衛星軌道通訊的隱形推手
ACE9600 通道模擬器深度解析｜從 LEO 到 GEO 的全方位測試方案

太空通訊的咫尺天涯，地面測試的智慧之鑰

近年來，隨著 SpaceX 的 Starlink 星鏈計畫逐步覆蓋全球，以及 OneWeb、Amazon Kuiper 等項目的積極推進，衛星通訊再次成為科技領域的焦點，低軌衛星網路的蓬勃發展，預示著一個無遠弗屆的全球互聯新時代即將來臨，從偏遠地區的網路接入、海洋上的船舶通訊、空中航班的即時互聯，到物聯網數據回傳與災難應變，衛星正扮演著日益重要的角色。
然而，太空環境的複雜性遠超我們的想像，衛星在軌道上高速運行，訊號穿越數百甚至數萬公里的大氣層與真空，面臨著各種干擾與衰減，這些因素都對通訊系統的穩定性與可靠性構成嚴峻考驗，如何在衛星發射前，就能充分驗證其通訊系統在真實太空環境下的表現，成為了工程師們必須攻克的難題，這正是通道模擬技術，特別是如 ACE9600 這類先進通道模擬器，大顯身手的舞台，它們如同在地面搭建的「太空任意門」，讓工程師得以精準重現衛星在軌時可能遭遇的種種通訊挑戰。

本文將帶您一同探索低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）與地球同步軌道（GEO）衛星的獨特通訊特性與挑戰，並深入解析ACE9600通道模擬器及其搭配的 SatGen 衛星軌道建模軟體，如何協助工程師在實驗室中模擬真實的太空通訊環境，從而優化設計、縮短研發週期，最終確保衛星通訊系統的卓越性能。

衛星軌道知多少？LEO、MEO、GEO 的特性與通訊挑戰

衛星並非隨意懸浮於太空，而是依照精密的軌道力學環繞地球運行，不同的軌道高度和形態，賦予了衛星截然不同的特性，也直接決定了其通訊系統設計的複雜度與側重點。

低地球軌道（LEO）：高速移動的通訊先鋒

LEO 衛星通常運行在距離地球表面 160 至 2000 公里的高度，其最顯著的特點是運行速度極快，時速可達 28000 公里，繞行地球一圈僅需約 90 分鐘到數小時，這使得單顆 LEO 衛星對地面同一點的可見時間非常短暫。
對於通訊而言，LEO 的高速帶來了嚴峻的都卜勒頻偏（Doppler Shift）問題，想像一下救護車駛近你時聲音變尖銳，遠離時聲音變低沉，這就是都卜勒效應，衛星高速相對地面站移動，會導致接收訊號的頻率發生顯著偏移，需要複雜的補償機制，同時，由於覆蓋範圍有限且移動迅速，地面終端需要頻繁地在不同衛星間進行訊號切換（Handovers），以維持通訊的連續性，這對網路管理與訊號追蹤技術要求極高，不過，LEO 的優勢在於其軌道高度低，使得訊號傳輸延遲（Latency）相對較短（通常在數十毫秒內），路徑損耗（Path Loss）也較小，有利於實現高速數據傳輸和即時互動應用，如線上遊戲或視訊會議。

地球同步軌道（GEO）：靜止軌道上的通訊樞紐

GEO 衛星位於赤道上空約 35786 公里的精確高度，其運行週期恰好與地球自轉週期相同，因此從地面上看，它彷彿靜止在天空中的某一點，這使得地面天線可以固定指向衛星，無需複雜的追蹤系統。
GEO 衛星的「靜止」特性使其在廣播電視、氣象觀測和部分寬頻服務中佔據重要地位，其通訊挑戰主要源於其遙遠的距離，首先是極高的路徑損耗，訊號在漫長的旅途中會大幅衰減，需要高功率的發射設備和高靈敏度的接收天線，其次是顯著的訊號延遲，電磁波以光速傳播也需要約 0.24 秒才能完成單向旅程（地-空-地來回近半秒），這對於語音通話和高度互動的應用會帶來明顯的滯後感，相較於 LEO，GEO 衛星的都卜勒頻偏和訊號切換問題則微乎其微。

