天氣預報再創新準度?福衛七號再造太空精準溫度計

文/林俊良│國家太空中心主任與成大航太所博士。曾任助研員、講座教授、系主任、產學營運中心主任及副校長。
方振洲/國家太空中心福爾摩沙七號星系計畫系工經理、系統工程組研究員及國立交通大學光電工程研究所博士。

過去,國家太空中心發射的福爾摩沙衛星三號,曾在 2009 年莫拉克風災前預測其超高降雨量,也準確預測 2012 年侵襲美國的珊迪颶風 (Hurricane Sandy) 的路徑,並協助美國政府進行緊急疏散。

如今,福衛三號計畫的資料已免費公開給超過88個國家近4000個單位使用。而福爾摩沙衛星七號,也於今 (2019) 年成功發射,將擴大改善全球的劇烈天氣預測準確度,成為福衛三號後「2.0 版」的太空溫度計。

發射升空!—臺灣太空新里程

上 (6) 月 25 日,於臺灣時間下午 2 點 30 分,搭載 6 枚褔衛七號的美國 SpaceX 獵鷹重型火箭 (Falcon Heavy) ,偕同此次美國空軍的其他 18 枚衛星,順利於美國甘迺迪太空中心 (Kennedy Space Center, KSC) 發射升空。

發射後 91 分鐘,國家太空中心獲得由獵鷹重型火箭所傳回衛星與火箭分離時刻的狀態向量,隨即進行軌道計算,為後續地面站追蹤衛星的依據,同時將結果傳至位於澳洲的達爾文 (Darwin) 海外站及其他地面站,接收衛星資料。

發射後 165 分鐘,中心先與其中 2 枚成功通聯,後續再與其中的 3 枚完成通聯。最後,於當天臺灣時間下午 8 點 48 分於臺南的歸仁衛星信號接收站聯繫上最後 1 枚。

至此,6 枚衛星全部與地面完成通聯,並停留在離地表約 720 公里的同一個暫駐軌道上,確定第一階段任務成功。

福爾摩沙衛星七號模型。圖/維基百科

褔衛七號計畫是怎麼誕生的呢?

褔衛七號計畫為臺美大型科技合作計畫,雙方於 2010 年完成合作協議簽署,執行單位為臺灣國家實驗研究院國家太空中心 (National Space Organization, NSPO) 與美國商業部國家海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 。

褔衛七號的任務目標,是由高度 520~550 公里、24 度傾角的軌道上部署的 6 枚衛星組成的星系,建立高可靠度的氣象衛星系統,每日提供南北緯 50 度間約 4000 筆的掩星資料,大幅幫助天氣預報、劇烈天氣預報準確度及電離層太空天氣監測。

福衛七號所肩負的使命

福衛七號的 6 枚衛星,每枚皆裝載全球衛星導航系統無線電訊號接收器 (TriG GNSS Radio occultation System, TGRS) 的主酬載,該儀器可接收全球定位系統 (GPS) 和全球導航衛星系統 (GLONASS) 的無線電掩星 (radio occultation) 信號。

透過掩星訊號接收天線接收訊號,再利用阿貝爾轉換公式 (Abel transformation) 算出折射率,因大氣壓力及溫度與折射率有關,故由該折射率可進一步轉化成氣象預報使用的大氣觀測數值。

一般而言,天氣預報所涵蓋的大氣範圍為對流層,當折射角度越大,代表氣體密度越高,而氣體密度與溫度、溼度和壓力亦有關,後續資料經地面處理和校正後,可推算大氣層及電離層垂直分布結構的詳細資訊。

由於此次任務是 24 度傾角的圓形軌道,收集的資料集中於南北緯 50 度範圍內,有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。

福衛七號有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。圖/Gunter’s Space Page

另外,福衛七號也攜帶 2 個科學酬載儀器,分別是離子速度儀 (ion velocity meter, IVM) 及無線電射頻信標儀 (radio frequency beacon, RFB),前者可量測電離層的離子密度、速度、溫度與行進角度,評估太空天氣對太空船和通信的影響;後者則可透過地面站接收該射頻信標儀的閃爍訊號,進而獲得區域性電離層異常區的分布。

