揭露地表真面目-LiDAR空載光達

為什麼無人機飛得起來？

不管是載人的直升機，還是無人機，飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉，使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低，就會有一股拉力將螺旋槳往上拉（升力，將物體垂直向上拉升的力量），如此一來便能讓機體上升。

再來，同時使用多個螺旋槳，並分別調整各螺旋槳的轉速，就可以讓無人機自由上升 / 下降、前進 / 後退、左 / 右移動。事實上，仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳，會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。

想讓無人機前進時，會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣，會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降，就可以讓那一側的機體下傾，往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉，則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

無人機的運動機制

無人機需靠轉子（馬達）轉動螺旋槳才能移動。大疆 Phantom 系列的多軸無人機所搭載的馬達，是所謂的無刷馬達（brushless motor）。

無刷馬達顧名思義，就是沒有電刷的馬達。相對的，學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉，使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉，可以減輕維護的負擔。而且，無刷馬達可以透過名為 Hall IC 的磁場感應器持續監測馬達狀態，故可穩定控制其速度，當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況，可以馬上停止馬達運作，並發出警告訊號，以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩（flat torque）、高功率等優點。

另外，將訊號送至轉子的零件叫做 ESC（Electric Speed Controller）。也可以說，ESC 就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上，無人機搭載的 ESC 數量會與轉子數量相同。

ESC 的輸出端有三條電線，電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同，ESC 會輸出不同方向、不同大小的電流，使轉子能夠持續旋轉。也就是說，無刷馬達中的 ESC，扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。

相對的，ESC 的輸入端也有三條電線，分別是連接到電源正負極的電源線，以及從 FC（Flight Controller）接收訊號的訊號線。其中，FC 會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS 等裝置的資訊，以控制機體的行動。

無人機的感應器

• 陀螺儀感應器與加速度感應器

陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度，是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的，與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器，則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合，可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量，並控制機體往傾斜方向的反方向拉回，保持機體平衡，懸停於空中。簡單來說，陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

• 氣壓感應器與超音波感應器

高度越高時，氣壓感應器會測到越低的氣壓，故無人機可參考氣壓數字，以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓，要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化，就有可能會失去功能。

超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時，如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊，就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器，在地表附近使用超音波感應器，兩種感應器的組合搭配，便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

• 磁場方位感應器與 IMU

磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤，可感應地球的磁場（地磁），藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過，地磁的北邊（磁北）與地圖的北邊有一定差異，即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同，磁偏角也不大一樣。舉例來說，札幌的磁北比地圖北邊往西偏了 9°，那霸卻只偏了 5°（參考自日本國土地理院網站）。因此，若換一個地方飛無人機，就需進行「羅盤校正」，重新確認磁場感應器所指示的北方，與實際北方間的差異。

• IMU

GPS 是全球衛星導航系統（GNSS：Global Navigation Satellite System）的一種，是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣，無人機可接收 GPS 的電波，藉此判斷自身所在位置，並設定好飛行路線的經緯度自動飛行，或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」，用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過，就像汽車在進入隧道後，導航系統會失效一樣，無人機使用 GPS 時也有可能會突然收不到訊號。因此，為了維持無人機的安全飛航，操控者需隨時注意 GPS 電波的接收狀況。

另外，包括 Phantom 在內的某些多軸無人機，不僅會接收 GPS 訊號，也會同時接收俄羅斯衛星系統 GLONASS 的訊號，偵測機體本身的位置。

這些控制機體姿態的感應器通稱為 IMU（慣性測量單元：Inertial Measurement Unit）。

當出現「IMU 錯誤訊息」「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況，就需進行「IMU 校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前，一定要進行 IMU 校正的習慣。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

2019 年 6 月 25 日，福爾摩沙衛星七號（簡稱福衛七號）在國人的引頸期盼下升空。一年多來（編按：以原文文章發佈時間計算），儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道，但已經回傳許多資料，這些資料對於天氣預報的精進，帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題，就是福衛七號傳回的資料，對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻，得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星，軌道高度 700~800 公里，以 72 度的傾角繞著地球運轉（繞行軌道與赤道夾角為 72 度）。這些衛星提供氣象資訊的方式，是接收更高軌道（約 20,200 公里）的 GPS 衛星所放出的電波，這些電波在行進到氣象衛星的路程中，會從太空進入大氣，並產生偏折，再由氣象衛星接收。換句話說，氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的，而是因為大氣的折射，產生了偏折，藉由偏折角可推得大氣資訊。

