2022年2月10日，贸工部长宣布拨款新币1.5亿元，做为开发太空科技的研究基金，并预计在2025年发射第一颗在“低地球轨道”运行的微型人造卫星。在这个多国都已经登陆火星，各种军用和商业卫星以及卫星武器都已遍布太空之际，发射微型卫星以开发太空科研是否还有意义呢？我们就从人造卫星的历史和发展，试窥探这个问题。
人造卫星的发展史
人造卫星这个前卫的概念，要归功于科幻小说家们。美国小说家哈勒（Edward Everett Hale）在1869年底的《太平洋月刊》杂志，就幻想了一个在太空运行的“砖块月亮”（Brick Moon），可以反射海员发射的电报摩尔斯电码（Morse Code）以助其导航。不过比较严谨完整的构思，要在太空“地球同步轨道”，也就是距离赤道35,786公里的太空，放置一颗人造卫星，与地球同步自传，做为地面通讯微波反射站，却要到1945年10月，才由后来成为著名英国科幻小说家的克拉克（Arthur C Clarke）提出来，他还计算了只要三颗这类人造卫星，就能涵盖地球几乎每个角落。
图1. 涵盖全球的地球同步轨道卫星通讯示意图
太空竞争从冷战时期开始，苏联在1957年10月成功发射了世界首颗环球卫星史普尼克1号（Sputnik-1）震撼了欧美。美国奋起直追，终于在1969年7月20日成功登陆月球。而第一颗真正通讯的地球同步轨道人造卫星，是在期间的1965年4月6日，由休斯飞机公司（Hughes Aircraft Co）成功发射。卫星命名为“国际卫星1号”（IntelSat-1），是美欧日等18国的跨国合资项目。从此人造通讯卫星就如雨后春笋般在太空出现了，目前在太空将近5000个“飞行物”中，就有将近500多颗这类通讯卫星，基本上已达到了饱和程度（以下会再解释）。
太空卫星轨道层
地球同步轨道卫星的主要用途是通讯和广播。随着科技的进步，越来越多人造卫星的新应用被发现和开发，例如远程感应（观察）地表、气候预测、导航、流动通讯、太空互联网、监视监控、太空武器、还有很多以科研为名的“机密卫星”。目前太空基本上还是个“无政府区”，是强国富国和企业家的“游乐场”。从物理、科技局限和太空的特性，航空科学家把人造卫星在外太空运行的轨道分层定义：从地表垂直往上160公里到2,000公里的地方称为低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO），从2,000公里到地球同步轨道的35,786公里处称为中地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）。目前的国际太空站都在400公里左右运行，所以算是在低地球轨道LEO。这里做个比较，地球与月球的距离是38万4,400公里，是在地球同步轨道的10.7倍以外。
图2. 太空卫星运行轨道层的一般定义
人造卫星的特性与局限
在不同轨道层运行的人造卫星有其不同的物理、科技、应用特性和局限。先从同步轨道卫星说起。同步卫星的优点是技术成熟普及，只需极少个数就能供给涵盖全球的服务。这类卫星大、重又昂贵，发射之后服务期长（10到15年），所以不能有科技更新。由于地球同步轨道必须要在赤道上方，各卫星发射的讯号又要避免
互相干扰，卫星间的协定距离是1到1.5度，360度的圆形轨道在理论上只能有240到360颗同步卫星，因此目前可以说已达到饱和。所以要发射同步卫星必须经过国际电讯联盟（ITU）冗长的协调，非常费事费力。同步卫星虽能以简单的地面设施提供全球无线通讯，不过它的缺点是用户的终端机笨重昂贵。也因为距离遥远，讯号从地面到卫星再反射回地球，一来一回总共会有约0.5秒的延迟，所以追不上目前互联网式的通讯要求。
在国际协调方面，中地球轨道MEO卫星的限制就少得多了。由于缩短了与地球的距离，所以讯号的延迟也大幅度减少。不过这类卫星的缺点是科技较复杂，而且需要更多颗卫星协调运作才能提供涵盖全球性的服务。目前的应用领域主要是提供全球导航。例如环球定位系统GPS就需要31颗卫星，北斗系统需要35颗，而欧洲的伽利略导航系统也要24颗，它们都在离地表约2万公里以上的太空运行。