看看我的發射載具,已經變得這麼厲害了

福衛七號外型為長方體,於單側裝載太陽能板,燃料加注後總重約為 300 公斤,衛星採用鋰離子電池,通訊頻段為 S 頻段,衛星本體裝置 GPS 接收儀以進行導航,設計壽命是 5 年。

而伴隨福衛七號搭載的衛星分屬 15 個計畫,總共 24 枚衛星。全部衛星總重 3.7 公噸,其中福衛七號總重 1.8 公噸,為主要的任務衛星。

發射載具方面, SpaceX 公司所研發製造的獵鷹重型運載火箭,由1枚強化後的獵鷹 9 號為主推進核心,外加 2 枚側掛的側推力器。

除了第一節火箭外皆可回收重複使用,本次發射採用的獵鷹重型運載火箭側推力器,為前次任務所回收的通信衛星再重新填注燃料組合而成。另外,這次採用回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。

回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。圖/Joel Kowsky@NASA

別再說天氣預報不准啦!

為了得到均勻分布的觀測資料,各枚衛星設計在 520~550 公里高的 6 個任務軌道執行任務,該操作將在發射後所有衛星完成本體和酬載的健康檢查後陸續進行。

預計在發射後的 19 個月完成星系部署,衛星本身不做軌道轉換時仍會協同暫駐軌道上的其他衛星持續對經過的區域進行氣象觀測。

操控方面,褔衛七號計畫包含衛星發射及初期軌道操作、任務軌道部署控制、在軌任務操作及海外支援地面站指令資料傳輸等。

操控系統包括位於太空中心的衛星操控中心、國內外網路系統及美國所部署於夏威夷等 10 個海外地面站,綿密的網絡系統可在平均 30~45 分鐘內,取得大氣層垂直分布結構的最新觀測資料。包含溫度、濕度、降雨率、太陽活動程度、太陽黑子數、行星際磁場和太陽風密度、太陽風風速及預估地磁對臺灣地區擾動等。

此外,福衛七號所提供的資訊將與其他訊息提供管道進行資料同化 (data assimilation) ,透過數學模型擬合大量的觀測數據,以提供最後的氣象預報結果,未來天氣預報精準度將可提高約 10%。

也許在天氣預報精準度提高10%的未來,我們比較不會遇到被天氣預報騙得淋雨的情況了吧。圖/Genaro Servín@Pexels

福衛七號的資料應用,中央氣象局結合學界建立本地掩星資料應用系統,落實氣象數值模式的應用效益,提升劇烈天氣的預報能力、降低災害預警的不確定性。

舉例而言,將掩星資料與既有觀測資料同化後,對 2009 年莫拉克颱風的歷史資料進行模擬分析,發現颱風行進預測路徑非常接近實際颱風行進路線,顯見掩星技術具體實現後的效果。

福衛七號若成功,氣象資料多更多

目前, 6 枚福衛七號衛星已與臺灣地面站成功通聯,規劃在發射後 1 個月內完成衛星全部功能測試,接著開始衛星軌道調整,由 720 公里的暫駐高度,逐漸下降至 550 公里,每枚衛星包含酬載資料校正需時約 108 天。

此時衛星即可接收全球定位衛星的資料,分析大氣層垂直結構的溫度、氣壓、濕度及電子密度等。

隨後進行資料校正與比對驗證,預計發射後第 7 個月可提供全球氣象界使用大氣量測資料及產品;而發射後第 16 個月則可提供全球氣象界使用福衛七號的電離層量測資料及產品;第 19 個月,6 枚衛星將全部部署到高度 550 公里的任務軌道,自此可提供中低緯度均勻分布的掩星觀測資料,該衛星系任務便正式開展。


 

本文摘自《科學月刊 08 月號/2019 第 596 期:仿物種智慧》科學月刊社出版


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