氣象衛星會一邊移動，一邊持續接收電波，直到接收不到為止，在這段過程中，電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣，逐漸變為最底層、最接近地面的大氣，科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角，通過計算回推出折射率，而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ，因此可再藉由每個高度的大氣折射率，得出溫濕度垂直分布，這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料，可以納入數值預報模式，進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時，必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式，可以模擬任何一個位置的氣塊的運動，但是因為大氣環境非常複雜，模擬時不可能納入全部的動力條件，因此模擬結果不一定正確。而另一方面，掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊，楊舒芝形容：「觀測就像拿著照相機拍照，不管什麼動力方程式，拍到什麼就是什麼。」但是，觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置，我們才會有觀測資料。

所以，我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料，另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者，找到一個最具代表性的大氣初始分析場，再以這個分析場為起點，去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係，因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時，帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響，做了許多模擬與研究，發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑，以及豪大雨的降雨區域及雨量等，納入福衛三號的掩星觀測資料，都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明，由於颱風都是在海面上生成的，而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料，相較於一般位於陸地上的觀測站，更能夠取得海上大氣資料，因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面，這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境，例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確，那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究，加入福衛三號的掩星觀測資料，平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里，相當於改進了 5％。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊，還需要風場資訊的協助，楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例，一般來說豪大雨都發生在山區，但這次的豪大雨卻集中在海岸邊，而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式，楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休，福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星，不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉，取得的資料點分布比較均勻，高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下，福衛七號的傾角只有 24 度，它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間，對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說，密集度更高；加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星，還增加了俄國的 GLONASS 衛星，這些因素使得在低緯度地區，福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍，每天可達 4,000 筆。

另一方面，福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進，可以獲得更低層的大氣資料，而因為水氣主要都集中在低層，所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號，其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化，而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時，最直接觀測到的數據，相較之下，折射率是計算出來的，就像加工過的產品，一定有誤差。因此，近來各國學者在做數值模擬時，愈來愈多都是直接納入偏折角，而不採用折射率。黃清勇解釋：「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度，也會增加運算所需的時間，而預報又是得追著時間跑的工作，因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步，因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道，不過這一年多來的掩星觀測資料，已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報，準確度提升了 4~10％；陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例，成功地利用福衛七號的掩星觀測資料，模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號，還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星，預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波，然後推估風速。可以想見，一旦有了獵風者的加入，我們對大氣環境的掌握度勢必更好，對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧！

• 作者／林彥興｜清大理學院學士班，努力在陰溝中仰望繁星 

在談完了韋伯太空望遠鏡（JWST）的源起、技術與運行軌道之後，本系列的終章就帶大家一起來了解，天文學家花費上百億美金之後，究竟希望韋伯能為哪些領域帶來突破？

追尋起源：早期宇宙與星系演化

月亮距離我們大概 380,000 公里，光需要花費 1.3 秒左右才能到達地球，因此我們看到的月亮，是 1.3 秒以前的月亮；同理，我們看到的太陽，是 500 秒以前的太陽；我們看到的仙女座星系，是 250 萬年前的仙女座星系。在宇宙中，我們看得越遠，看到的東西就越古老。某種意義上，望遠鏡就像是一座時光機，可以讓我們一窺宇宙從誕生到現在的演化歷程。

在 1995 年，一組天文學家申請哈伯太空望遠鏡進行一次瘋狂的觀測。他們選擇將哈伯太空望遠鏡對準天空中一片看似什麼都沒有的區域，接連進行了 140 個小時的曝光。他們得到的影像，日後成為天文史上最重要的照片之一，其名為：哈伯深空（Hubble Deep Field）。