同理类推，在低地球轨道LEO操作的卫星系统更加减少了以上的局限，不过要提供涵盖全球的服务的成本和复杂性也更高。例如在777公里运行的“铱通讯系统”（Iridium Communication System）流动服务，就要用上66颗小卫星同步协调运作。低地球轨道目前是个“无政府”的地区，只要有钱有科技，谁都可以发射几颗卫星上太空玩玩。这类卫星的设计和制做成本相对为低，发射费用低廉简单，中国就在今年2月创下了一次发射22颗小卫星的记录！LEO卫星讯号的（往返）延迟不到0.03秒，所以能支撑现代通讯要求。因此依隆•马斯克（Elon Musk）才有要通过SpaceX计划，在550公里处设置一个1万2,000颗人造卫星网“罩住”地球，垄断环球无线互联网服务的豪愿！
新加坡人造卫星的发展史
做为一个区域通讯枢纽，新加坡早在1970年代，就开始通过地面设施提供卫星通讯服务，并在1998年由新加坡通讯公司（SingTel）和台湾中华通讯合资发射了通讯卫星ST-1。卫星的位置是我国在ITU的“配额”东经88度。卫星重约3.2吨，耗资当时约2.4亿美元。ST-1在2011年终止通讯服务，由新卫星ST-2 取代，所以现在该是准备发射ST-3的时候了。从重量来说，100到500公斤重的算是“小卫星”，100公斤以下的属于微型卫星。我国也在2011年4月，成功发射了一颗重约105公斤的小卫星X-Sat，那是由南洋理工大学和国防科技局共同研发的。新科工程在2015年成功发射了一个观察地球的400公斤重的小卫星Telios-1，开始涉足商用地球观察卫星领域。
1：我国首颗通讯卫星ST-1（图片来源：新电讯通讯服务手册）
2：我国首颗小卫星X-Sat（图片来源：南洋理工大学网站）
3：我国首颗商用小卫星Telios-1（图片来源：新科工程网站）
发射微型卫星的意义
我国宣布将在2025年发射一颗重约100公斤，在离地500到800公里LEO运行的微型卫星。微型卫星除了不能承载提供通讯服务的重且复杂的设备外，它将不停地绕地球运行，而每一到两个小时才会回到原点，之后不到10分钟又会飞离视野，所以这类卫星不适合做为通讯用途。不过由于卫星相对的靠近地表，就可以载着轻型高清的摄像器材，清楚地拍到地面的情况。这种摄像能力对我国未来的环境、水源、海域生态和污染等的持续监控是非常重要的，尤其是这些都算是“机密”的数据和资料，不能依赖向外国卫星服务公司购买。
微型卫星的发展，除了带动高端科技人才的训练，提高大数据资料系统研发和管理等系统科技外，也将提升精密制造业的水平。微型卫星的制造需要最精准和严谨的工艺，因为这些器材必须要全天候不停地操作多年，要在极冷的绝对零度（负摄氏273度）和极热的太阳直接辐射的环境下工作，各电子组件内必须无气泡才能在真空环境里不会“内爆”，还要有特别的密封和焊接工程等等。所以如果成功发射自制的微型卫星，将会肯定我国在这些方面的工艺水平。
结语
如果能在2025年实现把我国自制的微型卫星送入轨道的宏愿的话，也就具备了自给自足的持续环境监控的能力。通过这科技踏板，也能够提升我国在宇航科技领域的地位，从而进入第四代工业革命（4IR）时代。我国也刚与美国宇航局签署了《阿尔提弥斯协定》（Artemis Accords），算是“太空俱乐部”的一员了。
由于所在地域的天然限制，我国没有理想的卫星发射点，所以卫星的发射工作必须交由国际公司代劳。不过随着科技的进展，可能有朝一日，我国可以掌握从飞行器发射或者其他先进的发射技术，那么就能达到从设计、制造、发射都是“新加坡制造”的微型卫星的那一天了。
作者为自由撰稿人
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