福爾摩沙衛星一號 │ 地面系統

低軌道的科學實驗衛星

福爾摩沙衛星一號載有三項科學酬載,海洋水色照相儀(OCI)、電離層電漿電動效應儀(IPEI)、及Ka頻段通訊實驗酬載(ECP)。由各大學研究人員所組成的三個科學團隊,對於衛星所測得的科學資料,除了確保其正確性,並進行科學研究。

福衛一號海洋水色照相儀執行任務期間,共計製成全球影像五千餘張,包括台灣附近影像五百餘張,影像所獲得的可見光與近紅外光輻射量,經分析可得海洋表面的顏色分佈及大氣中的氣溶膠 (Aerosol) 濃度。海洋表面葉綠素濃度分布之影像,可提供漁業應用,有助於漁業資源保育的應用研究;所得影像並應用於沙塵暴監控。

福衛一號電離層電漿電動效應儀執行任務期間,正值太陽活動週期之劇烈期。電離層電漿電動效應儀偵測到十年來最大地磁風暴造成的電離層離子洞;科學團隊以 IPEI 觀測資料完成全球首次的中低緯度 3-D 空間離子分布的統計數據,而其他多項重大量測分析結果,十分受到國際研究群重視,國際間許多地面觀測站及衛星皆與福衛一號 IPEI 進行合作共同觀測,國際著名之 IRI 電離層資料分析系統於 2006 年納入 IPEI 資料。

福衛一號 Ka 頻段通訊實驗科學團隊於執行任務期間,完成固定式 Ka 頻段地面站、及移動式 Ka 頻段地面站。固定式地面站具有發射與接收信號能力,安裝在台南成功航太歸仁校區。並建立 Ka 頻段傳播通道雨衰減資料庫,完成 Ka 頻段通訊實驗資料擷取。

此三項科學實驗任務,於2004年6月17日福爾摩沙衛星一號正式功成身退後,其成果已遠超過預期目標,為福爾摩沙衛星一號任務劃下句點。

海洋水色照相儀

截至2001年9月止,設在國立台灣海洋大學的海洋水色照相儀科學團隊已處理超過7000張的OCI原始影像,由國內外學者應用於海洋學研究,而國內已有超過20個研究單位曾申請使用各層級影像。OCI科學團隊亦利用865奈米的光譜數據,反推大氣中的懸浮粒子數,用以研究於3至5月間大陸地區發生的沙塵暴現象。OCI科學團隊已應用OCI資料在國內外期刊及國際研討會發表論文,其成果包括大氣校正模式發展、儀器特性報告、及台灣附近的海洋水色狀態及懸浮粒子光學厚度等。


▲ 官方首次記錄之台灣附近地區海洋水色影像,攝於 1999 年 2月14日。


▲ 台灣附近海水之海洋水色影像。


▲ 2001 年 1月29日及2月14日從黃海地區取得之海洋水色影像顯示廣大黃 海地區具有沙塵暴粒子。

電離層電漿電動效應儀

由中央大學研究人員組成的電離層電漿電動效應儀科學團隊,除了利用IPEI所測得之電離層資料,分析電離層赤道區異常現象及中低緯度地區包括台灣上空的電離層氣泡,更進一步與美國DMSP衛星及祕魯的ISR地面雷達進行共同觀測,並研究由太陽磁暴事件所造成的電離層密度不規則分布現象。在2000年7月14日的巴斯底磁暴事件發生後,IPEI科學團隊分析觀測資料時發現於巴西上空曾量測到大小尺度不同的低密度離子洞。此項發現是世界首次由衛星觀測到離子洞的三維結構。 IPEI科學團隊曾與世界各地的地面雷達站,例如日本之MU雷達及祕魯之ISR進行共同觀測,並與美國空軍地球物理實驗所共同執行電離層觀測實驗,以驗證IPEI在太空中的量測數據之正確性。


▲ 福爾摩沙衛星一號包含IPEI酬載,如本圖於整合測試期間所示。 IPEI酬載係由一個量測離子密度的離子撲捉儀、兩個量測離子橫向推進速度的離子漂浮向量儀、以及一個取得主要離子成分之電離層電漿參數之電位滯留分析儀所組成。


▲ 福爾摩沙衛星一號裝載之IPEI酬載量測電離層氣泡影響。電離層氣泡影響衛星與地面天線之間的通訊。


▲ 於2000年7月15-16日期間,當過去十年最大的磁爆事件─巴斯底日事件發生時,福爾摩沙衛星一號在巴西上空地磁較弱地帶,即南大西洋異常區,曾量測到大型離子洞。福爾摩沙衛星一號沿軌道六次經過該區取得之IPEI資料,經組合後展示該離子洞之3-D結構。

通訊實驗酬載

通訊實驗酬載執行了Ka頻段通訊實驗之先導性研究。由成功大學及清華大學組成的兩個科學團隊利用固定式地面接收站,進行了語音及視訊之衛星直播實驗。中央大學團隊則利用固定式及移動式地面站接收19.5GHz訊號,及地面量測數值包括雨量、大氣水汽含量、大氣微波輻射等,執行Ka波段傳播通道實驗計畫,並蒐集台灣地區Ka波段雨衰減資料。

福爾摩沙衛星一號通訊實驗之地面系統包括兩個地面接收站:一個是建於台南成功大學的固定式地面接收站,可以對衛星上之通訊實驗酬載上傳指令及接收下傳訊號;另一個為移動式地面接收站,僅擁有接收下傳訊號的功能。移動式地面站的天線及負責控制的電腦設備分別由二部卡車搭載。國家太空中心並設有科學資料分送中心,負責科學實驗的排程,傳送軌道資料至台南的固定式地面接收站,及儲存實驗結果。


▲ 福爾摩沙衛星一號包含通訊實驗酬載(ECP)以進行三項Ka頻段之通訊實驗。台揚科技應用日本NEC公司之技轉技術完成ECP酬載空中部分之製造。此酬載具有28.25GHz之上傳頻率、18.45GHz之下傳頻率、及18.45GHz之beacon頻率。頻寬是27MHz。通訊頻道之傳輸功率是10瓦。天線涵蓋範圍是圓椎形,椎角6.5度。傳輸天線之直徑為25.4公分,而接收天線之直徑為20.3公分。


▲ 一位操作員使用ECP做影像/語音訊號傳送至地面接收站之實驗。右端畫面顯示操作員與另一語音交談中之地面接收站操作員之影像。