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福衛五號光學酬載MIT 為地球拍寫真集

劉珈均
・2015/05/25 ・4293字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

9.光學遙測酬載與福衛五號結合
福衛五號樣貌,上方「金光閃閃」的部分為光學遙測酬載,即台灣自力研發之處。科學酬載「先進電離層探測儀」安裝在遙測酬載旁邊,蒐集電漿不規則體的擾動變化;下方為衛星本體。圖/太空中心提供。

福衛五號預計明年第一季委由Space X的鷹隼9號火箭(Falcon 9)發射至太陽同步軌道,從離地720公里高空拍攝地球。福衛五為台灣首度自主研發光學儀器酬載,也發展出全球第一顆應用於太空遙測的線型CMOS影像感測器,從設計至完成歷時五年,規格與福衛二號相近,預備日後接棒福衛二的任務。

福衛五號耗資36.64億(其中約20億為火箭發射成本),設計與福衛二號相差不遠,主要差別在於彩色影像的解析度由八公尺提高為四公尺,黑白影像解析度維持兩公尺;福衛二每日再訪同一地點(每天早上10點5分與晚上九點半行經台灣上空),福衛五周期為每兩日再訪,每隔一天早上10點20分經過台灣上空;赤道附近是福衛二拍攝死角,福衛五拍攝範圍則能涵蓋全球。

福衛二號原定執行任務五年,自2004年發射上空,拍下許多影像應用於救難與災害評估、科學研究、追蹤地貌變化等。它也曾執行特殊任務,2006年馬爾他籍吉尼號貨輪行經蘇澳港南端,船艙破裂而漏油上百噸,國家太空中心緊急排程取像,順利於當日拍攝台灣東岸影像,取得實際證據,也創下台灣第一次海域污染求償成功案例;日本小行星探測器隼鳥號著陸澳洲時也曾委託福衛二作為備用方案,若隼鳥號訊號失靈就拍攝協尋。

福衛五號設計

福衛五號的光學遙測酬載像是給衛星用的超大型數位相機,主要由負責集光、成像在感測器的「遙測取像儀」、感測不同波段影像的「聚焦面組合件」與負責影像擷取、壓縮、儲存的「電子單元」組成。

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酬載說明
福衛五號酬載示意圖。地表反射的太陽光進入望遠鏡頭,依序被主鏡和次鏡反射後穿過修正透鏡,聚焦成像於影像感測器上,再轉換成數位電子訊號。圖/太空中心提供
7.光學遙測酬載完成多層絕熱膜包覆
實際的福衛五號光學遙測酬載外觀,為了讓衛星在太空中正負200℃的極端溫差中運作五年,酬載外部的「金縷衣」是多層絕熱膜,酬載內有51顆溫度感測器與39片加熱片,調控在恆溫18~22℃。圖/太空中心提供

「遙測取像儀」是太空級望遠鏡頭,採用折反射式的卡賽格林式望遠鏡(Cassegrain telescope)。光學設計與校準是相當重要的一環,主鏡直徑45公分、光學系統焦長3.6公尺,是國內製造最大型的非球面鏡片。固定主鏡的方式讓團隊卡關半年,「我們要固定好鏡面,但是加諸在鏡面的力量,不管是黏膠或鎖螺絲都會導致鏡面變形!」太空中心系統工程組正工程師黃柏瑄說。團隊改了六次製程,研發特殊膠合技術才克服,使其能承受火箭發射時最大值為25G的加速度,變形量從2微米、1微米、0.1微米降到小於10奈米,並確認各種應力不會影響鏡面。

地球重力會將次鏡往下拉20至30微米(大約頭髮直徑的三分之一),但太空微重力會讓鏡面「反彈」回去,因此地球上最佳成像的點不會是太空中成像的最佳點。負責光學設計、儀器科技研究中心遙測光電儀器發展組組長黃鼎名說,地球上的天文台會在望遠鏡後方添加設備校正重力造成的相差,衛星若要如法炮製就得加裝感測器和制動器,「這樣太耗電了,衛星的電力主要用來儲存資料和傳資料。」團隊把儀器又正立又倒吊的量測,解讀干涉條紋,一次量測要耗去半天,反覆試了30次才找到太空中最佳成像點。

