Alexa

福衛三號觀測電離層大氣層有助台灣科學發光

福衛三號觀測電離層大氣層有助台灣科學發光
福衛三號衛星載著國 人滿滿的祝福抵達美國加州范登堡發射場,開始進行一 連串整測。福衛三號計畫總主持人陳正一看著福衛三號 「長大」,對它寄予厚望;尤其衛星上的三個科學酬載 將逐一解開電離層和大氣層的謎,全球氣象團隊也期望 獲得資料,這個衛星將是另一個讓台灣發光的機會。 福衛三號是一個大型的台美雙邊國際合作計畫,由 雙方政府授權執行,代表單位分別為台灣國家太空中心 與美國大學大氣研究聯盟 (UCAR)共同合作執行,主要 是以建立全球大氣即時觀測網的先進技術發展計畫,又 稱為「氣象、電離層及氣候的衛星星系觀測系統」,簡 稱為FORMOSAT-3/COSMIC計畫。

福衛三號是由六顆微衛星組成一個星系,每顆微衛 星含燃料重62公斤,形狀類似大圓餅,直徑約103公分 ,高約16公分,它有兩片圓形太陽能電池板,分別展開 121度和59度,任務軌道屬於圓形軌道,六顆微衛星各 相距約24度,彼此高度均不同,各距地表約700到800公 里高空,以傾角72度繞行地球一週約100分鐘,壽命達 2年以上 (設計壽命5年以上)。

陳正一表示,福衛三號所使用的發射載具是美國空 軍提供的Minotaur火箭,六顆微衛星在發射前組合在一 起成為一個衛星堆,火箭將六顆微衛星一起送入低地球 軌道 (LEO)的停駐軌道 (Parking Orbit)後,衛星依序 彈離發射載具,再利用本身的推進系統配合進動作用 (Nodal Precession)進行軌道轉換,預計13個月後到達 任務軌道。

他指出,六顆微衛星分別圍繞地球運轉,組成涵蓋 全球的低軌道微衛星星系,接收距地表2萬2千公里高空 美國24顆全球定位衛星 (GPS)所發出的訊號。六顆微衛 星觀測範圍涵蓋全球大氣層及電離層,每天提供均勻遍 佈全球2500個點的資料值。衛星約每3小時完成全球氣 象資料蒐集及計算分析,約每90分鐘更新一次。

值得一提的是,微衛星上各載有三個科學酬載,第 一是「全球定位系統氣象量測儀」 (GPS Occultation Experiment,簡稱GOX):每一顆衛星上安裝四個GPS天線 ,接收現有24顆GPS衛星的L1及L2頻段的電波訊號,GOX 主要利用電波訊號穿過電離層和大氣層時受電子密度、 溫度、壓力、及水氣含量等影響而轉折的時間延遲,推 算電離層和大氣層相關的資料。

陳正一說,GOX可量測70到800公里的電離層,以及 最高到60公里的大氣層的參數,高度的橫切面非常大, 因此可以獲得完整的大氣參數;此外因為大氣密度隨高 度改變,再加上大氣中含有介質,會影響GPS衛星所送 出的訊號軌跡 (呈彎曲狀)和速度,也因此可以量測訊 號彎曲的程度和介質的關係。

其次是「小型電離層光度計」 (Tiny Ionosphere Photometer,簡稱TIP):使用光譜頻段為135.6nm,藉以 推算沿衛星對著地球方向的電子密度總量。它是一種輔 助GOX 的工具,主要是將電子密度在電離層和大氣層所 受的影響區別出來。

第三是「三頻段信標儀」 (Tri-Band Beacon,簡稱 TBB),它使用 150、400、1067MHz三個頻段的偕同無線 電發射機 (coherent radio transmitters)發射電波信 號,經由分佈全球各地的接收站接收後,推算在超電離 層高度 (90~700 公里)的高解析度的電子密度場和總電 子含量。

陳正一解釋,太空天氣 (SPACE WEATHER)會影響通 訊,且GPS導航系統會受到電離層變化的影響,而會產 生變化的原因主要來自太陽磁暴,所以信標儀的三個頻 段等於是不同切面的三維空間,用來觀察電離層和太陽 磁暴的變化,對於了解太空天氣有很大的幫助。

陳正一說,信標儀是美國海軍研究所研發,美國海 軍在全球已建立很多接收站,台灣的國立中央大學也決 定在台灣本島建立三個接收站,另外在南沙群島、菲律 賓、琉球等地續建其他七個接收站,以獲得更多電離層 的研究資料。

至於衛星上所接收到的電子總量等資料將傳送到瑞 典北部的KIRUNA和阿拉斯加FAIRBANKS兩個海外追蹤站 ,再傳到位於美國科羅拉多州的UCAR資料處理中心,處 理後的資料再送到台北的中央氣象局做進一步運用。陳 正一說,台灣的大學教授們正在研究如何運算那些初步 的資料,未來可以讓氣象局自行運算那些初步資料,獲 得更符合研究的數據。

陳正一很有信心說,福衛三號順利升空後,太空中 心將逐一檢查衛星本體和科學酬載的「健康狀況」,大 約二週後就會有第一筆資料傳送下來,此後待衛星調整 到任務軌道後,不同的資料就會逐漸顯現價值。

他強調,待計畫上軌道後,不僅提高氣象預報更新 的頻率,使氣象報告具有實際的效益外,還可研究長時 間的氣候變遷、對電離層進行動態監測、進行全球太空 天氣的預報和提供地球重力研究等相關科學研究,並與 國外交流氣象觀測資料,提昇台灣在這方面的國際地位 和重要性,福衛三號可再為台灣在國際上發光發熱。