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福衛三號十歲生日快樂 老衛星和團隊的奮鬥故事

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福衛三號衛星與發射火箭。圖/國研院太空中心新聞稿

今天(2016.4.15)是福爾摩沙衛星三號(福衛三號)的 10 歲生日,這個由 6 顆微衛星組成的「氣象資料蒐集員」,10 年來勤奮的繞著地球量測全球的溫度、壓力、水氣等資料,成為氣象預報的重要資料來源。這豐富的資料庫還幫我們做了不少「國民外交」,全球氣象資料效益評比,雖然不是南波萬,但也已經是 Top 5。

如果直接說福衛三號是氣象衛星,對於它的功用,你可能第一個想法是:「就是氣象預報的衛星雲圖齁!」恭喜你……答錯了!福衛三號並不像是一個照相機,可以拍到一個颱風跑過來的畫面,若是打開它的資料庫,你可能只能看到一堆枯燥的數字。這些數字其實是福衛三號測量到的溫度、壓力、水氣等資料,我們所看到氣象預報的圖,是氣象學者透過分析這些數據去畫出來的。

福衛三號團隊中的任務科學家蕭俊傑說,福衛三號最大的貢獻就是我們一次發射六顆微衛星,形成一個衛星星系(Constellation)覆蓋整個地球,每一顆衛星在繞地球的過程中就能不斷收集全球各地的資料。目前已有超過 80 個國家,3000 多個科學家或氣象單位在使用福衛三號的資料庫,「這相當於替台灣做了十年的國民外交」,蕭俊傑說。

可是,福衛三號位於 800 公里的高度,怎麼量測到地球的氣象資料?其實,它是透過「掩星觀測技術」來蒐集這些資訊。簡單來說,兩顆衛星原本因為地球的阻隔看不到彼此,但卻收到了對方所傳來,原本應該直線前進的電磁波訊號,這表示電磁波經過了偏折,才得以轉變方向,到達另一個衛星的位置。電磁波的偏折,是因為電磁波由太空無介質的狀態,進入充滿介質的大氣層所造成的。(就像我們看到插入水杯中的筷子好像折斷了,事實上只是光線從空氣進入水中的折射現象。)

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掩星觀測技術。動畫/福衛三號科普教育探索網站

福衛三號衛星蒐集的訊號來自於原本就圍繞在地球外的GPS 衛星,這些 GPS 衛星的無線電訊號通過地球大氣層時産生折射,再被福衛三號的天線所接收。福衛三號就能根據收到的訊號,回推無線電經過地點的溫度、壓力和水氣等資訊。 福衛三號繞著軌道運行的過程中,可以接收到不同顆 GPS 衛星的訊號,在福衛三號最好的狀態下,每天大概可以收到超過 2500 筆資料(目前已經老化,沒辦法收這麼多筆資料了!)。

以往用掩星觀測技術接收的天氣資料大多停留在研究層面,但是台灣卻將整個氣象衛星星系建立起來,並且將這些資料公開給全球免費使用。

衛星發射不能射後不理 光讓 6 衛星就定位就花超過一年

福衛三號的六顆衛星由同一支火箭載上太空,這並不稀奇,但接下來這六顆衛星將如何平均分佈,才能收到全球的資料?

蕭俊傑說,當衛星和火箭在太空脫離的時候,衛星會以火箭當時的速度繼續往前飛行,受地球引力的影響繞著地球作圓周運動。這時六個衛星會在同一個軌道面上排排站,但這種站法,所有衛星接收到的都是同一個軌道面的資料。依照規劃,它們六個必須平均分配到地球的六個軌道面。看來發射成功後,太空中心團隊不能只是擁抱歡呼,還得花一年多的時間讓這六個衛星各就各位。

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福衛三號軌道示意圖。圖/TACC

火箭發射後將福衛三號帶到 550 公里左右,人造衛星在這個高度開始作圓周運動。但是由於地球並非正球形,地心引力不是剛剛好指向球心,就會造成繞地球軌道運行的衛星產生偏移。在 550 公里的福衛三號,軌道面每天會偏2.3度,這給了團隊一個機會將六顆衛星分開。

當衛星飛得越高,受到地心引力造成軌道面偏轉的現象會越小。當福衛三號飛在 800 公里的高度時,每天偏轉的角度就只剩 2 度。蕭俊傑說,運用這 0.3 度的差距,我們只要將六顆衛星中的一顆移到 800 公里高度,90 天過後這兩個不同高度的衛星運行的軌道面就差不多相差 30 度。也就是說,科學家每 3 個月移動一次衛星的高度,要經過 15 個月的時間才可以將六顆衛星安置好,讓他們可以包圍整個地球。

