1. NARL QUARTERLY
31
態
動
室 payload，簡稱GOX） 小型電離層光度計
、
驗
實 過2500筆掩星資料。 掩星觀測儀（GPS Occultation Experiment
各 1—4分鐘，預計六顆福衛三號每天共可獲得超 衛星上瘨放置有三組科學酬載，分別是：GPS
責） 通常每筆掩星事件的資料量測可長達
。 鐘，一天可繞地球1 4 . 5 圈。在每顆福衛三號
資料（TBB只軌射信號，資料接收則由地面站負 道高度僅500公里），每繞一圈軌道耗時約100分
導
報 Computer（SSR/PC），它同時也負責貯存TIP 公里處的高空（目前尚在軌道部署期，衛星軌
動 地資料則貯存於Solid State Recorder/Payload 統，預定以六個繞極軌道面運行於蓓地面約800
活 稱POD）天線所構成。GOX收集到的掩星與大 福衛三號是由六顆衛星所構成的星系系
個精密軌道（Precise Orbit Determination，簡 NASA與德國合作之GRACE衛星。
科 備胎）、二個高增益（high-gain）掩星天線、二 年美國空軍的PICOSat衛星、以及2002年的
百 個GPS接收器（一個負責實際操作，另一個為 新設計的GPS訊號接收器（Black Jack）、2001
小
科學觀測任務，以及部分電離層任務。它由二 與德國CHAMP衛星（這二顆衛星瘨裝置了JPL
技
科 號的首要科學儀器，擔負著整個大氣與大地的 麥的Orsted衛星、2000年的阿根廷SAC-C衛星
計，負責縟笎並收集GPS訊號。GOX是福衛三 SUNSAT微衛星（已於2001年任務完畢）與丹
接收機（別名黑傑克，Black Jack）加以改進設 的一系列類似計畫有：1999年升空的南非
訪
是由JPL根據其軌展的TRSR-II空中搭載用GPS 地球的大氣層資料，稱之GPS/MET計畫。此外
專
物 儀，為太空規格的高精度GPS雙頻接收機。它 全球定位衛星系統（GPS）的定位訊號來建立
人 常大於一公尺。福衛三號使用的GPS掩星觀測 的探測。1995年軌射的MicroLab-I衛星則是應用
大地測量等用途）僅為單頻接收且定位誤差通 佛大學與JPL運用於水手四號太空船對火星大氣
流 一般所用的GPS接收機（如汽車定位、導航、 1960年代，掩星觀測技術首次被美國史丹
交 的國防用途，美國對其訊號作加密鎖碼，目前 出極詳盡的全球大氣資料分佈。
技 由於GPS全球定位系統（共24—30顆衛星） 無線電掩星觀測計畫（COSMIC），可賴以描繪
科
GPS掩星觀測儀（GOX） 低軌道衛星接收全球24顆GPS衛星訊號的大氣
及噴射推進實縕室（JPL）的共同合作，以6顆
技 離層動態監控；（４）地球重立場的研究。 心（NSPO）與美國大學大氣研究聯盟（UCAR）
科
全球暖化監測的研究；（３）太空天氣預報及電 星三號（簡稱福衛三號）的科學計畫是太空中
端
尖 球及區域性的數值天氣預報；（２）氣候變遷及 垂直結構的數據貢獻也十分有限。福爾摩沙衛
測作業網，並將觀測結果提供作為：（﹂）全 高度剖面的資料，即使最新的氣象衛星對大氣
速之方式建立全球大氣重要參數之衛星即時觀 記錄局部天氣變化而無法完整收集全球分佈及
劃
收集到的大氣、電離層與大地資料，以經濟快 載到近代的探空氣球與地面測站，僅能零散地
企
題 衛三號的科學目標即為利用這三個科學酬載所 大尺度資料收集。自古老的農漁經縕、曆書記
專 三頻信標器（Tri-Band Beacon，簡稱TBB）。福 大氣的研究築基於長期、完整、系統化的
（Tiny Ionospheric Photometer，簡稱TIP）、與 簡介
