0

0
0

文字

分享

0
0
0

它們和福衛五號搭同一班火箭 任務卻大大不同!

活躍星系核_96
・2016/04/11 ・3617字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

文/黃正中|國家太空中心研究員

福爾摩沙五號衛星在新竹科學園區的整合測試,已經接近尾聲,預定在今年五月運往美國加州,太平洋海岸邊的范登堡火箭發射場,進行發射前的健康檢查,然後搭乘由美國 Space X 公司所建造的獵鷹九號(Falcon 9)火箭升空。

福衛五號是我國自製的遙測衛星,搭載高解析度的彩色相機以外,以及中央大學研製的先進電離層探測儀(AIP)。國內已經有許多福衛五號的相關文章與報導,所以這一次我們把焦點放在即將與福衛五號搭乘同一班火箭升空的小夥伴們。

火箭也可以變成「公車」 衛星們在不同地方下站

此行升空的火箭搭載包括福衛五號在內,總計有88顆衛星一齊升空,可能創人類有史以來,最多衛星搭乘同一個火箭升空的紀錄。除此之外,還有許多創新技術,包括製造廠商 Space X 公司預計在火箭發射過程中,第一、二節火箭分離之後,回收第一節火箭;第一節火箭重新整理後可望再次使用,並降低商用火箭發射費用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這一次獵鷹九號的整流罩裡面,有兩個主要的火箭酬載銜接環,樓上搭乘的是「福衛五號衛星」,樓下搭乘的是夏爾巴(SHERPA)銜接環。這是美國一間名為太空飛行公司(Spaceflight Inc.)發明衛星的衛星彈射設施,這種銜接環能提供大量奈米、微衛星安全的空間,以及抵達軌道以後將衛星彈射釋出到太空的「微衛星搭乘艙」。銜接環能提供火箭與衛星的電機控制介面,並且能監控衛星的健康狀態,回報控制中心,這種創新、低價格的發射服務,在市場上相當有競爭力。

abc
獵鷹九號整流罩內的福衛五號衛星(藍色)與SHERPA銜接環配置(黃色)。圖/作者提供。

SHERPA(夏爾巴)或稱為雪巴人,是一支散居在喜瑪拉雅山脈兩側的民族,堅忍耐勞,為挑戰喜瑪拉雅山的登山客提供登山嚮導、背負重物、紮營等服務。太空飛行公司在 2012 年以此命名運載衛星送上太空的酬載設施,它提供標準空間尺寸,給需要搭乘火箭到太空的衛星,或其他任務所使用。

640px-Sherpa_Hikes_from_Dughla_Towards_Lobuche
SHERPA(夏爾巴)或雪巴人背負重物登山。圖/wikipedia, By Niklassletteland – Own work, CC BY-SA 3.0

5、4、3、2、1 發射!

伴隨著轟隆隆的聲音,福衛五號和其他衛星,以拋物線軌跡從美國西岸的范登堡升空,面對太平洋,朝著南半球飛行。火箭發射後 11.3 分鐘,距離發射場約 1100 海里,就抵達 723 公里高的太空任務軌道,這時福衛五號衛星與火箭分離,開始進行早期軌道操作。

  • 編按:范登堡原誤植為東岸,經讀者提醒修改。2018/7/10

其餘搭乘同一火箭的 87 顆衛星,將隨著火箭上夏爾巴酬載設施持續飛行。大約在發射後 60 分鐘抵達地球另一邊,非洲蘇丹的上空,此時夏爾巴與火箭分離,逐漸釋出衛星,各自執行太空任務。預估將花 45 分鐘的時間,釋放出所酬載的剩下 87 顆微衛星和奈米衛星。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

87 顆衛星們要去哪裡?要做什麼?

這次火箭發射引發的關注,不只是我們心心念念福衛五號衛星能否順利發射,其他搭乘的87顆微衛星、奈米衛星來自全球各地,也陪著我們緊張、焦慮和興奮。87 顆衛星中有 3 顆微衛星以及 84 顆奈米衛星,它們所要執行的任務也相當有趣,以下介紹其中幾個它們的「超級任務」:

1. 生醫衛星—大腸桿菌上太空

ecamsat1_0
EcAMSat衛星。圖/NASA

首先介紹「大腸桿菌抗菌衛星任務(E. coli AntiMicrobial Satellite (EcAMSat) mission)」,這是生醫奈米衛星的太空實驗,也是本次發射任務的亮點之一。本計畫是由美國太空總署與史丹佛大學醫學院共同合作,調查大腸桿菌在太空微重力下,會如何影響它對抗生素產生的抗藥性。