中地球軌道（MEO）：兼具特性的折衷之選

MEO 衛星運行在 LEO 和 GEO 之間的廣闊區域，軌道高度通常在 2000 公里至 35786 公里之間，全球定位系統（GPS）、GLONASS和伽利略（Galileo）等導航衛星多採用此類軌道。
MEO 衛星在特性上介於 LEO 與 GEO 之間，它們的延遲和路徑損耗大於 LEO 但小於 GEO，覆蓋範圍大於 LEO，所需的衛星數量少於 LEO 星座，但仍存在一定的都卜勒頻偏和訊號切換需求，只是不如 LEO 那般劇烈和頻繁，MEO 系統的設計需要在覆蓋範圍、系統複雜度和終端成本之間進行精心的權衡。

共同的隱形殺手：大氣層與空間效應

無論衛星在哪個軌道運行，其訊號在穿透地球大氣層時，都會受到多種複雜效應的影響，例如：游離層閃爍（Ionospheric Scintillation）是由游離層中的電子密度不均勻性引起的訊號快速隨機起伏，可能導致訊號衰落甚至中斷，尤其影響低頻段衛星通訊，多路徑衰落（Multipath Fading）則是訊號經由不同路徑（如建築物反射）到達接收端，因相位差異而產生干涉，導致訊號強度變化，在城市環境或複雜地形下尤為明顯，此外，對流層散射（Troposcatter）等大氣效應也會對訊號造成一定程度的衰減和畸變。

為何需要通道模擬？ACE9600 的核心價值

面對如此複雜多變的太空通訊環境，如何有效地測試和驗證衛星通訊系統的性能，成為一個極具挑戰性的課題。

圖一、ACE9600 衛星與無線通訊通道模擬器 - 高精度全雙工路徑模擬，重現真實通訊環境
 

真實測試的困境：成本、時間與不可控性

將原型設備直接發射到太空進行實測，無疑是最接近真實情況的驗證方式，然而，這種做法的成本極其高昂，不僅包括衛星本身的製造和發射費用，還涉及地面站的建設與維護，整個過程耗時漫長，從設計到在軌運行可能需要數年甚至數十年，更重要的是，一旦衛星升空，許多參數便難以更改，若出現設計缺陷，修復的代價巨大，甚至可能導致整個任務失敗，真實的太空環境也充滿了不可控因素，使得測試結果的再現性和特定場景的針對性測試難以保證。

ACE9600：在地面重現太空通訊環境

正因如此，先進的通道模擬技術應運而生，ACE9600通道模擬器便是此領域的佼佼者，它扮演著一個「太空環境複製器」的角色，能夠在實驗室的受控環境下，精確地再現衛星在特定軌道（LEO、MEO 或 GEO）運行時，通訊訊號所經歷的各種複雜傳播效應。

ACE9600的核心價值在於，它允許工程師在產品設計的早期階段，就能對衛星通訊系統（包括衛星本身、地面終端、中繼設備等）進行全面而嚴苛的測試，透過模擬時間變化的傳播延遲、載波都卜勒頻偏、訊號衰減、路徑損耗、游離層閃爍、多路徑衰落以及對流層散射等現象，工程師可以深入了解其設計在各種極端條件下的性能表現，及早發現潛在問題並進行優化，從而顯著降低研發風險、縮短上市時間，並最終提升產品的可靠性與市場競爭力。

ACE9600 核心技術深入解析

ACE9600 的強大模擬能力，源於其精密的硬體設計與先進的軟體演算法，特別是與 SatGen 衛星軌道建模軟體的緊密結合，使其能夠提供端到端的衛星通訊測試解決方案。

圖二、此範例為 SATGEN 衛星軌道建模軟體 的使用介面

 

SatGen 衛星軌道建模軟體：精準軌跡的擘畫者

一切精準模擬的起點，在於對衛星運動軌跡和空間環境的精確描述，SatGen 衛星軌道建模軟體正是為此而生，它是一個功能強大的工具，允許使用者定義詳細的衛星軌道參數，例如：軌道高度、傾角、偏心率等，不僅如此，SatGen 還能模擬整個衛星星座（Constellation）的動態運行，以及地面站點的地理位置。