架
上
利 文／圖：吳伯翰 國家太空中心
專
酬載的科學任務
話
的
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2. NARL QUARTERLY
32
研究。
播，＆軌展出海面高度變化與地下斷層結構的
場分佈；不但可以用來偵測高空重力波的傳
射角來收集電力。
藉由對福衛三號的精密定軌，反算地球的重力
位置不同而旋轉（板面軸心躺於y-z平面） ，以最佳的太陽照
預報技術，監控太陽風暴。大地POD資料則是 片圓形的太陽能板呈一高一低展開，二張板面會＄衛星軌道
27.3°
。TIP的視窗開口與TBB天線支臂瘨對準z。上方二
結構與斷層掃瞄技術；甚葸＆可改進太空天氣 x-z平面，POD天線朝天頂傾斜15°，而掩星天線則往下偏
時，z指向衛星下方地面） 。GOX的前後共四支天線瘨躺於
磁波的信號閃爍現象、以及電離層的不規則體
及TBB酬載。衛星座標的x為飛行方向，z指向地心（即飛行
TIP與TBB資料合併使用，以研究極光範圍、電 圖1 福衛三號外觀（未包覆MLI-多層隔熱材料前）與GOX、TIP
徑上的電離層全電子含量（即電子總量），可與
於電離層掩星資料則用來反演出沿GPS信號路
在颱風路徑的預測方面也將有極好的改進。葸
天氣與大氣的貢獻令人期待。此外，研究顯示
900個地面探空站），因此GOX資料在對於台灣
站，每站每天各放2次高空氣球量測；全球約有
化，但所費不眥。我們氣象局有二個地面探空
化剖面的觀測點（高空氣球量測是有高度變
飛機觀測作業）、每天高達2500個、具備高度變
海陸（傳統觀測在海洋上只限於少數的船隻或
用。更由於它不僅限於陸地觀測而是遍佈全球
可供應氣象局作天氣預報或作長期氣候研究之
測，大氣掩星資料反演出的大氣溫濕度參數亦 「掩星現象淺說」，2005年4月出刊）
如同地面測站與放高空氣球所提供的觀 （可參閱刊載於國研科技季刊第六期第68頁之
用於GOX儀器。 通過空氣折射，而呈現於遠方的一種現象。
料而後輸出。PLL相位鎖定與OL技術被合併使 陽重力而偏向。海市蜃樓亦是類似的影像光線
頻移，不進行相位鎖定迴圈，直接判定信號資 向會因大氣折射而彎取，就仿如遠方星光受太
的大氣模式來估算GPS信號應該產生的都卜勒 磁波在大氣層（與電離層）中傳播時其前進方
軌展所謂的Open-Loop（OL）技術，利用預置 由於大氣的折射指數乃＄高度而遞減，因此電
敗以致於資料收集軌生中斷。JPL與UCAR共同 號，而目標之GPS衛星則被地球所遮掩。這是
信號通過時會被強烈衰減，PLL技術常會鎖定失 為G P S 無線電掩星觀測，其觀測點在福衛三
水汽影響，使折射指數變化過大導致高空GPS 到達福衛三號而被GOX接收。這種觀測法被稱
術以縟笎GPS信號，但是由於低層大氣的豐富 星，其所軌射信號仍有可能繞過地平線上空，
是利用PLL（Phase-Locked Loop）相位鎖定技 於福衛三號極目所及的地平線下方之G P S 衛
地平線以縟笎大氣掩星資料。本來GPS接收機 向地球被探知，稱之為掩星觀測。同樣地，位
層掩星資料。掩星天線則是朝下偏，對準遠方 光線被前方星體的巨大重力所偏向，而再度射
POD資料；另也負責近乎水平方向過來的電離 天文觀測上，後方被遮掩住的星體可以因為其
訊號（GPS衛星高度約20,200公里）組成大地 高度的變化以提供給天氣預報與氣候研究。在
POD天線略微朝上，以縟笎由其上方來的GPS 星資料反演技術便可得出大氣層的溫、濕度＄
圖1揭示橫躺著的福衛三號外觀。GOX的 掩星信號是GOX的主要量測對象，藉由掩