這概念聽起來很簡單,好像只要時間到開一下衛星的引擎,讓它飛到達定點再停下來就好。這你就大錯特錯了!「550 公里飛到 800公里,說得簡單,但其實很難。」蕭俊傑說,福衛三號是藉由噴氣來讓自己往上升,但衛星一噴氣很容易翻覆,因此每次往上飛一下就需要趕緊檢查衛星的「姿態」,是否偏離或翻覆,如果有這些狀況就需要進行調整。

這些調整並不是隨時都可以執行。在地球的操控團隊,只能在衛星經過接收站時才能和衛星聯繫,並且交代衛星接下來要進行的任務。福衛三號環繞地球的方式為通過南北極的「繞極衛星」,每次環繞的週期大約為103分鐘,經過接收站的時間差不多只有 10 分鐘,因此團隊得抓緊時間好好把握這寶貴的「通話時間」。(怎麼好像在等著打電話的阿兵哥~)

當太空中心每次操控這個「佈軌任務」可以說是如臨大敵,希望確保衛星們都可以順利、準時到達 800 公里的高度。蕭俊傑說,這段時間團隊需要24小時輪班不斷監控,要在衛星接觸接收站前 20 分鐘集合,接收訊號 10 分鐘,結束後還得需要針對問題討論。推一顆衛星上 800 公里要花多久的時間?蕭俊傑說,如果衛星不聽話,花上好幾天都有可能,就要看情況順不順利,而累壞了但又不敢鬆懈的團隊們,則是抓緊時間在中間空檔小歇一會,準備下一輪的衛星通訊。

在佈軌任務的過程也是有一些沒那麼完美之處,其中一顆衛星就沒有順利到 800 公里,僅達到 700 多公里的高度。雖然如此,但也不太影響福衛三號六顆衛星全球包覆的計畫。

為什麼要讓遠在天邊的衛星,告訴我們地面天氣狀況?

但為什麼我們需要六個遠在800公里外的衛星,來告訴我們地球的溫度、壓力、水氣,地面量測不是比較準嗎?我們一般拿溫度計量測室溫,頂多就是知道這個空間內的溫度。但對於福衛三號所測到的一筆訊號,其實是從地面到 40 公里之間每 100 公尺的溫度、壓力和水氣資料,這就是在地表量測所沒有辦法做到的。此外,地球許多地區沒有人居住,如太平洋等海洋中央、極區等,我們也不可能特別到這些地區設很多氣象站,也使得這部分的天氣資料總是比較少。但透過福衛三號的資料,我們就能彌補這部分的缺漏。

福衛三號的資料對於我們最最直接的幫助,就是中央氣象局能夠根據這些資料進行每天的天氣預報。即使福衛三號是太空中心所進行操控,但是它儲存氣象資料的主機卻不設在太空中心,而是在中央氣象局,就是為了要讓氣象預報員能更迅速獲取到最新的資訊。

福衛三號老了  年輕壯丁七號將接棒氣象任務

經過十年,福衛三號逐漸老化,目前六顆衛星只剩下五顆還有固定在和地面接收站聯繫,接收到的資料量也下降。太空中心的團隊會這樣坐視不管嗎?當然沒有。太空中心目前也已經在準備福衛七號,即將接替福衛三號的任務,繼續收集全球的天氣資料。

福衛七號當然也不只是新的福衛三號,它也希望可以能提供更多的氣象資料。

前面我們說到福衛三號是「繞極衛星」,不管是哪一顆都會經過南北極,這樣得繞行方式也使衛星在靠近極區、高緯度地區蒐集到的資料點較多。而台灣偏偏就是處於低緯度,這樣的氣象資訊蒐集其實對於我們自己較不優,但要怎麼改善呢?

福衛七號這次預計要組成 13 顆衛星的星系,有 7 顆仍像三號一樣繞南北極,但有另外 6 顆將以「低傾角」的方式運行,也就是這些衛星將不再經過南北極,而是比較偏向繞行赤道的較低角度繞行,藉此也就能增加中低緯度的資料蒐集。蕭俊傑說,以往三號的接收站主要是在北極,但當這新的低傾角運行的衛星不再經過北極,就得尋找新的接受站。不只如此,這樣的運行模式將會是「地球也在轉,衛星也在轉」,接收訊號的地點不再只是北極,時間也不再是固定的每 103 分鐘一次,這會造成地表的操作團隊「時間表大亂」啊!

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福衛七號 6 顆低傾角衛星軌道示意圖。圖/國研院太空中心

福衛三號發射滿 10 周年,原先只預期它執行 5 年的任務,現在已經整整增加了一倍的時間。在祝它生日快樂之餘,也感謝這一組衛星讓台灣對於全球氣象有相當大的貢獻。現在距離福衛七號升空,並且完成佈軌還有一段時間,請福衛三號與太空中心團隊再繼續加油囉!

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趙軒翎

趙軒翎

泛科學內容編輯 J 編|在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。