福衛科學資料研究與應用 │ 電離層

福衛三號搭載全球定位系統氣象量測儀(GPS Occultation eXperiment; GOX)、小型電離層光度計(Tiny Ionosphere Photometer; TIP)以及三頻信標儀(Tri-Band Beacon; TBB)三項酬載。

  1. GOX每日可觀測超過2000筆地面100公里至衛星800公里高度之電離層電子濃度垂直分布。累計三個月的觀測資料,可一窺全球電離層電子濃度三維結構隨時間的變化,藉此,觀察電離層氣候變遷(圖一)。GOX是全世界唯一可用單一儀器且迅速探測全球電離層電子濃度和不規則體閃爍三維結構的酬載儀器,迄今已成功探測電離層赤道異常、威德海異常、大氣潮汐非遷移波、太陽風暴、磁暴、日食、火山暴發、地震前兆與同震等現象。這些電離層氣候資料可大幅提昇衛星定位和導航的精準度、預測衛星訊號品質優劣和使用時段、以及協助選定遠距高頻通訊頻率波道,對於土地量測、國土規劃、汽車船艦飛機導航、衛星廣播通訊等之民生與國防應用至為重要。此外,若將福衛三號GOX觀測之垂直電子濃度同化於電離層物理模式(圖二),可進行電離層天氣逐時現報和預報,猶如每日的天氣預報。

  2. ▲圖一、全球電離層電子濃度三維結構。以2008年4至6月0600 UT為例,預測電漿洞之存在。Liu et al. [JGR 2010]


    ▲圖二、福衛三號同化模擬2008年4月12日-13日24小時電離層天氣之三維電子濃度變化。右圖為電離層300公里高最大電子濃度之經度緯度二維剖面,右圖為沿-75°E經度之高度緯度二維剖面。每一時刻之上圖為同化後結果,下圖則是同化前模擬與福三觀測點分布。Lee et al. [JGR 2012]

  3. 小型電離層光度計TIP用來量測衛星所經過路徑的電離層電子密度水平變化,是為觀察赤道異常和高緯度極區電子密度梯度的利器。結合TIP 與GOX的觀測資料,瞬間建立全星載電離層掃描(圖三),可獲知全球衛星飛行路徑與高度之二維夜間電離層電子密度精細結構,應用於研究電離層赤道異常和高緯度極區電子密度特性(圖四)。

  4. ▲圖三、福衛三號全星載電離層掃描觀測示意。


    ▲圖四、福衛三號2006年9月14日於夜間21:00時沿105-128°E經度電離層斷層掃描反演結果。(a)TIP,(b)GOX,(c)TIP+GOX反演結果。 Hsu et al. [TAO 2008]

  5. 三頻信標儀(TBB)酬載會向地面發射三種頻段的訊號之觀測資料,配合地面訊號接收站地理位置安排,建立臺灣地區電離層三維斷層掃瞄監測 (如圖五),觀察臺灣上空赤道異常區複雜變化。。

  6. ▲圖五、福衛三號TBB沿臺灣經度電離層斷層掃描規劃設計。