4.遙測取像儀的主次鏡進行干涉儀量測作業
遙測取像儀的主次鏡進行干涉儀量測作業。圖/太空中心提供

校準之後,主鏡與次鏡相距一公尺,距離與設計值誤差只有0.0007毫米,約一跟頭髮直徑的十分之一,而角度偏差為0.00096度,「相當於從台北看墾丁一間透天厝的視角!」黃柏瑄說。

「聚焦面組合件」的核心是CMOS影像感測器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互補式金屬氧化物半導體),可感測五個不同光波段的影像。傳統太空遙測常用的CCD(Charge-couple Device,電荷耦合元件)感測器技術完全掌握在外國手上,採購單價高,也有輸出許可限制,太空中心表示,採用CMOS是考量台灣半導體優勢的策略,CMOS具有成本低、省電、訊號傳輸快速的優點,缺點則是雜訊較高;「電子單元」負責擷取拍攝的數位影像,將影像壓縮、儲存、加密之後以X波段通訊系統傳至地面接收站。

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10.全球第一顆應用於太空對地遙測的線型CMOS影像感測器-長12公分寬2.4公分
全球第一顆應用於遙測的線型CMOS影像感測器,長寬分別為12公分與2.4公分,含有5條12公分長的線型感測器列,搭配多光譜濾光片可同時感測5個不同波段的影像。圖/太空中心提供

太空計畫幕後

許多國家會限制出口衛星科技的關鍵零組件,福衛二就曾歷經波折,原本交由德商製造,但德國政府管制技術,不願意核發輸出許可,後改由法商研製。太空中心主任張桂祥說,加上台灣政治情勢特殊,更難以取得,自製則能掌握技術。

福衛五原定要向加拿大購買太空望遠鏡頭而未成,於是2006台灣計劃自製兩個衛星酬載,第一顆找外商合作當顧問,一起研製,第二顆再全部自己來,招標時卻沒人投標。直至2008,決定兩顆衛星酬載都自己作。太空中心負責結構、熱控與系統整合,儀科中心負責光學設計與鏡片拋光、鍍膜,中山科學研究院則負責電子單元。

黃柏瑄說,最困難的是「國內沒經驗,國外不會跟你說。」國外已經累積了好幾代程序書,但台灣研發人員得重頭開始摸出所有瑣碎細節,「細節細到像一片玻璃要經過幾道清潔、幾次塗抹、表面改質等等。」黃柏瑄說。他們曾遍訪國內研究光學的教授,「結果教授都說,你們就是這方面的專家了。」太空中心過去曾派駐人員到法國學習福衛二光學遙測酬載研發,「但敏感的東西他們不會讓你接觸,就只能盡量跟他們聊天、蒐集文件上的隻字片語,看他們用什麼材料以及如何組裝測試。」

他說,最麻煩的該屬制定規格,規格從2007到2010花了三年才定案,而後才提案、正式成立團隊研製福衛五。規格制定以影像解析度為出發點,進而討論飛行高度、口徑大小、焦距長度等等,團隊也必須事先知道發射火箭的款式,才知道要承受幾G的加速度。

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黃鼎名說,不同的軌道和感測器而要求同樣解析度的話,就得改變焦距,「焦距一改變,設計及後續的分析、跑模擬得全部重來。」光學設計就將近20個版本,「這是帶有研發性質的衛星計劃,但衛星又要求高可靠度,實在有點矛盾。」不同於常態的太空任務會知道要使用什麼感測器與材料再據此設計,當年感測器也尚未簽約,「當時什麼都不確定!」

儀器要忍受發射時的震動與太空極端環境,因此必須事先經過光學、震動、電磁干擾、熱真空艙等一系列測試。成像品質量測必須在半夜12點進行,因為測試儀器對震動非常敏感,午夜較少人車干擾。黃柏瑄回憶,有次不知為何測試結果很差,成員騎車出外晃一圈,原來是交大附近正在施工、打地樁,「相距至少兩公里,我們都聽不到聲音,但儀器感覺得到!」

