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人造衛星群威脅夜空觀測 報告籲急須緩減措施

2020/9/8 — 12:58

彗星 C/2020 F3 (NEOWISE) 「慘遭 Starlink 輾過」(右圖來源:Daniel Lopez)

彗星 C/2020 F3 (NEOWISE) 「慘遭 Starlink 輾過」(右圖來源:Daniel Lopez)

跨界專家發表報告,巨型衛星群將根本改變地面光學及紅外線天文觀測,並影響全球夜空面貌。超過 250 名科學家、工程師、衛星營運者及其他持分者舉行的衛星群研討會 (satellite constellations workshop 1, SATCON1) 研究並總結人造衛星群對地面光學及紅外線天文觀測的影響及緩減措施建議;報告亦在上月底已由美國國家光學及紅外線天文實驗室 (NOIRLab) 與美國天文學會 (AAS) 發表。

近年衛星群高速發展

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過去 5-10 年,多間公司表示有意發射總數萬計的低軌道人造衛星 (Low Earth orbiting satellites , LEOsats) 發展通訊業務,是現時總數數千衛星的數倍,甚至十倍以上。其中最大型的計劃包括 SpaceX 的 Starlink 、 Amazon 的 Project Kuiper 、 OneWeb 的 OneWeb Constellations ,波音亦曾宣布相關計劃。單是以上幾個較大的衛星群,已增加最少 20,000 個低至中軌道衛星,加上中國航天科技集團的鴻雁星座、 Telesat 的 Telesat LEO 、 LeoSat Enterprises 的 LeoSat 、三星等較少衛星的項目,預計都會在 2020 年代投入運作。

從 FCC 公開資料所見的三大衛星群申請的衛星數。

從 FCC 公開資料所見的三大衛星群申請的衛星數。

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日常通訊網絡使用離不開地面電訊網絡,不論是固網服務、還是無線網絡,均須要在服務範圍鋪設線路。在高密度的城市中,網絡建設和營運只需要較少成本就可以為大量用戶提供服務,吸引較多電訊商建網時,用戶亦可在攤分基建費用下以相對低廉的費用使用高速的通訊網絡。如果在偏遠山區、島嶼、天空與大海等地方更是難以建設,如使用現有衛星通訊費用成本則極高,網速亦相當有限。

近年一次火箭發射花費數千萬美元,已能把數十個小型衛星投放到 LEO ,發射大量小型 LEOsats 互聯建立跨越地域的通訊網絡變成商業成本和技術上可行,並可以覆蓋全球絕大部分地方,是十多年前難以想象的。用戶端亦只需安裝遠比使用同步軌道衛星小型和便宜的設備(LEO 不高於 1,000 公里,同步軌道約 35,700 公里高)。此市場亦引來多個競爭者爭相建設網絡,特別吸引具有電訊網絡、衛星、火箭發射技術的公司開拓業務。

Airbus OneWeb 概念圖

Airbus OneWeb 概念圖

衛星群並非新事物,日常的衛星定位、電視轉播、衛星電話通訊等皆由衛星群提供服務,但這些衛星群一般由數個至數十個衛星組成。例如著名由約 70 個低軌道通訊衛星組成的銥星群 (Iridium Satellites) ,各由約 30 個中軌道衛星組成的定位系統。新一代小型衛星和衛星群應用更加廣泛,數量遠超過往,計劃中的項目多到唔知點數。特別覆蓋全球的衛星群,動輒數上千上萬,甚至稱為巨型衛星群 (magaconstellation) 。

衛星群正式劃破夜空

上年起, SpaceX 已發射超過 650 個 Starlink 衛星、 OneWeb 的 3 組 74 個, 大量明亮的衛星在望遠鏡的視場掠過,嚴重影響觀測,為天文觀測敲響警鐘。衛星反射陽光到地面,形成明亮移動的光體橫過天空,由於衛星群數十個一組,連續在相近的方位掠過,並在影象留下大量明顯條痕 (streak) 淹蓋夜空,甚至令數據無法精確分析而未能採用,特別威脅多個近年建成的廣視場的巡天望遠鏡。過去數月大量公眾參與彗星和流星雨的觀測攝影,不少也受到衛星群「災難級」影響而讓此事得到更多關注。