基於這些輸入，SatGen 能夠計算出隨時間變化的關鍵通道參數，包括衛星與地面站之間的距離變化所導致的傳播延遲和路徑損耗，以及由相對高速運動引起的載波都卜勒頻偏，這些精確計算的時變數據，將作為核心輸入，驅動  ACE9600 進行後續的通道模擬。

ACE9600 通道模擬引擎：動態環境的忠實呈現

ACE9600通道模擬器是整個系統的執行核心，它接收來自 SatGen 或其他來源的通道參數，並透過其高性能的硬體平台，將這些參數實時地施加到被測設備（DUT）的訊號上，ACE9600 具備極寬的模擬頻寬和極高的動態範圍，能夠支持多個獨立或相關的模擬通道，以滿足複雜的多天線系統（MIMO）或多用戶場景的測試需求。
其核心模擬能力，全面覆蓋了衛星通訊中的關鍵物理現象：

• 時間變化的傳播延遲： 精確模擬訊號因距離變化而產生的飛行時間差異。
• 載波都卜勒頻偏： 準確再現因衛星高速運動導致的訊號頻率偏移。
• 衰減與路徑損耗： 模擬訊號在長距離傳播過程中的能量損失。
• 游離層閃爍： 模擬游離層不規則性對訊號幅度和相位的快速擾動。
• 多路徑衰落： 創建逼真的多徑傳播模型，模擬訊號反射和干涉。
• 對流層散射效應： 考慮大氣散射對超視距通訊的影響。

透過這些精細的模擬，ACE9600 能夠讓工程師在地面上就體驗到衛星在太空中可能遭遇的真實「訊號旅程」。
 

LEO/5G NTN 資料鏈模擬和硬體迴路測試 (HIL) 架構

圖中為 ACE9600 通道模擬器，用於處理來自 R&S SMW200A 向量訊號產生器的低軌道衛星（LEO）/5G NTN (Non-Terrestrial Network） 訊號，並將該訊號輸入至其中一個通道，透過 ACE Client 控制軟體，可加入各種鏈路與硬體損耗，模擬真實世界的運行條件；經 R&S FSW 頻譜分析儀顯示 ACE9600 處理後的輸出訊號，使用者可觀察這些損耗對訊號星座圖（Constellation） 及其他訊號特性的影響，滿足衛星通訊、NTN 設計工程師與系統整合商的測試需求。

→ 5G NTN Link Emulation and Hardware-in-the-Loop Test Flyer

 

ACE Client 先進通道模擬器軟體：直觀操控的指揮中心

為了方便使用者配置和管理複雜的測試場景，ACE9600 配備了 ACE Client 先進通道模擬器軟體，這款軟體提供了圖形化的使用者介面（GUI），讓工程師可以直觀地設定模擬參數、載入由 SatGen 生成的軌道模型、配置通道特性，並執行測試腳本。
ACE Client 通常還具備即時監控功能，能夠顯示關鍵的模擬狀態和訊號參數，並能記錄詳細的測試數據供後續分析，這種友善的操作介面和強大的控制能力，極大地簡化了測試流程，提高了工作效率。

圖三、ACE Remote Control 介面可遠端控制 ACE9600 衛星與無線通訊通道模擬器，使用者可調整 延遲、衰減、頻率偏移、相位偏移 及 AWGN 雜訊 等通道參數，模擬真實通訊環境；右側的 動態設定 提供觸發與更新選項，確保測試靈活性與可重現性。

圖四、ACE Remote Control 的動態參數圖形 (Dynamic Parameter Graphs) 介面，用於監測 延遲、頻率偏移、衰減、雜訊功率、相位偏移 等通道參數變化。使用者可透過動態模式與內部觸發調整測試條件，支援單次或循環模式。

ACE Remote Control 的訊號擷取 (Capture) 介面，用於監測並分析 I/Q 訊號、均方根值 (RMS) 及功率頻譜 (Power Spectrum)，介面顯示通道 1 (Ch1) 在訊號劣化之後的擷取結果，並提供即時視覺化波形分析；右側面板允許使用者設定靜態模式 (Static Mode)，並存取或調用預設測試配置，確保測試環境的可重現性。

