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台灣衛星工程師 打造精準太空溫度計

台灣衛星工程師 打造精準太空溫度計

鄭閔聲

話題人物

攝影/唐紹航

1197期

2019-11-27 14:13

距離地球表面七百公里外,有一組由六顆衛星構成的「星系」,定期與美國發射的全球定位衛星(GPS)通訊。它們發射出的訊號,必須穿越大氣層的重重干擾,被接收時已不再是原本樣貌,但這些偏折的訊號能讓科學家推估大氣狀態,進而預測氣象變化。

這組不斷收發訊號的星系,是台灣與美國合作,在二○一九年六月發射的「福爾摩沙七號衛星」(簡稱福衛七號)。它是全球目前唯一採用這項「無線電掩星技術」的科學觀測衛星群,因為能從遙遠的太空偵測大氣層溫度、溼度、氣壓,被稱為太空中最精準的溫度計。

 

  • 無線電掩星技術:一種依靠檢測無線電信號穿越大氣層時的折射角度,測量大氣層物理屬性的遙感技術。用在氣象學上,可以推導出大氣層的溫度、濕度和壓力。

 

向全世界預警極端氣候現象 福衛三號觀測資料  提供八十八國

 

「福衛七號的貢獻是全球性的。經過二十多年努力,台灣在氣象觀測與資料處理上,已經擁有一定的實力。」

 

說著這段話的,是福衛七號計畫主持人朱崇惠,她在上世紀九○年代加入國家太空計畫室籌備處(現國家太空中心),也是台灣第一批被送往美國受訓的工程師,一路見證了台灣太空科技從無到有的過程。

 

朱崇惠回憶,一九九一年太空計畫室籌備處剛成立時,成員只懂學術理論、毫無實際操作經驗,衛星相關設備也付之闕如,只能把成員送到美國,隨著設備廠商一步步從基礎學起,並且在一九九九年首次發射「福衛一號」,但當年這顆衛星主要元件多是向國外採購,只有少部分在台灣生產。

 

在邊學邊做的階段,美國是最重要的夥伴。一九九七年,美國大學大氣研究聯盟(UCAR)及美國軌道科技公司(OSC)與台灣簽署合作協議,共同開發多顆組成、發射後運用掩星技術取得氣象觀測資料的衛星群;當時由美方先提供第一顆衛星,台灣再依原始設計圖組裝並進行測試。

 

經過九年努力,這組被稱為「福衛三號」的衛星系統於二○○六年升空,截至目前為止已蒐集超過一千萬筆全球氣象資料、提供八十八國作為氣象預報或研究使用。

 

太空科技

氣象預報是不分國界的,許多預報機構,例如歐盟中期天氣預報中心(ECMWF),很早就將福衛三號資料納入預報作業系統;可以說,福衛三號第一次讓國際看見台灣太空中心的能力。」中央大學大氣科學系特聘教授黃清勇分析。

 

福衛七號,是福衛三號的延續與再進化。

 

一○年,台美再次簽署技術合作協定,建立另一組六顆衛星系統接續福衛三號任務,提供更大量的觀測資料,光是台灣地區的資料量,就是福衛三號的三到四倍,得以強化天氣預測效能;擔任計畫主持人的朱崇惠,負責規畫衛星任務、協調台美團隊技術交流、與美方共同籌設資料處理中心與應用平台等任務。

 

氣象衛星的作用,是與地面雷達站、無線電探空等其他觀測技術互補,將所有資料輸入模型,得到氣象預測結果。舉例來說,海上無法設置觀測站,衛星觀測就成為海上天氣主要的資訊來源。

 

福衛三號與福衛七號最大的差異,在於福衛七號的軌道傾角較低,在南北緯三十度以內的熱帶及副熱帶區域,會有遠比福衛三號更密集的量測資料,可以改進對熱帶性低氣壓、颱風等天氣現象的預測精準度。

 

從一無所有到自主製造  全MIT氣象微衛星  預計後年升空

 

「福三之後,我們的目標是學著不靠別人,全部自己做。」朱崇惠指出,「自主製造」一直是台灣發展太空科學的重要目標,但因太空中心約兩百人的編制,無法一次負荷作業時間重疊的遙測衛星「福衛五號」與「福衛七號」,因此福衛七號的衛星本體與操控系統雖然都由台灣設計,製造仍發包給外國廠商執行,預計到二一年,全由台灣製造的氣象微衛星「獵風者號」才會發射升空。

 

儘管從設計到生產尚未全由台灣包辦,福衛七號在全球太空領域裡,卻已經是獨一無二的存在。

 

「全世界其他用掩星技術的衛星,都是單顆上去(太空),只有福三和福七是星系。」朱崇惠解釋,單顆衛星與星系的區別,可以用一支溫度計和一組溫度計的概念來理解,福衛七號的六顆衛星正式進入六個不同軌道面後,每九十七分鐘可以繞行地球一圈,等於同時由六個不同角度量測大氣狀態,能提供遠比單顆衛星頻率更高、更全面的資訊。

 

福衛七號成國際矚目焦點  有效轉譯氣象資訊  提升預測準確度 

 

除了資料量以外,有效將衛星傳回訊號轉為有意義的氣象資訊,無疑更為關鍵。朱崇惠自信指出,台灣經過多年、多顆衛星的累積,在解讀掩星技術量測資料的經驗與能力上,也有獨到之處,「人類還沒辦法百分之百精準預測天氣,能多觀測到一點資訊,對於預測準確度都會有很大幫助。」

 

黃清勇也分析,星系型態氣象觀測衛星的邏輯是「衛星愈多,精準度愈高」,直到發射衛星超過二十顆以後,效果才會逐漸飽和。福衛七號是考量預算與效益之間的關係以後,才決定發射六顆衛星。

 

「我每次參加國際會議,大家都知道台灣做的福衛七號,會很好奇地問我,台灣在這個領域有沒有什麼新發現。」黃清勇用個人經驗詮釋,如果福衛三號的意義是分享資訊、帶領台灣走進國際太空科技俱樂部,福衛七號則是進一步讓世界關注台灣在太空科技上的成果,甚至可能成為未來學習仿效的對象。

 

「我們一開始想要發展的就是niche(特色技術),而不是全方位什麼都做;就像提到瑞士,你會立刻想到鐘錶。現在講到太空科技,別人一定會想到台灣的氣象和遙測有一定實力。」看著自己「懷胎九年」終於完成這項得以造福全人類的貢獻,一向拘謹的朱崇惠也不禁露出滿意的淺笑。

 

太空科技

 

太空科技

福衛7號發射升空前,太空中心人員在美國作業廠房內對衛星功能進行最後測試。(圖片來源:國家太空中心提供)

 

朱崇惠

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