福衛七號小百科與台灣太空科技的未來十年計畫

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台灣的太空計畫從1999年開始第一計畫,當時還由委外廠商協助台灣建立太空科技基礎。從發射福衛一號,歷經了20年到今天所發射的福衛七號,算是第二期的太空計畫的完美結尾,也宣告了台灣已有太空科技的自主研發能力。

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福爾摩沙系列衛星規格表

接下來就是第三期的太空計畫,由行政院長蘇貞昌上任之後所批的第一份公文核定開始,2019年到2028年預計投入新台幣251億元,發展6枚先導型高解析度光學遙測衛星、2枚超高解析度智能遙測衛星、2枚合成孔徑雷達衛星,可說是平均一年一顆衛星的高速發展。第三期的太空計畫,目標將是結合國內產學界能量,建立台灣自己的太空產業。

福衛七號大事紀

2010年5月:臺美政府簽署技術合作協定,雙方授權由國研院太空中心與美國國家海洋暨大氣總署共同執行福爾摩沙衛星七號計畫
2010年8月:任務定義(Mission Definition Review)
2011年4月:系統需求定義(System Design Review)
2011年6月:科技部核定執行計畫書
2012年7月:福爾摩沙衛星七號本體購案決標予英商SSTL
2013年12月:系統初步設計(Preliminary Design Review)
2015年6月:6枚衛星運抵國研院太空中心
2016年2月:系統關鍵設計(Critical Design Review)
2016年5月:衛星太空環境測試/衛星與地面系統通聯測試
2017年3月:臺灣資料處理中心就緒
2017年3月:完成早期軌道操作任務操作模擬
2018年7月:協助美方團隊安裝科學酬載元件
2019年1月:完成運送前與操作就緒審查會議(Pre-shipping Review & Operations Readiness   Review)
2019年4月:衛星運抵美國甘迺迪太空中心
2019年5月:完成任務就緒審查會議(Mission Readiness Review)
2019年6月:衛星發射

福衛七號科學小百科

今天所發射的福衛七號又是怎樣的一顆衛星呢?接下來就由國家太空中心所提供的資料,分為七個問題,來讓讀者們可以對福衛七號這顆氣象衛星有個基本的了解。

1、福衛七號用掩星技術增進氣象預報準確度,何謂掩星技術?

光線等波在不同介質的傳播速率不同,因此,當光由一種介質進入另外一種介質時會發生折射現象。一個最熟悉的例子便是將筷子放入裝水的杯子中,會看到筷子好像彎曲了,因為光在空氣與水中速率不同,而造成光的折射。

同樣的原理,當無線電波傳播在不同的介質中,訊號的傳播路徑也會產生折射的現象。因此,在軌道上運行的人造衛星,運用無線電波與其它人造衛星或地面控制站互相傳送資訊時,均有可能受到大氣層的折射。利用這樣折射原理而發展出掩星技術(Radio Occultation),可以推算出電波訊號所受到的折射,進而得到介質的成份與狀態。

衛星發射的電磁波訊號經過大氣層時,會因為穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層,而產生轉向、變慢、減弱等現象。只要分析福衛三號和七號接收到的訊號特性,就能反過來推出地球上空的溫度、氣壓、濕度或電子密度等數據,獲得更精準的氣象資訊。

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掩星技術示意圖
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 福衛三號及福衛七號的比較

2、 為何遙測衛星福衛二號、五號只要一顆,氣象衛星福衛三號、七號卻要六顆?

福衛二號、五號是光學遙測衛星,可以對地表進行取像,福衛三號、七號則是透過掩星技術得到大氣資料,提供氣象預報使用。

過去高性能遙測衛星價格昂貴,而且除了部分國防或是災害對影像資料有即時性需求外,許多取像對時間的要求並不急迫,可以等衛星繞到要取像的地方再拍攝即可,因此一顆衛星足以滿足任務需要。

然而隨著科技的進步,遙測衛星的價格逐漸下降,所以有許多商業衛星遙測公司提出大規模衛星星系部署的計畫,未來遙測衛星可以對同一地區每日多次再訪,也開啟了新型態的衛星影像應用。未來台灣遙測衛星也將會採取多顆星系部署的方向來發展。

至於氣象衛星,顆數越多,所獲取的全球大氣資料就越多、越均勻,有助於提升氣象預報的準確性;然而衛星計畫需考量預算、研製時程、資料數、資料均勻度以及衛星星系部署時程等,經由擇優分析,最後選擇6顆作為福衛七號星系的衛星數。 

3、為何福衛五號在加州發射、福衛七號卻在佛州發射?

