以 GPS 測知氣象資料,未來颱風假提早預報?來認識福衛七號獨特的「掩星觀測技術」

6 月 25 日六顆福爾摩沙衛星七號將搭乘 SpaceX 獵鷹重型火箭,前往太空接替老兵福衛三號,成為「太空中精準溫度計2.0」,提供即時、可靠的氣象觀測資料。

國家太空中心推估福七可提升氣象預報準度 10%,這個 10% 聽起來好像還好,實際上卻能為災害防範爭取許多時間。以颱風預報來說,提升 10% 等於是將原本三天後颱風預報,往前推 7.2 小時的精準度,也就是在颱風尚未接近陸地前,就能比原先更早預測它接近的影響狀況。假若氣象預報準確度提高,颱風假或許能提早確定呢~(敲碗!)

福七在太空中心整測廠房內,完成振動、熱真空測試、電磁相容等許多測試後,準備前往美國。圖/太空中心提供

全世界對福七會如此有信心,主要是因為福三對數值氣象預報的貢獻。2012 年著名氣象機構歐洲中期預報中心就指出,福三在減少天氣預報誤差的貢獻度是全球前五,台灣許多研究也指出,福三改善了豪雨預報與颱風路徑預報的準度。

使用福衛三號資料的尼伯特颱風預報路徑(REF綠色和BND粉色線),和實際路徑(BEST黑色線)的誤差明顯較小。(圖片提供/太空中心

GPS不只可以導航,福衛七號還靠它收集氣象資料

「掩星觀測技術」扮演超級重要角色,而 GPS 全球衛星定位系統在這之中可是幫了大忙。

沒錯!就是你開 google 地圖會協助導航的 GPS。我們常接觸的是美國 GPS 系統,目前有 31 顆衛星在兩萬公里高空軌道上繞行地球,當地面訊號站能同時接觸到四顆以上衛星訊號時,便能以三角測量原理協助定位。

而福七正是靠著 GPS 來達成掩星觀測,得到氣象資料的喔!福三計畫主持人、福七計畫副主持人方振洲博士表示,常見的氣象觀測,都是垂直觀測大氣狀況。探空氣球是搭載儀器升空測量,地球同步氣象衛星則靠著感應地表、陸地與海洋所反射的電磁波能量,計算處理後得到衛星雲圖。

但是福七的掩星觀測技術不同,它並不是直接量測大氣層資料,而是靠著它的主要酬載儀器「全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),橫向接收 GPS 衛星穿入和穿出大氣層所產生的電磁波訊號。電磁波在穿越不同濕度、溫度、壓力的大氣環境時,會產生偏折,藉由觀測訊號轉向、減弱或變慢,便能反推大氣層中濕度、壓力與溫度對訊號的影響,得到氣象數值預報所需的資料。

福三利用 GPS 無線電波掩星量測原理,利用福三所接收的 GPS 訊號折射角度變化,推演相對應的大氣溫度、氣壓和水氣以及電離層電子密度的垂直分佈。圖/太空中心提供

福七最後所接收到的,是經過無數偏折後的訊號,因此若要回推影響某一點的溫度,則必須像剝洋蔥般,由電離層一層層剖析到大氣層,運用大氣密度隨高度上升變小、電磁波訊號折射角變小的原理,根據每一層溫度和折射角變化,慢慢推算出那點的資料。

全世界的定位系統有四種,包括:美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 Galileo 和中國北斗。福七 TGRS 能同時接收美國 GPS 和俄羅斯 GLONASS 兩系統共 55 顆定位衛星的訊號,比福三僅能接收單一系統的資料量多,每天可提供 4000 筆掩星觀測資料。再加上福七是在南北緯 50 度間軌道繞行,以台灣、赤道與低緯度颱風盛行區的觀測為主,不像福三以高緯度軌道全球繞行。因此福七觀測資料密集度更高、資料量更大,必能提升氣象預報的準確度。

除了TGRS外,其他兩個酬載在做什麼呢?

兩片圓圓太陽板的福三小巧可愛僅 62 公斤,相較之下,福七掛著像魚尾般的太陽能板,則像隻巨無霸鯨魚有 300 公斤。福七比起福三多了備份系統,身上酬載儀器也更先進。

福七除了搭載掩星觀測的 TGRS外,還背了 IVM(離子速度儀)與 RFB(無線電射頻信標儀),兩者都是校正 GPS 訊號與輔佐掩星觀測的重要儀器!

因為 GPS 衛星位在兩萬多公尺的高空,它的訊號會穿過大氣層、電離層傳給福七,而電離層會干擾訊號傳送,因此需要透過 IVM 量測電離層離子速度與密度,根據相關數值校正通過電離層的 GPS 訊號。

RFB 是藉由福七發射三種無線電頻段(UHF/L /S + P)至地面站,來量測電離層閃爍,並判定電離層電子密度差異,以便校正 GPS 訊號穿過電離層的誤差。

掌握電離層結構,除了提高 GPS 訊號的精準度、提升掩星觀測的品質,電離層變化也影響太空氣象與電信通訊,近來也有不少研究也在討論電離層變化與地震發生的相關性。福七將繼福三後,成為全球電離層觀測資料的貢獻者

太空中最精準「溫度計」

為什麼福七被稱為太空中最精準「溫度計」,而不是氣象預報員呢?

