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福衛五號光學酬載MIT 為地球拍寫真集

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。

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。

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。

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。」

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。

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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關於作者

劉珈均

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。