目前福衛五號正在進行熱真空測試,溫度在高低溫之間循環,測試所有元件的運作情形,研究人員必須24小時不停歇的輪班測試,為期約一個月。「這是工程師最爆肝的時候。」黃鼎名說。

過去台灣全無經驗,一開始團隊就以福衛二的酬載為研發目標,「雖然沒有超越,但證明了我們自己掌握的技術可以到這裡。」

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6.遙測取像儀完成熱真空測試後工作人員進行開艙後檢查作業
遙測取像儀完成熱真空測試後,工作人員進行開艙後檢查作業。圖/太空中心提供

研發故事外傳:半導體製程突破

常說太空科研是火車頭產業,自主研發福衛五光學鏡頭的過程中,有兩項技術被導入半導體製程而帶來突破與改良:在半導體製程中對覆上液態光阻的晶圓曝光、以便後續蝕刻的機器「曝光機」,以及「自動化光學檢測系統(Automatic Optical Inspection, AOI)」。

半導體高階設備仰賴進口,一台高級的曝光機要價新台幣十億以上。儀科中心曝光機開發小組專案經理曾釋鋒說,因研發福衛五而開發了大口徑鏡頭的製作系統與機台,延伸用於曝光機鏡頭模組的設計開發;生產線上的晶片快速跑過,AOI則快狠準的把瑕疵品抓出來,儀科中心先進光學組組長黃吉宏說,AOI要有良好的光學鏡頭、好的光源、讓待測物精準移動的平台,以及分析軟體。他生動地描述:「想像一下衛星在高空高速運轉的同時還要拍地球,相同的道理,把尺度縮小就是AOI在掃描晶片!」導入太空級光學技術讓AOI的掃描精度與速度精進不少。

福衛二與福衛五小檔案

衛星 福衛二號 福衛五號
軌道 離地面891公里,繞地一周約103分鐘。 離地面720公里,繞地一周約99分鐘。
再訪周期 同地點每日再訪一次,每天通過台灣正上空兩次。 同地點每兩日訪一次。
形狀 六角柱形,高2.4公尺,外徑約1.6公尺。 八角柱形,高2.8公尺,外徑約1.6公尺。
重量 760公斤 555公斤
解析度 黑白影像2公尺,彩色影像8公尺 。 黑白影像2公尺,彩色影像4公尺 。
設計任務壽命 五年 五年

註:解析度4公尺的意思是,在遙測影像中,一個數位影像的畫素對應地表上4公尺x 4公尺大小的面積。

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福爾摩沙衛星們

衛星 衛星種類 任務 升空時間
福衛一號 科學衛星 蒐集海洋水色資料、測量電離層電漿電動效應、測試超高頻率通訊。 1999升空,2004結束任務。
福衛二號 遙測衛星 拍攝地面影像、拍攝高空向上閃電。 2004,預定任務壽命五年,但至今仍運轉中。
福衛三號 氣象衛星 6顆微衛星組成涵蓋全球的星系,接收美國24顆GPS衛星的訊號,搜集大氣及電離層資料。 2006年發射,預定任務壽命兩年,至今剩5顆衛星運轉中。
福衛四號 計劃終止
福衛五號 遙測衛星 拍攝地面影像、蒐集電離層電漿擾動資訊。 預計2016第一季發射。
福衛六號 計劃終止
福衛七號 氣象衛星 福衛三的後續計劃,有高低兩個傾角的軌道,各有6顆微衛星構成星系,搜集大氣資料。 預計2016第三季、2018分批發射。

表格整理/劉珈均,資料來源/國家太空中心

 

訪問外的參考資料

  • 胡妙芬、阮光民編繪,《來自第8蟲洞的訪客》,2014,國家實驗研究院國家太空中心。
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劉珈均
35 篇文章 ・ 1 位粉絲
PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
科技大觀園_96
・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

新颱風生成後,大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大,以及——到底放不放颱風假?要能預測和評估颱風的走向影響,可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提,在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星,以及它們身懷測知氣象變化的絕技!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

貢獻全球氣象資料,福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號(福三)執勤十年,為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料,可謂台灣在國際氣象上的外交大使,於減少天氣預報誤差的貢獻度上,更曾被評為全球前五。福三榮退後,接棒的福爾摩沙衛星七號(福七)也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星,而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系(constellation)。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士,使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域,提供即時而完整的三維觀測數據。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是,它在南北緯 50 度間軌道繞行,主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估,它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例,可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%,協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七,究竟是怎麽辦到的?答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術,讓衛星成為太空中最精準的溫度計!

