2024 年 3 月出版

科儀新知 第 238 期

人物專訪

中央研究院院士 – 葉永烜教授：尋找具有大潛力及突破性的事來做 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

林麗娥

「立方衛星」具備體積小、成本低等特性，問世至今，已有很多國家的科學家成功發射到太空，功能五花八門，從微重力環境下的生物醫學實驗到研究高層大氣都有，可說是學術研究或新創測試的入門款。《科儀新知》238 期即以「立方衛星與酬載儀器」為主題，介紹台灣的技術與發展現況。在台灣提到衛星發展、甚至在人類整個太空探求的發展史上，必定會提到「卡西尼探測土星計畫」(Cassini Saturn Orbiter)。這個計畫正是葉永烜院士於 1982 年向美國太空總署 (NASA) 與歐洲太空總署 (ESA) 提案，促成雙方的合作。能夠成就這樣偉大的計畫、被譽為全球五大傑出彗星研究的專家，大腦是不是真的異於常人？還是有些好習慣可以讓大家仿效學習的。本期「人物專訪」為讀者邀請到中央研究院院士、現任國立中央大學太空科學與工程學系－葉永烜教授，讓大家好好認識一下葉院士的所思所想。

立方衛星與儀器酬載

「立方衛星與儀器酬載」專題介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

莊智清

立方衛星的出現，大大降低了投入衛星研發的門檻，成為各國競相投入的科研及商業活動，不僅創造了可觀的市場需求，也產生了許多的機會與挑戰。台灣學研界對於立方衛星技術亦積極耕耘且有相當多的成果，目前已有十枚立方衛星的發射紀錄。為精進台灣技術、激發更多的創新應用，本期特別推出「立方衛星與儀器酬載」專題。而在台灣提到衛星發展、甚至在人類整個太空探求的發展史上，必定會提到「卡西尼探測土星計畫」(Cassini Saturn Orbiter)。這個計畫正是葉永烜院士的提案促成美國太空總署與歐洲太空總署的合作。搭配專題內容，特別邀請中央研究院葉永烜院士擔任「人物專訪」受訪嘉賓，讓讀者瞭解葉院士是如何與團隊成就這樣偉大的計畫。

本期收錄之文章首先由鄙人所撰寫之「立方衛星之演進」以作為本期文章之敲門磚、引領讀者認識立方衛星。在太空人才培力上，國立虎尾科技大學飛機工程系呂文祺副教授：「漫談我國大學衛星科技教育與虎科大的立方衛星的發展」，介紹台灣近年對於大學太空科技教育的重視，虎尾科大如何參與研究生培育計畫，以建立基礎立方衛星次系統軟硬體開發能量。科研發展上，則有國立臺灣科技大學電子工程系李佩君教授團隊：「立方衛星之智能遙測酬載系統與邊緣運算電路設計」研究以基於邊緣人工智慧低功耗遙測酬載影像處理電路設計為目標，成功實現了人工智慧的邊緣運算。國立成功大學航空太空工程學系李約亨教授：「應用於微衛星的電力推進系統介紹」介紹脈衝式電漿推進器、真空陰極電弧推進器、離子網格推進器和霍爾推進器等多樣各有其優勢的推進器，並於文中展示目前研究成果。國立陽明交通大學電信工程研究所林俊廷教授團隊：「衛星光通訊簡介」，則透過光鏈路裕度的推導以及低軌道衛星對地傳輸的工作流程帶出光學酬載各次系統的設計以及連結。國家太空中心立方衛星計畫主持人陳嘉瑞博士則為讀者帶來「創造性思考－立方衛星的挑戰與機會」、台灣太空產業發展協會理事翁溓松博士則是分享「台灣太空產業於商務發展之觀察」。

 科技不斷進展下，傳統以國家為基礎的衛星計畫將不再是唯一選項，轉而是政府、學術、產業和軍方都可觸及的新太空。期望在本期作者群深入淺出的介紹下，激發讀者新的研究想法與方向，善用台灣資通產業與智慧製造之優勢進行創新之研究與國際合作，以建構立方衛星為體之科研與產業應用機制並布局全球。　　

立方衛星之演進 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

莊智清

立方衛星善用資通訊之優勢與標準化之規格，大幅降低衛星之體積、重量與成本，也因此於近年有相當快速之發展，除應用於太空教育與科技發展也引領太空產業之變革。台灣學研界對於立方衛星技術亦積極耕耘且有相當多成果，目前已有十枚立方衛星發射之紀錄。展望未來，可應用本土資源精進差異化之技術並與國際合作進行創新之應用。

漫談我國大學衛星科技教育與虎科大的立方衛星的發展 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

呂文祺

SpaceX 太空探索公司自創立以來的高知名度加上該公司建立的低軌通訊衛星星系 starlink 引發的全球低軌通訊衛星風潮，我國也順勢政府推動太空產業為我國六大核心戰略產業之一。我國大學太空科技教育在這股風潮中也受到重視，我國大學過去從微衛星到近年立方衛星的開發，研究已累積不少經驗，但所培育的人才仍相當少，去年在教育部的推動下由四所學校成立太空系統工程研究所，藉以擴大太空科技人才庫，而國立虎尾科技大學則有幸透過執行國家太空中心立方衛星計畫，經歷從設計到入軌運作的所有衛星發展階段，期間培育超過 10 位研究生，並建立基礎立方衛星次系統軟硬體開發能量。