關鍵技術細節與規格探討

ACE9600之所以能夠實現高傳真度的通道模擬，離不開其內部先進的訊號處理技術和靈活的硬體架構。

精準模擬的基石：訊號處理與演算法

在  ACE9600  整合了高性能的數位訊號處理器（DSP），這些強大的運算單元負責執行複雜的數學運算和通道建模演算法，例如：為了模擬都卜勒頻偏，模擬器需要精確地改變輸入訊號的頻率；為了模擬多路徑衰落，則需要生成多個具有不同延遲、衰減和相位的訊號副本，並將它們疊加起來，這些都需要極高的運算精度和即時處理能力。
此外，先進的通道模型（如 3GPP、WiMAX 或特定的衛星通道模型）也被整合到模擬器中，確保模擬結果的準確性和行業標準的符合性。

涵蓋範圍與彈性：從單一鏈路到複雜場景

一款優秀的通道模擬器必須具備足夠的靈活性以適應不同的測試需求，ACE9600  通常提供寬廣的工作頻率範圍，能夠覆蓋從 L 頻段、S 頻段、C 頻段到 Ku、Ka 甚至更高頻段的衛星通訊常用頻譜，其模擬頻寬也足以支援現代寬頻衛星系統的高速率數據傳輸需求，例如，某些型號可能支持數百 MHz 甚至 GHz 等級的瞬時頻寬。

在通道數量方面，ACE9600  可能提供從單通道到數十個甚至更多獨立可配置通道的選擇，這使得它可以模擬點對點的單一通訊鏈路，也能應對複雜的多輸入多輸出（MIMO）天線系統、波束成形（Beamforming）驗證，或是大規模 LEO 星座下的多用戶接入場景。這種可擴展性和彈性，確保了  ACE9600  能夠滿足從元件級到系統級，從簡單場景到複雜電磁環境的廣泛測試應用。

 

技術比較與優劣勢分析

選擇合適的測試方案對於衛星通訊系統的成功至關重要，ACE9600  通道模擬方案相較於傳統方法，展現出顯著的優勢。

ACE9600 vs. 傳統測試方法

以下表格清晰地比較了 ACE9600 通道模擬方案與傳統實體軌道測試的差異，並摘要了不同軌道衛星的特性：

表格一：LEO、MEO、GEO 衛星軌道特性與通訊影響摘要

表格二：ACE9600 通道模擬方案與傳統實測之比較

ACE9600 的獨特優勢

ACE9600 的核心優勢在於其高傳真度（High Fidelity），它能夠極其逼真地再現複雜的時變通道特性，確保測試結果的可靠性，其次是其高度的靈活性與可程式化能力，工程師可以輕鬆配置各種軌道參數、環境效應和干擾場景，進行全面性的壓力測試和邊界條件測試，與 SatGen 衛星軌道建模軟體的無縫整合，更是提供了一套從軌道設計到物理層通道模擬的完整解決方案，大大簡化了測試設置的複雜度，提升了工作效率。

製造或實作挑戰與研究突破

儘管通道模擬技術已相當成熟，但隨著衛星通訊技術的飛速發展，對模擬測試設備也提出了新的挑戰。

衛星通訊系統測試的瓶頸

當前，以 LEO 巨型星座為代表的新一代衛星系統，其特點是衛星數量龐大、網路拓撲動態變化、波束指向複雜，這對通道模擬器的即時處理能力、可模擬的通道數量以及場景複雜度都提出了更高要求，此外，如何精確模擬極端或罕見的空間氣象事件（如強烈太陽風暴引發的游離層擾動）對通訊的影響，以及模擬星間鏈路（Inter-Satellite Links）的特性，也是當前研究的熱點和難點。

