深空探索的關鍵技術：克服通訊延遲與干擾的挑戰

導論

全球對太空探索的興趣正因對新資源的搜尋而再度升溫，而這股熱潮的背後，其實承載著人類數十年的太空發展歷史，1957 年，蘇聯發射了史普尼克一號（Sputnik 1），開啟了人類探索宇宙的新紀元，並促使美國在1969年成功將阿波羅11號（Apollo 11）宇航員送上月球，實現了人類首次登月的壯舉；然而，在阿波羅計畫結束後，全球對載人月球探索的熱潮逐漸消退，太空發展重心轉向國際太空站（ISS）的建設，以及深空探測器（如旅行者號、火星探測車）的部署，以探索更遙遠的宇宙。
 

進入 21 世紀，隨著科技的突破與太空經濟的崛起，各國重新將目光聚焦於月球與深空探索，美國的阿提米絲計畫（Artemis Program）正籌備於 2024 年讓人類重返月球，中國的嫦娥探月計畫持續推進，印度、俄羅斯也相繼宣布月球探測計畫，目標不僅是尋找月球水資源，以支援長期載人基地，更計劃將月球作為未來火星探索的前哨站；此外，SpaceX、藍色起源（Blue Origin）等私人太空公司亦積極參與，推動太空旅遊、深空運輸與資源開採等商業計畫，促使太空經濟（Space Economy）逐步成形。
 

在這波探索浪潮下，太空科技迅速發展，涵蓋新型太空載具推進技術、月球資源開採技術、人工智慧輔助導航等多個領域，其中，通訊技術更是關鍵，確保環月軌道航天器與地面站之間的穩定通訊，是執行月球與更遠深空任務的核心基礎，這不僅影響科學資料的即時回傳，也攸關載人任務的安全性與遠端控制的精確度，成為決定未來太空探索成敗的重要因素。
 

挑戰

在衛星發射前，衛星通訊系統會在實驗室中進行測試，以確保其在外太空惡劣環境下的正常運作，這些測試的核心設備之一是衛星通道模擬器（Satellite Channel Emulator），其主要功能是模擬訊號在傳輸過程中可能遭遇的各種干擾因素，例如：
 

時間延遲（Time Delay）

時間延遲是深空通訊最明顯的影響因素之一，主要由訊號在傳輸過程中需要經過極遠距離的真空環境所導致，由於電磁波的傳播速度為光速（約 299,792,458 公尺/秒），當訊號在不同距離間傳遞時，延遲時間會顯著增加，例如：
 

• 地球到月球的距離約 38.4 萬公里，單程通訊延遲約 1.28 秒，往返通訊時間約 2.56 秒。
• 地球到第一拉格朗日點（L1）距離約 150 萬公里，單程通訊延遲約 5 秒，往返約 10 秒。
• 地球與火星的最短距離約 5,500 萬公里，最遠可達 4 億公里，單程通訊延遲可達 4 到 22 分鐘，往返則可能達 8 至 44 分鐘。

這種延遲現象導致地面控制中心對航天器或探測器的指令無法即時執行，例如，當探測車在火星表面運行時，每個指令的傳送與回應可能需要數分鐘甚至更長時間，迫使科學家依賴自主導航系統（Autonomous Navigation System）來確保行動準確性。
 

2. 多普勒效應（Doppler Effect）

多普勒效應是指當訊號源與接收端之間有相對運動時，訊號頻率會發生偏移，這對於衛星與深空探測器的通訊來說是一個重要的影響因素，具體表現如下：
 

• 當航天器向地球移動時，訊號頻率會提高（稱為藍移，Blue Shift）。
• 當航天器遠離地球時，訊號頻率會降低（稱為紅移，Red Shift）。
• 衛星在繞行天體時，其速度變化會導致頻率連續變動，影響通訊穩定性。

這種頻率漂移可能導致訊號解碼困難，影響資料傳輸的準確性，為了克服這一問題，地面接收站與航天器通常會使用多普勒補償技術（Doppler Compensation），即通過自適應頻率調整來確保訊號穩定。

此外，當航天器在快速運動時（例如：進入軌道或飛越天體時），多普勒效應可能變得更加劇烈，進而影響即時導航與定位；因此，許多航天器搭載了高精度頻率補償系統來減少誤差。
 

3. 多重路徑反射（Multipath Reflections）

多重路徑效應是指訊號從發射端傳送到接收端時，可能會因為月球表面、行星地形、探測器結構或其他障礙物的反射而產生多條路徑，導致訊號在不同時間到達接收器，產生干擾或失真。
 

這種效應在以下情況中特別顯著：
 

• 月球表面崎嶇不平，訊號可能因反射產生重疊干擾，影響航天器與地面站之間的通訊品質。
• 在空間站或探測器周圍，天線訊號可能受到結構物的反射影響，導致通訊不穩定。
• 當航天器處於星體陰影區域（如月球背面、或行星表面遮蔽區）時，訊號可能因繞射與反射而變得衰減或失真。

多重路徑效應可能導致訊號衰減（Fading）、相位干擾（Phase Interference）以及資料解碼錯誤；因此，在深空通訊設計中，通常會採用多重天線技術與數位訊號處理技術（DSP）**來降低反射干擾的影響，提高通訊穩定性。
 

這三種通訊干擾因素 — 時間延遲、多普勒效應與多重路徑反射，都對深空任務中的即時控制、資料傳輸、與導航系統構成挑戰，為了克服這些問題，現代深空通訊技術採用延遲補償、多普勒頻率調整、智慧導航技術與抗干擾訊號處理等先進解決方案，確保航天器能夠在數十萬甚至數億公里外與地球保持穩定的聯繫。
 

這些挑戰可以看出，傳統的衛星通道模擬技術已無法滿足未來深空探索的需求，因此需要更強大的模擬器來精確測試並支援長距離太空通訊技術，確保人類未來在月球、L1、火星及更遠深空的探索任務能順利執行。
 

解決方案

dBm 的最先進衛星通道模擬器（Satellite Channel Emulator）ACE9600 採用抽取降頻（Decimation），可實現最長 11.2 秒的延遲時間，遠超現有傳統模擬器的 1.2 秒極限，這使其能夠準確模擬各種深空通訊挑戰，例如：
 

• 月球通訊往返時間的 4 倍，確保航天器與地面控制中心之間的穩定通訊測試。
• 第一拉格朗日點（L1）通訊時間的 2 倍，支援太陽觀測衛星及深空探測器的長距離通訊模擬。
• 支援更遠深空的探索，如火星，為未來載人火星任務及太空探測器的遠端控制提供更完整的測試環境。

ACE9600 使實驗室環境中的通訊系統測試更加全面，不僅能確保航天器在深空環境中的訊號穩定性，還能有效降低任務風險，為新一輪的太空探索應用提供強大技術支援。