福衛三號十歲生日快樂 老衛星和團隊的奮鬥故事

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。）

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。

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！

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！