在天文學上,「掩星」指的是一個天體,在另一個天體與觀測者之間通過,產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」,也可以指前景中的物體,阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」,就是利用電磁波訊號在經過大氣層時,會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層,被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性,來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

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衛星與衛星之間,本來因為地球的阻隔看不到彼此,但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),可以接受美國全球定位系統(GPS) 和俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著,通過計算電波訊號的偏折程度,就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用,而從 2006 年的福三,到如今福七計劃中積累的研究經驗,使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度,也擁有不需要大量接收訊號的衛星,就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢,不僅可以用作氣象預報,更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻,可以使天氣預報更精準

另一方面,除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度,在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素,也可以讓我們的天氣預報更精準!

過去礙於資料的取得有限,同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展,為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ),讓東京大學的研究團隊,可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊,在氣象預報的模型中,第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

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我們都知道,擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素,會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感,與一般的水分子 H2O 相比,較重的水分子如 H2HO 或H218O 會更傾向於凝結成水珠,或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動,便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡,能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照,發現納入同位素的數據之後,氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度,尤其是中緯度及北半球地區,融合同位素資訊後,氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度,也都有所提高。雖然這只是初步的探究,但科學家期許,未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集,能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼,能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術,不僅能讓我們更精準預測氣象,在全球化的現代,也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神;各國對航太技術的投入與數據資源共享,更是科研工作與人類社會的一大福音。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

參考文獻

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1126 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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不只能「透視海底」還可判釋水稻田!淺談福衛五號的影像多元應用
科技大觀園_96
・2021/08/23 ・2533字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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福衛五號幫助研究人員算出海底地形、找出稻田分布。圖/fatcat11 繪

「透視」海底,用福五影像逆推東沙環礁水底地形

中央大學太空及遙測中心的副教授黃智遠、副教授任玄及副教授曾國欣選定東沙環礁,測試福衛五號影像反演水底地形的能力。成果顯示,在訓練資料品質佳的情況下,以福五影像建置水底地形的精度與超高解析度衛星影像的成果相當,可協助內政部產製電子航行圖、環境監測、生物棲地研究等。 

傳統常以船隻搭載聲納,或飛機搭載光達的方式量測水深,這兩種方式皆須現地量測,精度高,但成本也高,且淺海與爭議水區的量測會受限。多光譜光學衛星影像能穿透約 20 公尺深的潔淨水體,成為廣泛調查淺水域的潛力方式。

要以衛星光譜影像反演水深,仍需收集訓練資料(例如地形的現地量測資訊)當作「教材」,讓電腦建立正確的模式參數。「沒有太多人為擾動影響、卻又要有高品質的訓練資料 ,同時符合這兩個條件的就選東沙環礁了!」東沙環礁有精密的光達測深資料,還有海水潔淨、淺水域面積廣大等優點。

此項技術的訓練方式是,輸入衛星影像各波段數值(主要為透水較佳的綠光波段)及其對應的實際水深訓練網路,網路模式訓練完成之後,輸入目標區域的衛星影像數值,就能推算出每個像素對應的水深資訊。

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福衛五號衛星於 2018 年 3 月 2 日所攝得東沙環礁影像。圖/國家太空中心提供

為了衡量福五影像的表現,團隊也拿超高解析度商用衛星 WorldView2 的影像反演水深,比較兩者成果。福五反演的水深成果精度達 1.62 公尺,雖略遜於 WorldView2 的 1.26 公尺,但相差不遠。

黃智遠解釋,相較於房屋、橋梁等地物地貌,水下自然地形的局部變化通常較小,所以對於衛星影像空間解析度的要求也較低。在反演水深的應用上,使用福五或超高解析度衛星的差異不大,福五反演僅局部區域比實際地形略深。

光譜反演的挑戰在於訓練資料蒐集困難,不過,透過衛星影像產製水深還有另一種稱為「立體對測量」的方法。福衛五號可以對地「立體取像」——人的視覺因左右眼視角差異而能感知立體,資料也能整合不同角度的衛星影像產生視差,萃取出目標物的數值地形模型,再以此當作訓練資料,進行模式訓練、反演水底地形。

過去團隊與內政部合作,在東海南海的許多島礁進行水深反演,已累積起一套決策樹,考量目標區域具備的資料庫、資料品質、成本等,可為不同地區挑選、整合不同的水深產製方式。

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東沙環礁水底地形。圖/研究團隊提供

雙衛星搭檔,提高水稻田判釋精度!