太空中心整合測試組組長陳維鈞表示,衛星不能做氣象預報,只能提供觀測資料給氣象局做預測。福七能測得氣象預報所需的重要資料,包括:溫度、濕度與壓力,而它所測得的溫度是不需要以標準溫度去校正的,因此擁有「最精準溫度計」的稱號。

由於福七無法測得風向資料,所以太空中心打造自主研發衛星「獵風者」,最快 2020 年底、2021 年初升空。「獵風者的測量方式更玄!」它是接收海洋所反射的 GPS 訊號,靠著量測海浪速度和高度,來推算海上的風向與風速。屆時獵風者號可攜手福七,提供全球更多氣象預報所需的資料。

獵風者號構型圖。圖/太空中心提供獵風者號構型圖。圖/太空中心提供

因緣際會,成為「掩星技術」的專家

「福三在的那幾年,真的是台灣氣象預報最準的時候!」方振洲談到福三就於有榮焉,福三可說是全球第一批成功以「無線電掩星技術」來觀測氣象的衛星星系,服役十多年後將要榮退,由福七接手任務。

方振洲說道,無線電掩星觀測很早就有了,像是 NASA 的行星任務,就是用無線電訊號變化,回推行星氣體的資料,美國大學大氣研究聯盟(UCAR)便想將這個技術運用在氣象觀測上。那時無線電掩星技術並不是主流的氣象觀測方式,也沒什麼人相信它會成功,當 UCAR 去找 NASA 時,NASA 說「這是爛計畫!」後來 UCAR 找了台灣當合作夥伴,台灣就開始跟美國優秀科學家合作,打造福衛三號。

「沒想到,福三升空八個月觀測資料就被歐洲中期預報中心納入預報系統,後來美國也納入。」福三證實無線電掩星氣象觀測是可行的。

從 2006 年福三到 2019 年福七計畫,台灣已累積近 15 年的研究能量與衛星操控經驗,陳維鈞表示,這是今日台灣能處在世界領先地位的原因。十多年前,台灣需要倚賴國外系統來操控福三;但到了福七時,台灣已使用自行研發的衛星操控中心,甚至將技術輸出到泰國,協助他們建操控中心。

太空中心衛星操控中心。圖/太空中心提供

福三與福七都是台美合作計畫,美國主要提供酬載儀器,台灣強項則在軟硬體系統整合與衛星操控。福三到福七不僅是觀測精準度提升,即時處理資料能力的速度加快,台灣太空計畫團隊也跟著精進。

未來十年:一年一衛星!

福七是繼福一、福二、福三與福五後第五顆台灣研發的衛星,台灣自 1992 年開始投入太空計畫,至今也不過 26 年多的光景,在遙測衛星與氣象掩星衛星都有卓越成就。下一步台灣將以帶動國內太空產業鏈為目標,朝「一年一衛星」邁進。

不過,你或許會納悶光學遙測衛星福二 2004 年發射至 2016 年除役,執勤 12 年才由福五接替,福三 2006 年升空至今仍等待福七交班,台灣衛星普遍工作到最後一刻,才有另一批衛星接替,因此科技部部長陳良基說「未來十年,每年發射一顆衛星」會不會太好高騖遠呢?

國家研究院院長王永和坦言「國家太空中心只有 200 人,要做到這樣的計畫很辛苦!」過往許多衛星關鍵零組件,台灣都要自行開發,雖然提升了太空發展的難度,但也給予挑戰的機會。太空中心原則上已規劃十顆衛星,有八枚類似福五的光學遙測衛星,兩枚合成孔徑雷達衛星。合成孔徑雷達衛星能夠做環境和災害預測,在取像上不受天候影響。

國家太空中心副主任余憲政表示,明年初預計有顆 1.5 U(15cm x 15cm x 15cm)小型實驗立方衛星升空,執行船隻和飛機的定位,而立方衛星也是太空中心想發展的項目之一,因此未來每年可能不只有一顆,可能一年有兩顆以上喔!

2019 年太空三期計畫實施,搭配一年一衛星的願景,將帶動國內太空產業。以福五為例,福五是台灣完全自主研發的衛星開端,從投入經費比例來看,它的自主元件比例為 70-75%,而預計在 2021 發射的獵風者衛星更「台」,自主元件比例高達 87%。密集衛星計畫提高太空元件自製率,有助於本土電機與電子業跨足太空領域,並創造更多國際合作機會,讓世界看到台灣的實力。

  • 註解:福衛三號星系中多數的衛星目前已無法傳送資訊予地面站了。

想了解更多有關福爾摩沙衛星的各種小知識嗎?請見下篇:關於福衛七號的幾個問與答


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Suzuki

超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。

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