年加入了立方衛星的發展行列，與美國科羅拉多大學的大氣與太空物理實驗室合作推動「國際研究與教學人造衛星（International Satellite Program In Research and Education, INSPIRE）」的計畫，在每年舉辦INSPIRE立方衛星工作坊，後續也孕育出多枚立方衛星。目前共有來自10個國家的11所大學參與此計畫。
開發立方衛星與培養太空產業人才
2017年，太空中心開始執行臺灣新興太空產業領航計畫，其中的立方衛星分項計畫預計將發展3枚立方衛星，分別是1.5U玉山衛星（YUSAT）、2U堅果衛星（NUTSAT）及3U飛鼠衛星（IDEASSat/ INSPIRESat-2）。太空中心計畫將於今（2020）年底，發射此3枚立方衛星執行任務。
這三枚衛星分別由不同的研發團隊推動計畫。玉山衛星的團隊，是由騰暉電信（MoGaMe）科技公司、雷斯康（Letscom）公司和海洋大學所組成，由奧德修斯太空（Odysseus Space）公司提供發射服務。玉山衛星的酬載包含全球船舶定位（automatic identification system,AIS）與陸地交通追蹤的儀器（automatic packet reporting system, APRS），主要用於船隻和車輛的動態監控、商務營運、交通管制、急難救助及國土安全等用途的技術展示。
堅果衛星的團隊主要是由虎尾科技大學飛機系進行研製，由廣碩系統（Gran Systems）公司提供發射服務，衛星酬載為廣播式自動相關監視接收機（automatic dependent surveillance-broadcast, ADS-B），主要用來接收飛機傳送的位置、高度、航向及速度等資料，並做為飛航交通管
理和急難救助用途。
飛鼠衛星團隊則由中央大學太空所進行研製，由陽翼（HelioX Cosmos）公司提供發射服務。衛星酬載是小型電離層探測儀（compact ionospheric probe, CIP），此酬載過去已在福衛五號衛星上通過驗證，用以觀測電離層的電漿濃度、成分、速度及溫度等特徵，有助於了解電離層對衛星無線電通訊的影響。
此外，太空中心為了建立臺灣新興太空產業，除了擴大產官學研的合作外，更以系統性的方式培育下一代太空科技人才，並於2018年起擴大暑期實習學生的人數。去（2019）年在包含清華大學、交通大學、中央大學及陽明大學的「臺灣聯合大學系統」，首創「太空科技與工程」學分學程，未來更計畫擴大到全國各大專院校。太空中心希望結合國內學界的理論與太空中心的實務經驗，以實做立方衛星作為學習教材，讓修習該學程的學生未來能成為太空科技產業發展的生力軍。
「開源」讓更多人參與
全球首個立方衛星的設計規範，都是由蘇亞里及特維格斯兩位立方衛星之父以開源（open source）方式釋出。而目前開源方式已成為全球立方衛星發展的重要趨勢。
舉例來說，自由方塊（LibreCube）是全球第一個立方衛星開源計畫，由臺灣立方衛星之父莊哲男教授的博士生李阿杜（Artur Scholz）所成立。他將自身於碩士期間所參與的PACE 衛星等相關的軟硬體資訊，在LibreCube網站上以開源方式開放給全世界使用。
而與立方衛星地面站相關的開源計畫是SatNOGS，這是第一家將立方衛星地面站開源的新創公司。SatNOGS在網站上以開源方式教導大眾DIY製作地面站，並以合作的方式，將各地面站相互串聯，用以控制及接收衛星。
如果讀者對衛星的設計與製造有興趣，可參考自由太空基金會（Libre Space Foundation）的網站。該網站上發布的太空工程開源技術，讓使用者可以共同參與衛星的設計與製造。
隨著立方衛星技術的開源發展及相關元件商品的普及化，立方衛星正從各領域以創新的方式顛覆太空產業，由初期的實驗、驗證與展示，進階至科學與商業任務的應用，下圖為已經在美國形成的立方衛星生態系統（ecosystem）。
而臺灣在發展立方衛星生態系統上，不能只著重過去「個人電腦」時代的代工及量產發展思維，每個元素都要全面發展。事實上，臺灣過去半導體及資訊與通信科技產業的成功發展模式及經驗，是可以套用到「個人衛星」產業上的，再加上近年來國際上採用的公私協力（publicprivate-partnership, PPP）的發展方式，來加速提升適合臺灣發展關鍵技術的技術成熟度（technology readiness level, TRL）。
隨著美國重返月球及登陸火星的任務執行，NASA也規劃多枚立方衛星進行先期月球探索任務。由NASA規畫建立的月球通道（Lunar Gateway）太空站，就是計畫使用立方衛星進行先期軌道的驗證。而臺灣目前計畫中的福衛九號超高解析度遙測衛星，它的超高解析度CMOS感光元件及光學酬載系統，將由一枚6U立方衛星進行技術展示驗證。
另外，臺灣也可以依照過去福衛系列衛星任務的成功經驗，發展出針對科學任務、光學遙測任務及氣象任務的立方衛星。而未來低地球軌道（low earth orbit, LEO）通訊衛星將是產值最大的商業太空產業，相關關鍵技術可以使用立方衛星進行先期技術驗證，特別是衛星間的微波通訊及太空雷射光通訊技術。其中，極低地球軌道（very low earth orbit, VLEO）的軌道維護用推進技術亦很適合發展，且臺灣要善用國際上發展立方衛星所學到的「Fly-Learn-Refly」寶貴經驗。
你我都可以為立方衛星盡心力
如兩位立方衛星之父的夢想，聯合國轄下的大學太空工程委員會的全球總會（UNISEC-Global），訂定了「在2030年底前，創造一個能讓大學生可以實際參與太空計畫世界」的全球願景。太空中心去年與成功大學、中央大學及淡江大學一起成立了大學太空工程委員會的臺灣區分會，一起實現大學生參與衛星製作的願景。
立方衛星在過去二十幾年中，經由政府、學術、產業和軍方的發展，以及不斷增長的市場需求，已迅速發展成為一個低成本的太空活動開發平台。太空產業商業化及大型衛星小型化的世界趨勢正創造出龐大的太空商機，以臺灣製造的火箭發射自己的立方衛星將是可預見未來的願景。而臺灣立方衛星產業在未來如何扮演，待全民一同努力。
延伸閱讀
1. 方振洲，〈發射台灣的立方衛星〉，《科學發展月刊》，517期，2016年。
2. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Achieving Science with CubeSats: Thinking Inside the Box, Washington, DC, National Academies Press, 2016.