天文學家們驚訝的發現，這片看似空無一物的區域，其實充滿了數以千計遙遠、古老且黯淡的星系。比起銀河系這種中老年星系，哈伯深空中拍到的許多星系才形成不久，相當的年輕有活力。瘋狂誕生恆星的星系，與現在宇宙中的星系相當不同，非常有趣。望遠鏡就好像時光機一樣，帶我們一窺宇宙過去 130 多億年的演化歷史，而哈伯深空影像，正因此成為早期宇宙與星系演化研究的一個重要里程碑。

然而，當哈伯想要往更遙遠、更古老的宇宙望去的時候，就漸漸顯得力不從心了。原因是典型的星系發出的光主要以可見光為主，但是這些古老星系發出的可見光，在前往地球的過程中，會隨著宇宙的膨脹而發生紅移。越是遙遠的星系，紅移的情況就越嚴重。因此對於非常遙遠的星系來說，它們發出的可見光到達地球時，就已經被宇宙紅移拉到紅外線波段了。因此，只能觀測紫外線到近紅外的哈伯，就很難看到它們。

這時，就是韋伯出場的時候了。專司紅外線波段的韋伯，將能夠幫助天文學家看見宇宙中第一批恆星與星系的形成，以及這些恆星與星系如何與它們周遭的環境互動。

在宇宙學方面，JWST 將能讓宇宙學家深入探索宇宙「再游離（Reionization）」的過程。這是當前早期宇宙研究最重要的課題之一。大霹靂後 38 萬年，宇宙中的氫是以原子（稱為中性氫）的方式存在，然而在當今的宇宙中，多數的氫都是以游離態存在的。天文學家猜測，是宇宙中第一批形成的星系與黑洞發出的強烈輻射，游離了宇宙中的中性氫，才使得宇宙中多數物質的狀態發生了這樣的改變。但是再游離的過程究竟如何發生，現在無論是觀測還是理論都還無法給出統一的答案，仍待 JWST 等新一代望遠鏡的進一步探索。除此之外，就像前文所述，JWST 將能讓我們看到哈伯太空望遠鏡所見更古老的星系，這些仍在襁褓中的星系長有甚麼特色？又是怎麼演化成為我們在現在的宇宙中所看到的星系？這些也是 JWST 將幫助天文學家回答的問題。

恆星搖籃：看穿恆星形成區

恆星是天文物理最古老的研究對象之一。數十年來，天文學家對於恆星的類型、內部結構、演化歷程都有相當詳細的了解。然而，星際間瀰漫的雲氣究竟是如何聚集成一顆一顆的恆星，以及其周圍的行星系統，卻還有很多不清楚的地方。

典型的觀點認為，恆星誕生於巨大分子雲（GMC）之中。當分子雲中的氣體在重力的影響下逐漸聚集，就會形成紊亂而複雜的纖維狀（filament）的結構。

而在這些結構的高密度區域，隨著溫度、壓力與密度不斷提高，最終會點燃核融合反應，形成一顆顆的恆星。雖然大致的圖像有了，但是這整個過程不僅橫跨巨大的時間與空間尺度，更牽涉到磁流體力學、輻射、化學反應鏈等一系列複雜的物理與化學過程，因此上述的許多細節，仍是天文學家們努力研究的題目。

然而，由於這些恆星的形成區，往往被濃密的氣體與塵埃所包圍，因此當天文學家使用可見光觀測時，往往只能看到黑壓壓一片，難以窺探雲氣神秘的核心之中，恆星究竟是怎麼演化的。此時，紅外線的優勢再次展現。由於波長較長，紅外線比可見光和紫外線，更能夠穿過層層的星際雲氣而不被吸收，因此可以幫助天文學家直擊初生恆星的核心區域。

除了恆星本身之外，恆星形成時環繞在其周遭的「原恆星盤（Protoplanetary disk）」也是行星誕生的溫床。利用 ALMA 等次毫米波（介於遠紅外線到無線電波之間）望遠鏡，天文學家發現許多初生的恆星系統旁，都圍繞著濃密的氣體與塵埃盤。不僅如此，它們還發現這些盤面上，常有許多大小不一的間隙（gap），很可能就是來自正在形成中的行星。在少數的系統中，天文學家甚至能夠直接拍攝到這些正在襁褓中的系外行星們。而 JWST 在紅外波段的觀測，將能夠讓天文學家更進一步了解這些行星（尤其是靠近恆星的類地行星們）的形成。