水稻田分佈判釋是行政院農委會農糧署年度重要工作項目,農糧署與臺灣大學理學院空間資訊研究中心教授朱子豪、遙測及資料加值組組長張家豪合作,以福衛五號影像結合合成孔徑雷達衛星影像判釋水稻田,正確性達 92%,大幅提高偵測精度。 

由於雲林有充足的基礎資料可供驗證與訓練模型,研究團隊選定雲林做為研究區域,試驗福五的影像用在水稻田判釋可達多少能力。 

團隊使用福衛五號影像,搭配 22 組歐洲太空總署合成孔徑雷達衛星「Sentinel-1」的開放資料,並試驗了三種方法:僅使用福五(光學)影像、僅用雷達影像、兩者相互搭配。結果顯示,整合兩者的效果最好,判釋正確性最高可達到 92%,高於單用光學或雷達影像的 90%、80%。

「光學衛星最大的限制就是雲!」雲會遮擋目標、影響判釋,而農作物判釋的取像時機又相當關鍵,取像時有雲就沒輒了;合成孔徑雷達衛星會主動發射微波到地面再接收反射波,可穿透雲層,不受雲覆與日照影響,可補強不同時期影像,取得水稻田從插秧、成長、結穗的時序變化資訊。

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本研究的突破在於,只用了單一分類器全自動判別的條件下,偵測精度大幅提升,更是首度只用一個時間點、單張光學影像就達到了。團隊對此也相當興奮,「可能因為福五當時在 11 月取像,剛好是水稻結穗時,影像特徵與其他作物差異較大。」張家豪解釋。 

推測了面積,可以進一步推估產量嗎?「一公頃稻作能收成 1,000 公斤或 4,000 公斤,有太多因素影響了。」朱子豪說。溫度、溼度、施肥、天災、病蟲害等都會影響收成,此類研究在平遂的情況下可大致估產,尚難達成精確估產。

福衛五號的自然彩色影像,綠色標記為水稻;黃色標記為非水稻。圖/研究團隊提供

掌握物候特徵是判釋關鍵

未來若要擴大範圍,判釋全國水稻田面積,由於各地農民栽種時序、田間管理多變,如何選擇適合的取像時間會是一大挑戰;若要擴展到判釋其他作物,則得視其生長特徵進行更多的分析比對。

張家豪舉例,判別柑橘類的常年果樹、葉菜類極困難,果樹在光學影像上看起永遠是綠色一片,也無足夠的栽種方式差異、生長週期特徵和其他特性可區辨;檳榔、椰子、香蕉從空中看都是放射狀葉片,雖可參考栽種密度與高度,但影像的空間解析度也得提高至 60 公分才能精確判別;蔥、蒜皆屬旱作,需要空間解析度優於 60 公分的影像,搭配如地區性栽種時序、田埂排列鮮明的地表特徵,有機會判釋成功,「但要是田裡混作個青江菜,就分不出來了。」

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梅樹是另個成功案例,它在 12 月下旬會落葉,隔年 2 月開花長葉結果。團隊曾執行判釋南投水里梅樹的研究,標定幾個時間取像,「若有某個區域在十月是綠葉、入冬出現裸露地特徵、然後變得白白的(開花)、四月又出現綠葉,那就很可能是梅樹!」但李子與梅樹的影像呈現類似,生長期也相近,要是沒在生長期重疊前順利取像,就會混淆兩者。

以衛星影像判釋作物不光是直白的「看照片」或分析光譜,掌握作物的「物候特徵」才是關鍵。

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科技大觀園_96
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