大腸桿菌是人類腸道中最著名的細菌,主要生存於大腸內,一般不會致病,而且還能合成對人體有益的維生素 B 和 K。然而無害的大腸桿菌,在少數的情況下也會導致疾病,例如離開腸道進入泌尿道會導致感染,或者某些特殊的菌株具有毒性會導致痢疾等等。

面對這些疾病,需要使用抗生素對抗在身體中作亂的大腸桿菌,但在使用抗生素一段時間後大腸桿菌可能會產生抗藥性,影響藥效。大腸桿菌在微重力下,是否會使它的抗藥性改變,而成為太空人健康的隱憂,特別在長時間執行任務下,太空人的免疫系統可能逐漸減弱,更需特別注意這些潛在的健康問題。EcAMSat 實驗的結果將有助於在未來規劃太空任務中提出有效的對策,保障這些長時間、持續執行太空飛行任務的太空人健康回地球。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

2. 太空資源衛星—尋找太空船的加油站

External-5j-680x452
Arkyd 6A奈米衛星。圖/planetaryresource

成立於 2012 年的美國行星資源公司(Planetary Resources),是一個年輕又有野心的太空探險公司。他們提出一個相當有遠見、大膽的想法——「地球資源有限,太空資源無窮」。

在太陽系,天文學家已經發現了約 127 萬顆小行星,其中某些小行星是由氫氣和氧氣所組成,而這是火箭燃料的必要元素。以火星探險計畫為例,未來太空旅行時,這些小行星可以成為太空旅行中途的「加油站」,提供所需的燃料或能源。這家公司看到了商機,他們開始為太空船或衛星探勘,了解太空中哪些小行星有大量的燃料或能源,可以做為未來太空船中途加油的供應站,因而創造了這個價值數十億美元的行業。

另外,最近高科技的發展,使得傳統以及通訊產業,對於鉑金屬需求越來越大,從催化轉化器、珠寶首飾,到電子、醫療器材、玻璃和渦輪葉片等等都需要。鉑金屬的主要來源為南非和俄羅斯,但已越來越難開採。不過,未來太空中的小行星可能成為稀有金屬的來源,甚至,只要找到一個直徑為 500 公尺、富含鉑金屬的小行星,開採到的鉑金屬就可能超越人類歷史上所有已開採的數量。

瞄準太空中無限的商機,本次火箭發射,行星資源公司代號 Arkyd 6A 的奈米衛星將隨之升空。衛星搭載的酬載儀器是中波段的紅外成像系統(mid-wave infrared imaging system),可以用來偵測小行星的礦產以及水的含量,任務初期將先以瞄準地球特定區域探勘作為測試,這次任務若順利,未來才能實際運用在探勘小行星上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

3. 太陽帆衛星—太空船也能靠「風」航行

cnusail-1__1
CNUSail奈米衛星張開太陽帆。圖/Chungnam National University @ http://space.skyrocket.de/

夜晚遙望蒼穹,激起人們挑戰太空,探索未知世界的雄心壯志,然而實際要探索太空需要攜帶大量的燃料,才能進行遠距離的太空旅行,所費不貲。科學家們為了解決這樣的困境,他們從風箏的飛行得到靈感,希望仿效「海上風帆」藉由風力這種外在動力,來達到在太空自由活動的想法。他們思考,若可以設計一個人造衛星,利用「太陽風」這種無窮盡的高速電粒子流來自由移動,降低對於燃料的依賴,是否可能成功呢?

這一次伴隨福衛五號升空的衛星中,有個名稱為「CNU 帆奈米衛星(CNUSail Cubesat)」的太空計畫。當火箭抵達太空以後,邊長約 13 公分的立方型奈米衛星,將在太空中展開約 300 公分長對角線的「太陽帆」,「太陽帆」是以超薄的薄膜材料所構成,利用控制衛星「太陽帆」與「太陽風」的夾角,進行變換衛星軌道高度的實驗。