外星世界：凝視太陽系與系外行星

「我們在宇宙中是孤獨的嗎？」

這個問題雖然至今仍沒有答案，但過去 25 年，天文學家對外星世界的認識已經有了巨大的進展。曾經，系外行星是只存在於假想中的天體；但現在，天文學家已經發現了超過 4,000 顆，隨著資料的不斷更新（主要歸功於 TESS 衛星的努力），這個數量還會持續上漲。

想了解系外行星學的發展歷史？這首 Acapella Science 的作品絕對是最棒的入門！

但是，天文學家雖然知道這些系外行星的存在，對這些外星世界的了解卻還相當有限，原因是系外行星實在是太小太暗了。對於多數的系外行星，天文學家都只能用一些間接的方法，測量它們的質量、半徑、軌道週期等相對粗略的特性，並且估計這個行星是否處於適合生命生存的「適居帶（Habitable Zone）」之內。

JWST 強大的能力將幫助天文學家突破困境。它能夠以兩種主要的方式觀測系外行星：一種是趁著系外行星繞行到其母恆星前方時，觀測整個系統的光譜，並找出其中由系外行星的大氣所貢獻的吸收譜線，這種方法被稱為「凌日光譜學 （Transit Spectroscopy）」；另外一種方式是藉由「日冕儀（Coronograph）」遮擋住來自母恆星的光線，直接拍攝並取得系外行星的光譜，這種做法被稱為「直接影像法（Direct Imaging）」。結合這兩種方式，JWST 將能夠讓天文學家對系外行星的認識不再只有多大、多重、多遠這些淺顯的描述，而是能知道大氣的組成、溫度與垂直結構，以及它們隨著季節、軌道半徑等其他因素的變化，深入地了解這些外星世界，甚至是尋找生命可能存在的跡象。

除了遙遠的系外行星之外，JWST 對於太陽系內的觀測其實也能有很大貢獻喔！舉例來說，JWST 擁有的中紅外波段的光譜觀測能力，既然可以分析系外行星的化學組成，當然也可以拿來分析太陽系內的小天體，如小行星、彗星、古柏帶天體等等，補足地面天文台無法觀測中紅外線留下的資訊空缺。此外，對於火星、四大巨行星、以及土衛六泰坦的研究，都是 JWST 可能的觀測目標。

未來精彩可期

從 1996 到 2021，從「新世代太空望遠鏡」到「詹姆士．韋伯太空望遠鏡」，天文學家的超級紅外線太空望遠鏡之夢，走過了漫長而曲折的發展歷程。25 年後的今天（10 月 17 日），JWST 已經搭乘海運抵達位於南美的法屬圭亞那太空中心，準備在 12 月 18 日搭乘亞利安 5 號火箭（Ariane 5），前往日地第二拉格朗日點（L2），以前所未有的性能，展開對宇宙、星系、恆星與行星的深入研究。更重要的是，每當一代更新、更強大的儀器成軍，天文學家不僅期待它回答上述「現有」的問題，更希望它能將人類的視野，開拓至我們從未想過的領域。韋伯究竟會帶來怎樣的驚喜，就讓我們拭目以待！

參考文獻

• 綜合
  1. Science Themes
  2. Science Themes – Webb/NASA
  3. White Papers
• 早期宇宙／星系演化
  1. Simulations Show Webb Can Reveal Distant Galaxies Hidden in Quasar
  2. 星系的起源與演化——王為豪教授主講
• 恆星與行星形成
  1. NASA’s Webb to Explore Forming Planetary Systems
  2. Webb to Study How Stars’ Blasts of Radiation Influence Environments
• 系外行星
  1. NASA’s Webb to Explore a Neighboring, Dusty Planetary System
  2. 放眼系外行星的新一代望遠鏡：HabEx 太空望遠鏡

延伸閱讀

1. 為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一） – PanSci 泛科學
2. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二） – PanSci 泛科學
3. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡（三） – PanSci 泛科學