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3. NARL QUARTERLY
33
態
動
室
驗 即可解析一個扇型區域。若有一排沿衛星飛行 軌射功率。由於在最後的衛星整合測試階段，
實
各 變化）。＄著衛星的飛行，一段時間的TBB資料 三個頻率的反射天線，同相疊加以增強正下方
電子含量（一個總量，而非＄高度不同的濃度 天線，而其上方由短葸長的三組十字則是分別
便可推算出由衛星連葸地面的信號路徑上之全 臂上，最下端端的一組十字即為TBB的三頻軌射
導
上TBB地面接收站得到一筆三頻信號相位資料， （1067Hz）三種頻率信號。在圖1的TBB天線支
報
動 圖3闡釋TBB斷層掃瞄技術。在某個時間點 射VHF（150Hz）、UHF（400Hz）、L-band
活 。
是朝y稍微傾斜了2.5° 實縕室（NRL）研製，由TBB天線朝地面持續軌
34.5°的旋轉，且支臂亦不再垂直向下（+z）而 電離層電子含量。三頻信標器是美國海軍研究
科 響評估，最後將TBB天線作了水平（x-y平面） 反推出沿福衛三號葸地面站的TBB信號路徑上的
百 線所干擾。經台美雙方研議，並通過TBB任務影 經過電離層折射後在地面站接收到相位差異，
小 （Earth Horizon Sensor）的視野意外受TBB天 TBB實縕是利用同相位的三個頻率波段，
技
測出衛星姿態控制組件中的地球地平線感測器 三頻信標器（TBB）
科
氧原子與氮分子濃度比例的資訊。
訪
維斷層掃瞄技術的資料點 針孔混和模式。藉由BaF2觀測，TIP可額外提供
專
一扇型，數個接收站的扇型信號線相互交叉即構成二
以便白天使用：BaF 2濾波片、針孔、與BaF 2
物 間內軌射的TBB信號。每個接收站的TBB信號線組成
人 亦即一個地面站可接收上空飛行的福衛三號在一段時 中難以辨別。因此TIP另外預備了三個增強模式
圖3 TBB科學任務圖解。TBB信號可涵蓋一定範圍的地面，
nm的激軌波段，但摻雜在日間大量的陽光輻射
電離層在白天的光電碰撞亦會產生135.6
流
交 料就等於是反演出這塊區域內的電子濃度。
技 公里高）相當於一個約30公里半徑的圓，TIP資
科
圓錐形，投影在電離層電子濃度最高處（約400
測視角在衛星的正下方呈現一個半角為3.8°的
技 在通道口方向上的氧離子與電子濃度。TIP的量
科 通道口，藉由光子輻射強度的量測便可匹﹜出
端
尖 視窗（衛星環形甲板上的開口）進入光度計的
放射出光子，當這些四散的光子經過圖1的TIP
射性重組，生成的氧原子因處於激軌態而再次
劃 圖2 由夜間區上空拍攝的極光（aurora）與大氣輝光（glow）
（airglow），見圖2。例如其中氧離子與電子的輻
企
題 子與氧離子濃度。這種放射即通稱為大氣輝光
專 外線放射，早已被頻繁地用來鰒測電離層的電
電離層電子含量。事實上夜空中的可見光與紫
光強度的度量，TIP可用來量測在衛星正下方的
架
上 將可量測範圍限定在135.6 nm波段附近。藉由
利 線（far-ultraviolet）輻射計，它使用SrF2濾波片
專
小型電離層光度計是一個窄波段的遠紫外
小型電離層光度計（TIP）
話 大氣輝光 極光
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4. NARL QUARTERLY
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將如是，共勉之。 署期間，衛星會前後二個、二個一對地行進於
計畫的任務傾向。二號團隊如是，三號團隊亦 Period, IOP）在展開。這是由於在早期軌道部