傳統上,衛星所攜帶的燃料多寡,是衛星任務壽命的關鍵,假如「太陽帆」實驗成功,理論上除非衛星上的元件故障,衛星將可以長期運作不退休。

4. 雙星計畫—兩個衛星,一台望遠鏡

helioalignment
CANYVAL-X奈米衛星光學的虛擬望遠鏡系統。圖/NASA/Brittany Klein

這次獵鷹九號火箭,搭載很特別的「雙星實驗」計畫,包含一大一小的兩顆名為 CANYVAL-X 奈米衛星,將發射到太空之中,研究靠近明亮的恆星系統旁邊的行星,或難以捉摸的日冕現象。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「雙星計畫」特別的點在於,這兩顆衛星——小的有反射光線的設施,大的帶有光學電子取向單元(Electric Unit)具有偵測的效果,當兩顆衛星進入太空以後,小顆的奈米衛星翻滾的過程,會使用偵測器找到並鎖定兩倍大體積的另一顆衛星,共同組成光學的虛擬望遠鏡。由於光學儀器無法直接觀察明亮的光源,因此這個計畫非常有創意的採用雙星位置的移動,達成「掩星」的條件,從而研究遠方行星的成分。另外也可以利用雙星相對運動,研究太陽的日冕大小。

5.鳳凰計畫—修復太空中壞掉的通訊衛星

即使再高價製作的人造衛星用久了、壞掉了,依然會變成太空垃圾,這時該怎麼辦呢?這一次,有一顆「喚醒微衛星(eXCITe microsatellite)」將伴隨福衛五號升空。這是「美國國防高等研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)」推出的計畫,目標是將太空中壞掉的通訊衛星改造修復。這個活化衛星的「鳳凰計畫」具有劃時代的意義。

這一次是鳳凰計劃的第一階段測試,主要的構想是使用太空機器手,組裝稱為「衛星模組(satlets)」的模組化零件。每個零件重約 6.8 公斤(15 磅),分別是主要的衛星次系統,例如電源,控制器和傳感器等等。一旦任務所需,能夠快速的反應,將所需要的次系統運送到太空軌道,快速提供零組件,用以佈署和維修損壞的衛星。

 

同一個火箭就有帶有這麼多不同任務的衛星,這代表太空還有許多新領域等著我們去探索!除了去了解和認識其他國家有什麼創意思考外,我們也可以想想台灣要如何在這場激烈的國際太空競賽中出奇致勝!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 120 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

8
2

文字

分享

0
8
2
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 300 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

2

4
3

文字

分享

2
4
3
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

所有討論 2
科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1124 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。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
它們和福衛五號搭同一班火箭 任務卻大大不同!
活躍星系核_96
・2016/04/11 ・3617字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文/黃正中|國家太空中心研究員

福爾摩沙五號衛星在新竹科學園區的整合測試,已經接近尾聲,預定在今年五月運往美國加州,太平洋海岸邊的范登堡火箭發射場,進行發射前的健康檢查,然後搭乘由美國 Space X 公司所建造的獵鷹九號(Falcon 9)火箭升空。

福衛五號是我國自製的遙測衛星,搭載高解析度的彩色相機以外,以及中央大學研製的先進電離層探測儀(AIP)。國內已經有許多福衛五號的相關文章與報導,所以這一次我們把焦點放在即將與福衛五號搭乘同一班火箭升空的小夥伴們。

火箭也可以變成「公車」 衛星們在不同地方下站

此行升空的火箭搭載包括福衛五號在內,總計有88顆衛星一齊升空,可能創人類有史以來,最多衛星搭乘同一個火箭升空的紀錄。除此之外,還有許多創新技術,包括製造廠商 Space X 公司預計在火箭發射過程中,第一、二節火箭分離之後,回收第一節火箭;第一節火箭重新整理後可望再次使用,並降低商用火箭發射費用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這一次獵鷹九號的整流罩裡面,有兩個主要的火箭酬載銜接環,樓上搭乘的是「福衛五號衛星」,樓下搭乘的是夏爾巴(SHERPA)銜接環。這是美國一間名為太空飛行公司(Spaceflight Inc.)發明衛星的衛星彈射設施,這種銜接環能提供大量奈米、微衛星安全的空間,以及抵達軌道以後將衛星彈射釋出到太空的「微衛星搭乘艙」。銜接環能提供火箭與衛星的電機控制介面,並且能監控衛星的健康狀態,回報控制中心,這種創新、低價格的發射服務,在市場上相當有競爭力。

abc
獵鷹九號整流罩內的福衛五號衛星(藍色)與SHERPA銜接環配置(黃色)。圖/作者提供。

SHERPA(夏爾巴)或稱為雪巴人,是一支散居在喜瑪拉雅山脈兩側的民族,堅忍耐勞,為挑戰喜瑪拉雅山的登山客提供登山嚮導、背負重物、紮營等服務。太空飛行公司在 2012 年以此命名運載衛星送上太空的酬載設施,它提供標準空間尺寸,給需要搭乘火箭到太空的衛星,或其他任務所使用。

640px-Sherpa_Hikes_from_Dughla_Towards_Lobuche
SHERPA(夏爾巴)或雪巴人背負重物登山。圖/wikipedia, By Niklassletteland – Own work, CC BY-SA 3.0

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

5、4、3、2、1 發射!

