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再造太空精準温度计—福卫七号

2020-06-18 23:16 947浏览
发射升空!—台湾太空新里程上(6)月25日,于台湾时间下午2点30分,搭载6枚褔卫七号的美国SpaceX猎鹰重型火箭(Falcon Heavy),偕同此次美国空军的其他18枚卫星,顺利于美国甘迺迪太空中心(Kennedy Space Center, KSC)发射升空。

发射后91分钟,国家太空中心获得由猎鹰重型火箭所传回卫星与火箭分离时刻的状态向量,随即进行轨道计算,为后续地面站追蹤卫星的依据,同时将结果传至位于澳洲的达尔文(Darwin)海外站及其他地面站,接收卫星资料。发射后165分钟,中心先与其中2枚成功通联,后续再与其中的3枚完成通联。最后,于当天台湾时间下午8点48分于台南的归仁卫星信号接收站联繫上最后1枚。至此,6枚卫星全部与地面完成通联,并停留在离地表约720公里的同一个暂驻轨道上,确定第一阶段任务成功。
计画缘起 褔卫七号计画为台美大型科技合作计画,双方于2010年完成合作协议签署,执行单位为台湾国家实验研究院国家太空中心(National Space Organization, NSPO)与美国商业部国家海洋暨大气总署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)。褔卫七号的任务目标,是由高度520~550公里、24度倾角的轨道上部署的6枚卫星组成的星系,建立高可靠度的气象卫星系统,每日提供南北纬50度间约4000笔的掩星资料,大幅帮助天气预报、剧烈天气预报準确度及电离层太空天气监测。福卫七号搭载的仪器 福卫七号的6枚卫星,每枚皆装载全球卫星导航系统无线电讯号接收器(TriG GNSS Radio occultation System, TGRS)的主酬载,该仪器可接收全球定位系统(GPS)和全球导航卫星系统(GLONASS)的无线电掩星(radio occultation)信号。透过掩星讯号接收天线接收讯号,再利用阿贝尔转换公式(Abel transformation)算出折射率,因大气压力及温度与折射率有关,故由该折射率可进一步转化成气象预报使用的大气观测数值。

一般而言,天气预报所涵盖的大气範围为对流层,当折射角度越大,代表气体密度越高,而气体密度与温度、溼度和压力亦有关,后续资料经地面处理和校正后,可推算大气层及电离层垂直分布结构的详细资讯。由于此次任务是24度倾角的圆形轨道,收集的资料集中于南北纬50度範围内,有助于台湾在内的低纬度地区气象资料预测準确度。另外,福卫七号也携带2个科学酬载仪器,分别是离子速度仪(ion velocity meter, IVM)及无线电射频信标仪(radio frequency beacon, RFB),前者可量测电离层的离子密度、速度、温度与行进角度,评估太空天气对太空船和通信的影响;后者则可透过地面站接收该射频信标仪的闪烁讯号,进而获得区域性电离层异常区的分布。
福卫七号的特性与发射载具 福卫七号外型为长方体,于单侧装载太阳能板,燃料加注后总重约为300公斤,卫星採用锂离子电池,通讯频段为S频段,卫星本体装置GPS接收仪以进行导航,设计寿命是5年。而伴随福卫七号搭载的卫星分属15个计画,总共24枚卫星。全部卫星总重3.7公吨,其中福卫七号总重1.8公吨,为主要的任务卫星。

发射载具方面,SpaceX公司所研发製造的猎鹰重型运载火箭,由1枚强化后的猎鹰9号为主推进核心,外加2枚侧挂的侧推力器。除了第一节火箭外皆可回收重複使用,本次发射採用的猎鹰重型运载火箭侧推力器,为前次任务所回收的通信卫星再重新填注燃料组合而成。另外,这次採用回收侧推力器及夜间发射皆是史无前例的壮举。
星系部署、卫星操控与资料应用 为了得到均匀分布的观测资料,各枚卫星设计在520~550公里高的6个任务轨道执行任务,该操作将在发射后所有卫星完成本体和酬载的健康检查后陆续进行。预计在发射后的19个月完成星系部署,卫星本身不做轨道转换时仍会协同暂驻轨道上的其他卫星持续对经过的区域进行气象观测。

操控方面,褔卫七号计画包含卫星发射及初期轨道操作、任务轨道部署控制、在轨任务操作及海外支援地面站指令资料传输等。操控系统包括位于太空中心的卫星操控中心、国内外网路系统及美国所部署于夏威夷等10个海外地面站,绵密的网络系统可在平均30~45分钟内,取得大气层垂直分布结构的最新观测资料。包含温度、湿度、降雨率、太阳活动程度、太阳黑子数、行星际磁场和太阳风密度、太阳风风速及预估地磁对台湾地区扰动等。此外,福卫七号所提供的资讯将与其他讯息提供管道进行资料同化(data assimilation),透过数学模型拟合大量的观测数据,以提供最后的气象预报结果,未来天气预报精準度将可提高约10%。

福卫七号的资料应用,中央气象局结合学界建立本地掩星资料应用系统,落实气象数值模式的应用效益,提升剧烈天气的预报能力、降低灾害预警的不确定性。举例而言,将掩星资料与既有观测资料同化后,对2009年莫拉克颱风的历史资料进行模拟分析,发现颱风行进预测路径非常接近实际颱风行进路线,显见掩星技术具体实现后的效果。
结论 目前,6枚福卫七号卫星已与台湾地面站成功通联,规划在发射后1个月内完成卫星全部功能测试,接着开始卫星轨道调整,由720公里的暂驻高度,逐渐下降至550公里,每枚卫星包含酬载资料校正需时约108天。此时卫星即可接收全球定位卫星的资料,分析大气层垂直结构的温度、气压、湿度及电子密度等。随后进行资料校正与比对验证,预计发射后第7个月可提供全球气象界使用大气量测资料及产品;而发射后第16个月则可提供全球气象界使用福卫七号的电离层量测资料及产品;第19个月,6枚卫星将全部部署到高度550公里的任务轨道,自此可提供中低纬度均匀分布的掩星观测资料,该卫星系任务便正式开展。