立方衛星之智能遙測酬載系統與邊緣運算電路設計 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

李佩君, 徐培翔

將邊緣人工智慧 (edge artificial intelligence, Edge AI) 技術應用於智能遙測立方衛星的星載系統，進行衛星影像處理執行任務將成為遙測衛星技術發展趨勢。通過整合人工智慧邊緣運算，實現星載上對衛星取影的即時且低資源消耗的處理，研究的關鍵目標是設計基於邊緣人工智慧的低功耗遙測酬載影像處理電路，成功實現人工智慧的邊緣運算。為應對低亮度影像的挑戰，我們提出了一種有效的亮度增強演算法，透過與不同損失函數的比較確保處理後的影像更容易辨識。此邊緣計算採用實現於 FPGA 的卷積 (convolution) 架構，提供了高效的神經網路加速以及達到低亮度影像增強功能。

應用於微衛星的電力推進系統介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

李約亨, 劉勝文, 黃丙翰

得益於小型衛星發射成本的大幅降低，多國政府與大量民間廠商投入開發，使得近年來低軌道衛星通訊快速發展。低軌道衛星通訊係部署大量小型衛星於低地球軌道形成星座提高覆蓋率，具有低延遲、高寬頻的特性。為滿足小型衛星在軌道上的姿態控制與軌道控制需求，對應的推進器系統發展需求應運而生。電力推進器的一種，具有高比衝值、高推力電力比等優勢，可以提供小型衛星任務所需的速度變化 (Δv)，被廣泛應用於各國的小型衛星。

衛星光通訊簡介 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

張家豪, 林語萱, 陳彥涪, 林千喜, 林世千, 朱冠瑜, 鄭健一, 林俊廷

B5G/6G 透過運用無人機、飛機等高機動裝置之載具，使小範圍的資料傳輸可以更加即時並透過中／低軌衛星將光纖無法分布的空中區域通訊網絡佈置得更廣泛。衛星雷射光通訊技術其系統具有相對傳統射頻較窄的傳輸光束發散角，且能具有較高的資料傳輸速率 (> 1 Gbps)。憑藉衛星高覆蓋和高移動性等特性，並結合地表上多項通訊技術，即可實現太空／ 天／海／陸 4D 異質網路層。本文將透過光鏈路裕度的推導以及低軌道衛星對地傳輸的工作流程帶出光學酬載各次系統的設計以及連結。

創造性思考 – 立方衛星的挑戰與機會 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

陳嘉瑞

立方衛星的標準化規範讓系統設計、製造和發射變得相對容易，這種技術標準不僅有助於節省設計時間，同時也為設計人員提供了更多客製化的靈活性。模組化構型使得設計人員能夠輕鬆地混合和匹配不同的組件和功能。經過 20 多年的發展，立方衛星已經成為太空產業中不可或缺的一部分，除了教育和技術展示的功能外，在遙測、物聯網與氣象等相關應用領域上亦成為扮演著重要角色。

台灣太空產業於商務發展之觀察 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

翁溓松

全球太空產業自 SpaceX 於 2008 年成功發射可回收火箭後飛速發展，台灣於 2021 年通 過「太空發展法」，正式將太空產業列入「六大核心戰略產業」，台灣太空界的產官學研積極投入，期能藉由科技業累積的產業實力，縮短太空產業發展的軌跡，加速趕上全球太空飛升的速度。商務發展 (BD) 的人才與能力培養，對新創事業相當重要。台灣太空業界目前先以系統工程課程培訓為主，借鏡盧森堡大學的太空碩士學程規劃，其中商務課程比重占約 18.89%，亦符合學程宗旨在培養工程與商務融合人才的目標，值得台灣太空相關大學參考。商務發展除了市場，另一項主要能力為募資，新創公司的創辦人或執行長多半同時身肩公司首任的 BD 角色，募資規劃與募資策略應針對選定的目標投資人量身定做，才能提高募資成功機會。

科普大觀園

突破半導體製程維度限制新契機 – 二維材料 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]

魏崇倫, 林麗娥, 莊子右, 陳維鈞

什麼是二維材料？為什麼二維材料會被視為突破物理極限且優於矽等傳統半導體材料的潛力之星？

電晶體主要由材料、製程及元件結構三個基本元素所組成。為了延續摩爾定律，在積體電路 (integrated circuit, IC) 成千上萬道製程中，製程的調整及精進是隨時在發生的。例如元件結構上的創新，從原先閘極 (gate) 在通道層(channel) 的上方，改為到通道的上下兩側 (fin field effect transistor, FinFET)，到最後變為通道被閘極所全部包覆 (gate all around, GAA)。除此之外，科學家亦從材料的改變及創新著手，尤其應用在電晶體最為關鍵的通道層上，透過操縱材料的新物性或利用材料的新結構，找出與矽相同甚至更好的性能材料來開創新的發展方向。二維材料厚度僅原子等級，擁有導電性佳、高強度、可調電子結構等優異特質，可能是摩爾定律「山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村」的另一蹊徑。只是僅有原子層厚度的二維材料，在元件的製作技術發展上仍有許多需要克服的地方，本文將介紹渴望延伸摩爾定律的二維材料的優點特性及製作困難。儀科中心也在國科會規劃架構下，與同輻中心共同進行國際級半導體相關科研設施建置，並採自行設計、自行組裝方式建置半導體應用所需臨場檢測設施與技術，期望為半導體產業在新穎材料開發、核心製程技術、缺陷分析等科技研究做出突破性貢獻，並增進我國半導體產業實力與全球競爭力。