彗星 C/2020 F3 (NEOWISE) 「慘遭 Starlink 輾過」
Credit: Daniel Lopez

彗星 C/2020 F3 (NEOWISE) 「慘遭 Starlink 輾過」
Credit: Daniel Lopez

過去每晚肉眼可見的衛有數十顆,大多只有在傍晚和清晨時反射陽光到地面才會變得顯眼,而見數量相對較少,但一組 Starlink 衛星已超過 60 個。以現時的數據推算,單單 OneWeb 衛星群,足以讓拍攝大麥哲倫星雲每張 30 秒曝光的相片,留下最少一條長長的「星痕」。加上各巨型衛星群,絕對可以改變整個夜空的面貌,而且現實可能比人的估計更殘酷。(有興趣看看 Starlink 的模擬

理性「呼籲」無法避免「出事」

當提出興建巨型衛星群被時,已經有聲音對這些衛星的各種影響提出疑問。當中進展最快、最高調的 SpaceX ,其 CEO Elon Musk 在衛星尚未發射前曾豪言其衛星難以察覺、不會影響天文觀測,否則其公司會盡一切能力去解決,甚至在網上與網民討論。 2019 年 Starlink 衛星發射後,世界各地均可見一串串明亮的「星鏈」掠過天空, SpaceX 提出衛星需時到達運作軌道、調整太陽能板的角度會轉暗至合理亮度。噫,當然專家們並不抱太大期望, 2020 年初測定的亮度可達 2 等,而全天達 2.0 等亮的恆星約 50 顆,佔漆黑中肉眼可見的星不足 1% ,而 Starlink 逾半的亮度都在肉眼可見範圍內。在各國封城下, SpaceX 仍保持平均一個月發射一組約 70 個衛星,不少人都得閒在花園或露台「觀賞」一幕幕的「流星」雨。

Starlink 亮度統計
Source: SATCON1 virtual press conference

Starlink 亮度統計
Source: SATCON1 virtual press conference

面對科學界一疊疊的論文和觀測報告, SpaceX 變得積極起來,與各方專家研究各種方法,包括塗黑衛星、加裝太陽擋、調整太陽能板角度以減少反光到地面。 SpaceX 已發射塗黑的衛星,比未塗黑的同組衛星暗達 2 倍,但現時效果未算理想,而且令衛星溫度較高,可能影響營運網速。新一批裝有太陽擋的衛星已投入軌道,成效還有待觀測。相關公司積極投入改善時,同時期望此舉可減少新一輪衛星審批的阻力。

SpaceX 在本年 4 月時提出減緩反光的措施。 
​Credit: SpaceX

SpaceX 在本年 4 月時提出減緩反光的措施。
​Credit: SpaceX

如何正視問題?

SATCON1 就是在此背景下, 6 月尾連續 4 日在網上舉行。相關的科學、工程等專家及持分者,針對科學和技術層面而非政策,總結最新的資料研究。研討會後、與會者分成 4 大工作小組完成報告,並預告明年 SATCON2 要研究相關政策和規管措施。

上星期記者會開首簡短介紹 SATCON1 ,隨即以不常見的肯定辭措總結衛星群衝擊天文研究(可見光和紅外線)和夜空,而且無法有效消除。緊接提出 6 項必須的減緩措施。

報告中提出多項建議緩減人造衛星群的影響,當中最少 6 項須首要考慮:

  1. 減少或不發射低軌道衛星。
    天文學家坦言隨著人類對太空的利用日益增加,願望看似緣木求魚,但建議減少非必要的衛星,可使用較少衛星達到功能則盡量減少。
  2. 安排衛星軌道高度至離地面 600 公里以下。
    此舉可讓衛星較長時間留在地球影子,衛星反射陽光是時間和受影響範圍則相應減少。特別在高緯度地區的夏季,可能整夜會受 1,000 公里高的衛星反光照射。
  3. 「塗黑」或用太陽擋遮擋衛星反光部份。
    減少反光率和反光面、遮擋陽光或反光可減少衛星亮度。需要研究相關物料和設計,既可達到功能又不妨礙衛星的電波通訊和儀器。
  4. 控制衛星方向以減少陽光反射到地球。
    透過調節衛星的姿勢,把陽光反射到地球外的地方,減少對地面的影響。
  5. 以影象處理減少甚至消除衛星的痕跡。
    現時衛星群亮度幾乎無法以影象處理的方法減弱,如衛星亮度降至 7 等或以下(約現時 Starlink 的 1/10 至 1/100),則能較有效處理。天文觀測研究需耗用更多時間和資源在大量增加的影象處理和修正的工作。
  6. 製作更準確的衛星軌道資料,讓觀測者避免望遠鏡指向衛星。
    需要衛星營運方、專業和業餘觀測者合作,觀測衛星、提供資料。期望可改善觀測計劃甚,如未能避開亦有助第5項。

有人亦質疑,為何要如此遷就天文觀測,作出多項「讓步」。睇星不就只是少數人的興趣嗎?衛星群為偏遠地區帶來高速網絡,造福人群嗎?

「拉闊啲睇」天文學、太空科學相輔相成,彼此需要互相合作,而非單因為某方面的目的和發展,為其他人帶來重大而難以逆轉的負面影響。自然、社會各方面千絲萬縷關係縱橫交錯,大規模的計劃本來就需要全面評估才可以安全、無害、有效進行,現時某程度上只是在「補鑊」。

潛在問題未被充分研究

即使做得到以上措施,也只不過有限減緩,衛星群橫越天空,還可能帶來其他潛在問題。科學界往往憑一分證據說一分話,有時等到確切的證據,負面影響已漸漸浮現。早在數年前,不獨於地面光學觀測,多個界別已對此類項目提出關注。

射電天文研究已經為避開地面的電波干擾,在多個遠離人煙的偏遠地方建立觀測站,面對製造地表無死角的無線網絡,建網後可能會出現前所未有干擾和限制。而工程界亦正在研究大量 LEOsats 對較高軌道衛星的通訊、觀測、甚至定位導航系統等多方面的影響。

歐洲太空總署 (ESA) 已在兩年前表示數以萬計的衛星,會增加太空垃圾和安全風險,和提出一些處理方法。衛星一般只有數年壽命,一般在 LEOsat 推進劑耗盡前下降軌道緩緩墮入大氣層銷毀。如果衛星失控成為太空垃圾,最壞的情況可能會自我解體或與其他衛星碰撞,過往也曾發生廢棄衛星撞毀現役衛星,在軌道形成大量碎片,能威脅其他相近軌道。在日益密集的衛星軌道,造成連鎖碰撞危及太空安全的風險也相對增加。

現時情況部分源於相關監管機構的規則未追上技術和商業發展,除了靠業界自律外,也利用有條件許可,要求申請公司配合。會否有新規則平衡各方發展,還要拭目以待。從積極方向面對,也有經驗可尋。過去銥衛星的天線會把陽光聚焦到地面形成達-8 等(比金星光數十倍、織女星數百倍)的銥閃光,現正續漸替換成新一代的 Iridium-NEXT ,提升傳輸速度容量外也讓銥閃光步入歷史。

難得大氣層在保護地上生物時留下可見光和電波兩個窗口,無論觀察宇宙還是通訊還得依好好珍惜利用。

正如 SATCON1 報告後段所言,是次研究開始良好一步,討論衛星群的影響等複雜問題,現時需要實行緩減措施和進一步研究。希望能促進多方合作及交流,達成有效的緩減,研究、發現、運用天空,共享這一塊自然瑰寶。

參考:
SATCON1 報告
國際天文聯盟 (IAU) 就巨型衛星群影響發出的新聞稿 【1】【2
ESA, Curbing space debris in the era of mega-constellations, 18 July 2018
Nature, How satellite ‘megaconstellations’ will photobomb astronomy images, 26 August 2020
NRAO, Statement on Starlink and ‘Constellations’ of Communication Satellites, 31 May 2019


 

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