ACE9600 如何應對挑戰

面對這些挑戰，ACE9600 先進通道模擬器通常具備良好的可升級性，可以透過硬體擴展或軟體升級來提升性能，滿足未來需求，其強大的可程式化特性允許使用者自定義複雜的測試腳本和通道模型，以適應特定的或新興的應用場景，例如，透過腳本控制多個通道協同工作，可以模擬衛星波束的動態掃描或切換過程，dBm 也在持續投入研發，不斷提升其產品的模擬精度和功能覆蓋範圍，以應對日益複雜的衛星通訊測試需求。

應用場景與市場潛力

ACE9600 通道模擬器憑藉其強大的功能，在衛星通訊產業鏈的各個環節都發揮著不可或缺的作用。

衛星製造商與營運商的研發利器

對於衛星製造商而言，ACE9600 可用於測試衛星酬載（Payload）中的收發訊機、天線系統以及各種通訊子系統的性能，確保其在軌後能正常工作，對於衛星營運商和地面設備製造商，ACE9600 則可用於驗證地面站設備、使用者終端（如衛星電話、數據機、VSAT 終端）在各種軌道條件下的通訊品質和相容性。

新興 LEO 巨型星座的賦能者

對於像 Starlink、OneWeb、Amazon Kuiper 這樣的 LEO 巨型星座計畫，ACE9600 的價值尤為突出，這些系統需要在全球範圍內提供連續、可靠的寬頻服務，其網路管理、訊號切換、都卜勒補償等技術極其複雜，ACE9600 能夠在地面模擬這些星座的動態特性，幫助工程師在系統部署前充分驗證其設計方案，加速產品迭代。

國防、科研與學術領域的應用

在國防領域，衛星通訊的保密性和抗干擾性至關重要，ACE9600 可用於測試軍用衛星通訊系統在複雜電磁對抗環境下的生存能力，在科研和學術領域，它可以幫助研究人員探索新的衛星通訊技術、驗證新的通道模型，或進行大氣科學與電波傳播相關的研究。

未來發展趨勢與技術展望

衛星通訊技術仍在不斷演進，通道模擬技術也將隨之發展，呈現出新的趨勢。

更高頻段與更大頻寬的挑戰

為了追求更高的傳輸速率和頻譜資源，未來的衛星系統將更多地採用 Ka、Q/V 甚至更高頻段（如 W 頻段），這對通道模擬器的頻率覆蓋範圍和可用頻寬提出了更高要求，模擬這些高頻段下更為顯著的大氣衰減和雨衰效應，也將是技術發展的重點。

AI 賦能的智慧模擬

人工智慧（AI）和機器學習（ML）技術有望為通道模擬帶來革命性變化，例如，可以利用 AI/ML 演算法，根據大量的實測數據或物理模型，自動生成更為精確和動態的通道模型，甚至可以預測和模擬一些難以用傳統數學模型描述的複雜干擾或非線性效應。

整合式測試解決方案

未來的通道模擬器可能會更加強調與其他測試工具的整合，例如與網路模擬器、協定分析儀、負載測試工具等無縫對接，形成覆蓋從物理層到應用層的端到端綜合測試解決方案，這將有助於更全面地評估整個衛星通訊系統的性能。

結論

在浩瀚的宇宙背景下，衛星通訊如同一條條無形的絲線，將地球的每個角落緊密相連，然而，這每一條絲線的穩定與暢通，都離不開地面上無數次的精心設計與嚴苛驗證，ACE9600 通道模擬器及其 SatGen 軟體，正是這樣一套強大的「地面太空實驗室」，它讓工程師們能夠在發射衛星之前，就洞悉其在真實軌道環境中可能面臨的種種挑戰，從而進行針對性的優化。

透過精準模擬 LEO、MEO、GEO 等不同軌道所特有的都卜勒頻偏、傳輸延遲、路徑損耗以及各種大氣和空間效應，ACE9600 通道模擬器 不僅極大地提升了衛星通訊系統的研發效率，降低了專案風險，更重要的是，它為下一代更複雜、更高性能的衛星技術的實現鋪平了道路，在太空探索與全球互聯的浪潮中，ACE9600 通道模擬器 這樣的尖端測試解決方案，無疑是推動人類通訊邊界不斷拓展的關鍵力量，是衛星成功遨遊星際、穩定傳遞訊息的幕後英雄。