福衛五號是太陽同步軌道的遙測衛星,軌道傾角是98.28度。由美國西岸加州的范登堡空軍基地向南偏西發射,可以達到98.28度的軌道傾角,而且第一節火箭(如果不回收的話)會落入海中,不會危及空軍基地附近居民的人身安全。

福衛七號的軌道傾角是24度,搭配GPS和GLONASS可蒐集南北緯50度內的掩星資料。由美國東岸佛州的甘迺迪太空中心向東偏南發射,可以達到24度的軌道傾角,且第一節火箭(如果不回收的話)不會危及附近居民人身安全。

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福衛五號與福衛七號發射方向 

4、福衛七號6顆衛星如何從剛發射的720公里高空調整到550公里工作軌道?為何要花19個月?

衛星運行速度會影響到高度的升降。高度720公里的衛星,以和運行方向相反的方向進行噴射,使衛星減速,就會造成衛星軌道下降。

當福衛七號第一枚衛星被調降到550公里的任務軌道高度後,它所運行的軌道面會因地球扁圓型重力場的影響,與停留在720公里衛星運行的軌道面每天產生約0.55度的軌道面飄移現象。108天後,第一枚550公里高的衛星軌道面與720公里高的衛星軌道面,就會分開約60度。

接著,第二枚衛星開始從720公里高調降到550公里高的軌道,108天後,第二枚550公里高的衛星軌道面與720公里高的衛星軌道面,也分開約60度,此時第一枚550公里高的衛星軌道面與720公里高的衛星軌道面,已經分開了約120度。

如此依序將第三、四、五、六枚衛星從720公里的軌道高度調降到550公里的軌道高度,從第一枚衛星開始調降軌道高度開始到第六枚衛星調降軌道高度結束止,共花108x5=540天,加上衛星發射後的前四週還在進行健康檢查,總共約需19個月。

此時,第一枚550公里的衛星軌道面與第二、三、四、五、六枚550公里的衛星軌道面,已經分別分開了60、120、180、240、300度,就完成了六枚衛星的星系佈署。

發射後19個月完成星系部署
發射後19個月完成星系部署

5、為何福衛五號高度是720公里,福衛七號卻是550公里?

福衛五號是遙測衛星,選擇720公里太陽同步軌道,就是衛星的軌道面永遠以相同的角度面對太陽,這樣子衛星每次都是在相同的時間經過地球同一地點的上空,因此可以達成兩日再訪的目標。

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太陽同步軌道即衛星軌道面永遠以相同的角度面對太陽

福衛七號的目標是搜集均勻分佈在中低緯度的大氣資料。福衛七號的6枚衛星會分別分佈在6個軌道面上,其任務軌道在500~850公里之間皆可達成任務目標。

6、福衛七號三個酬載任務及其作用方式為何?

(1)全球衛星導航系統無線電訊號接收器(TGRS):TGRS接收全球導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)衛星(包括GPS和GLONASS)所發射出的無線電波,電波經過電離層與大氣層時會產生折射效應,分析這些折射訊號即可以得到大氣層中溫度、壓力、水氣以及電離層電子濃度的資料。

(2)離子速度儀(IVM):沿著衛星軌道實際量測電離層的離子資料,藉由改變探測器表面電位能,及計算後端電流板所收集的離子入射角,計算出離子的速度。

(3)無線射頻信標儀(RF Beacon):電離層是無線電訊號傳輸必經的介質,台灣上空是電離層的不穩定區,科學團隊在亞太地區設置多個地面站,接收RF Beacon所發射的電磁波,即可分析出台灣上空的電離層結構。

7、全國學生參與福衛七號發射活動的情形

國研院太空中心、中央大學太空科學研究所與桃園市政府教育局合作,連續三年舉辦5場為期1週的密集訓練營隊。邀請桃園市高中生、中央大學大氣科學系太空組新生、全國高中職生共152位,參與福爾摩沙衛星七號科學任務訓練,從結訓學生中遴選出表現積極且學習成果優秀的36位學生。

除部分學生自費參加外,桃園市政府教育局與青年事務局、國研院太空中心、中央大學分別提供全額或部分補助學生前往美國佛羅里達州甘迺迪太空中心,觀看福衛七號發射。

今年國研院太空中心又與成功大學及南瀛天文館於3月舉辦兩天一夜的「太空探索體驗營」,由國研院太空中心林俊良主任以福爾摩沙系列衛星的太空科技發展為專題,搭配成功大學太空與電漿科學所所長陳炳志介紹登月任務50周年的主題探討,加上南瀛天文館的觀測實務,帶給臺南地區高中生許多學習上的啟發與成長。在本次營隊中選出10名高中生,由成功大學蘇慧貞校長拋磚引玉提供出國經費協助,也一同赴美參加福衛七號發射活動。

核稿編輯:Chris

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