伴隨著轟隆隆的聲音,福衛五號和其他衛星,以拋物線軌跡從美國西岸的范登堡升空,面對太平洋,朝著南半球飛行。火箭發射後 11.3 分鐘,距離發射場約 1100 海里,就抵達 723 公里高的太空任務軌道,這時福衛五號衛星與火箭分離,開始進行早期軌道操作。

  • 編按:范登堡原誤植為東岸,經讀者提醒修改。2018/7/10

其餘搭乘同一火箭的 87 顆衛星,將隨著火箭上夏爾巴酬載設施持續飛行。大約在發射後 60 分鐘抵達地球另一邊,非洲蘇丹的上空,此時夏爾巴與火箭分離,逐漸釋出衛星,各自執行太空任務。預估將花 45 分鐘的時間,釋放出所酬載的剩下 87 顆微衛星和奈米衛星。

87 顆衛星們要去哪裡?要做什麼?

這次火箭發射引發的關注,不只是我們心心念念福衛五號衛星能否順利發射,其他搭乘的87顆微衛星、奈米衛星來自全球各地,也陪著我們緊張、焦慮和興奮。87 顆衛星中有 3 顆微衛星以及 84 顆奈米衛星,它們所要執行的任務也相當有趣,以下介紹其中幾個它們的「超級任務」:

1. 生醫衛星—大腸桿菌上太空

ecamsat1_0
EcAMSat衛星。圖/NASA

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

首先介紹「大腸桿菌抗菌衛星任務(E. coli AntiMicrobial Satellite (EcAMSat) mission)」,這是生醫奈米衛星的太空實驗,也是本次發射任務的亮點之一。本計畫是由美國太空總署與史丹佛大學醫學院共同合作,調查大腸桿菌在太空微重力下,會如何影響它對抗生素產生的抗藥性。

大腸桿菌是人類腸道中最著名的細菌,主要生存於大腸內,一般不會致病,而且還能合成對人體有益的維生素 B 和 K。然而無害的大腸桿菌,在少數的情況下也會導致疾病,例如離開腸道進入泌尿道會導致感染,或者某些特殊的菌株具有毒性會導致痢疾等等。

面對這些疾病,需要使用抗生素對抗在身體中作亂的大腸桿菌,但在使用抗生素一段時間後大腸桿菌可能會產生抗藥性,影響藥效。大腸桿菌在微重力下,是否會使它的抗藥性改變,而成為太空人健康的隱憂,特別在長時間執行任務下,太空人的免疫系統可能逐漸減弱,更需特別注意這些潛在的健康問題。EcAMSat 實驗的結果將有助於在未來規劃太空任務中提出有效的對策,保障這些長時間、持續執行太空飛行任務的太空人健康回地球。

2. 太空資源衛星—尋找太空船的加油站

External-5j-680x452
Arkyd 6A奈米衛星。圖/planetaryresource

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

成立於 2012 年的美國行星資源公司(Planetary Resources),是一個年輕又有野心的太空探險公司。他們提出一個相當有遠見、大膽的想法——「地球資源有限,太空資源無窮」。

在太陽系,天文學家已經發現了約 127 萬顆小行星,其中某些小行星是由氫氣和氧氣所組成,而這是火箭燃料的必要元素。以火星探險計畫為例,未來太空旅行時,這些小行星可以成為太空旅行中途的「加油站」,提供所需的燃料或能源。這家公司看到了商機,他們開始為太空船或衛星探勘,了解太空中哪些小行星有大量的燃料或能源,可以做為未來太空船中途加油的供應站,因而創造了這個價值數十億美元的行業。