努力成果會引導民眾眼光，進而影響後續衛星 一 個 密 集 觀 測 計 畫 （ Intense Observation
界褒揚三號科學研究的一聲「高」。科學團隊的 此外在今年（2006）的5月到11月間，尚有
如台灣民眾稱讚天氣預報的「好」，那麼就要世 研究、地下斷層結構探勘研究。
嗯，不是詛咒天氣預報應用的失敗；而是說假 涼主任，負責衛星精密軌道計算、地球重力場
地的研究能夠展現出比天氣預報更好的成績。 地團隊的領導人則是成功大學衛星中心的曾清
我們期待，三號資料在氣候、電離層與大 反演技術與磁暴影響、TIP資料計算與研究。大
升級卻又連帶一系列的補丁。 象研究、三維電腦斷層掃瞄計算、電離層掩星
像永遠地使用著一套Window作業系統，偶而的 太空天氣預報、電離層不規則體與信號閃爍現
能有產品升級而永無劃時代的創新出現；就好 MHz雷達群、建立電離層全球資料同化模組與
科學研究就不會有新產品被研製軌明，於是只 祥教授所主持，負責建置與TBB協同觀測的30
機、電漿研究之於電漿電視等等。沒有前端的 電離層團隊由中央大學太空科學所的朱延
研究之於收音機與電禽、流體力學研究之於飛 的三維變分同化分析研究如颱風等現象。
造的基礎，然後成為民生享用品。就像電磁波 Champ與SAC-C衛星的掩星資料來作台灣地區
不知，科學的研究與技術軌明才是構成工業製 預報系統、建置與改進掩星反演技術、使用
民生、實用；而其他的都令人一臉霧煞煞。殊 氣掩星偏折角資料同化模式並整合進氣象局的
瞭解的三號科學任務就只有天氣預報，因為它 大氣物理系的黃清勇教授所領導，負責建置大
學研究睕卻所知無幾。於是可以被一般民眾所 電離層與大地三個團隊。大氣團隊由中央大學
軌展。但是要軌展什麼睕或是說可以有什麼科 之研究。福衛三號的科學研究團隊分成大氣、
畫。當學生、老師談到太空計畫，會想到科學 請經核准）。以下我只簡述台灣方面的大學團隊
眾，會首先以實用方面來觀看我國的衛星計 外，它同時向全世界研究單位開放使用（須申
上。這是因為台灣鞦會從政府到絕大部分民 個美國與歐洲的氣象中心、研究機構要使用
亦未明確列於衛星任務的成功/失敗判斷準則 當然，福衛三號的科學資料除了已知的幾
離層與大地資料及其應用，則僅屬科學研究， 台灣研究團隊與IOP活動
的福衛三號首要任務。葸於TIP與TBB酬載、電
處理以供天氣預報之用，這個系列動作是認定 地面分佈則稱之NRL chain。
以GOX酬載接收GPS大氣掩星資料，資料 中稱之太平洋鏈（Pacific chain），美方計畫的
結語 站所構成。這塊區域在福衛三號的TBB任務操作
出的TBB地面站計畫，就是以排成三行的10個
以及三號掩星資料的核對、縕證工作。 此第三維便是經度。台灣電離層科學團隊所提
等，以﹜合衛星掩星觀測做區域性的氣候研究 平行於衛星飛行方向，即可作三維掃瞄計算，
空氣球、從飛機上投落探測儀（dropsonde） 維。若是有更多的地面站，以排成好幾排並且
該時段的密集觀測活動，包含地面觀測、放探 沿經度方向飛行，故緯度變化可視為此第二
星資料會密集於台灣附近區域的時段，而進行 傾角繞極飛行，亦即主要
號軌道為圓形，以72°
資料點密集於某些區域。IOP活動即先估算出掩 度變化，第二維則是衛星飛行方向。因福衛三
均分布於全球，而擁擠的衛星分布則使得掩星 維電腦電離層斷層掃瞄技術。其第一維便是高
完全展開。若衛星越散開則掩星資料點越是平 上的電子濃度便可以最佳化技術獲得，稱之二
高度約500公里處，而且此時六個軌道面也尚未 方向排列的地面接收站，這些信號路徑交叉點
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