另外,最近高科技的發展,使得傳統以及通訊產業,對於鉑金屬需求越來越大,從催化轉化器、珠寶首飾,到電子、醫療器材、玻璃和渦輪葉片等等都需要。鉑金屬的主要來源為南非和俄羅斯,但已越來越難開採。不過,未來太空中的小行星可能成為稀有金屬的來源,甚至,只要找到一個直徑為 500 公尺、富含鉑金屬的小行星,開採到的鉑金屬就可能超越人類歷史上所有已開採的數量。

瞄準太空中無限的商機,本次火箭發射,行星資源公司代號 Arkyd 6A 的奈米衛星將隨之升空。衛星搭載的酬載儀器是中波段的紅外成像系統(mid-wave infrared imaging system),可以用來偵測小行星的礦產以及水的含量,任務初期將先以瞄準地球特定區域探勘作為測試,這次任務若順利,未來才能實際運用在探勘小行星上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

3. 太陽帆衛星—太空船也能靠「風」航行

cnusail-1__1
CNUSail奈米衛星張開太陽帆。圖/Chungnam National University @ http://space.skyrocket.de/

夜晚遙望蒼穹,激起人們挑戰太空,探索未知世界的雄心壯志,然而實際要探索太空需要攜帶大量的燃料,才能進行遠距離的太空旅行,所費不貲。科學家們為了解決這樣的困境,他們從風箏的飛行得到靈感,希望仿效「海上風帆」藉由風力這種外在動力,來達到在太空自由活動的想法。他們思考,若可以設計一個人造衛星,利用「太陽風」這種無窮盡的高速電粒子流來自由移動,降低對於燃料的依賴,是否可能成功呢?

這一次伴隨福衛五號升空的衛星中,有個名稱為「CNU 帆奈米衛星(CNUSail Cubesat)」的太空計畫。當火箭抵達太空以後,邊長約 13 公分的立方型奈米衛星,將在太空中展開約 300 公分長對角線的「太陽帆」,「太陽帆」是以超薄的薄膜材料所構成,利用控制衛星「太陽帆」與「太陽風」的夾角,進行變換衛星軌道高度的實驗。

傳統上,衛星所攜帶的燃料多寡,是衛星任務壽命的關鍵,假如「太陽帆」實驗成功,理論上除非衛星上的元件故障,衛星將可以長期運作不退休。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

4. 雙星計畫—兩個衛星,一台望遠鏡

helioalignment
CANYVAL-X奈米衛星光學的虛擬望遠鏡系統。圖/NASA/Brittany Klein

這次獵鷹九號火箭,搭載很特別的「雙星實驗」計畫,包含一大一小的兩顆名為 CANYVAL-X 奈米衛星,將發射到太空之中,研究靠近明亮的恆星系統旁邊的行星,或難以捉摸的日冕現象。

「雙星計畫」特別的點在於,這兩顆衛星——小的有反射光線的設施,大的帶有光學電子取向單元(Electric Unit)具有偵測的效果,當兩顆衛星進入太空以後,小顆的奈米衛星翻滾的過程,會使用偵測器找到並鎖定兩倍大體積的另一顆衛星,共同組成光學的虛擬望遠鏡。由於光學儀器無法直接觀察明亮的光源,因此這個計畫非常有創意的採用雙星位置的移動,達成「掩星」的條件,從而研究遠方行星的成分。另外也可以利用雙星相對運動,研究太陽的日冕大小。

5.鳳凰計畫—修復太空中壞掉的通訊衛星

即使再高價製作的人造衛星用久了、壞掉了,依然會變成太空垃圾,這時該怎麼辦呢?這一次,有一顆「喚醒微衛星(eXCITe microsatellite)」將伴隨福衛五號升空。這是「美國國防高等研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)」推出的計畫,目標是將太空中壞掉的通訊衛星改造修復。這個活化衛星的「鳳凰計畫」具有劃時代的意義。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這一次是鳳凰計劃的第一階段測試,主要的構想是使用太空機器手,組裝稱為「衛星模組(satlets)」的模組化零件。每個零件重約 6.8 公斤(15 磅),分別是主要的衛星次系統,例如電源,控制器和傳感器等等。一旦任務所需,能夠快速的反應,將所需要的次系統運送到太空軌道,快速提供零組件,用以佈署和維修損壞的衛星。

 

同一個火箭就有帶有這麼多不同任務的衛星,這代表太空還有許多新領域等著我們去探索!除了去了解和認識其他國家有什麼創意思考外,我們也可以想想台灣要如何在這場激烈的國際太空競賽中出奇致勝!

文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 120 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

9
0

文字

分享

0
9
0
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

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1124 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。