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 福爾摩沙衛星五號 計畫簡介 衛星特性 酬載儀器 自主關鍵元件

福爾摩沙衛星五號

計畫簡介

福衛五號計畫系統架構

福衛五號計畫之系統可分太空、地面系統與發射載具等三部分。太空系統包括衛星本體、光學遙測酬載儀器、及科學酬載儀器;發射載具為美國的Falcon-9;地面系統包含遙傳追蹤指令(S-Band TT&C)地面站、X頻段天線系統(X-Band Antenna System, XAS)遙測影像資料接收站、海外支援追蹤站(Remote TT&C Station, RTS)、衛星操控中心(Satellite Operations and Control Center, SOCC),與影像處理中心(Image Processing Center, IPC)。


福爾摩沙衛星五號我國第一顆自製遙測衛星

福爾摩沙衛星五號計畫(簡稱福衛五號),其主要任務是自主發展一枚高解析度的光學遙測衛星。

福衛五號計畫目標

  • 建立衛星本體自主發展能力及傳承設計,掌握核心元件設計與製造能量。

  • 建立光學遙測酬載儀器自主發展能力及傳承設計,發展關鍵元件與技術。

  • 落實衛星遙測技術與應用,延續服務福衛二號國內外遙測影像使用者族群。

  • 推廣太空科學任務,支援學術研究。

雙酬載運作

福衛五號運行於720公里太陽同步圓形軌道,傾角98.28°。福衛五號之主要光學遙測酬載,可提供2米解析度的全色(Panchromatic)和4米解析度的多波譜(Multi-spectral) 彩色影像。

與福衛二號類似,主要酬載之波段(Spectral Band)仍然為可見光及近紅外光之範圍,包含一全色波段(12,000個像素)及四個彩色波段(每個波段6,000個像素),採用互補式金屬氧化層半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)技術發展而成。
另外,福衛五號的科學酬載-先進電離層探測儀(AIP),係由中央大學研發團隊開發完成。
福衛五號衛星於2017年8月25日,由SpaceX 獵鷹九號火箭順利發射入軌,雙酬載正常運作中。

 

 

衛星特性

項目 特性說明
衛星種類 為地球遙測應用衛星
重量 約450 公斤(含酬載及燃料)
形狀尺寸 八角柱形,高約2.8公尺,外徑約1.6公尺
軌道 高度720公里,太陽同步軌道
取像重複性 每兩日再訪1次
影像下傳速率 150M位元/秒
取像範圍 正對地表方向,前後及左右各45°
繞行地球一週時間 約99分鐘
任務壽命 5年
姿態指向精度 ≦2公里(正視地球)
姿態指向認知 ≦ 390 m (無地面控制點)
姿態機動性 Roll:≧24° /分; Pitch:≧24° /分; Yaw:≧7° /分

酬載儀器

福衛五號衛星分別搭載國人自製之「光學遙測酬載」和「先進電離層探測儀」科學酬載如下:

光學遙測酬載

由光學取像儀(Telescope)及電子單元(Electric Unit)構成。光學取像儀由光學元件、結構體(含熱控元件)及CMOS型聚焦面組合所構成。光學遙測酬載規格如下:

項目

規格與說明

地面解析度

全色光- 2 米;藍光、綠光、紅光、近紅外光- 4 米

刈幅

24 公里(鏡頭正對地面)

波段

全色、藍、綠、紅、近紅外

灰階

12位元

影像儲存量

≧ 80 G 位元

照相時間

8 分鐘 / 軌道

軌道高度

720公里

對比傳遞函數(CTF)

≧ 0.1(全色光)
≧ 0.2 (藍光、綠光、紅光)
≧ 0.16 (近紅外光)

信噪比(SNR)

全色光:≧83
B1 (紅光):≧95
B2 (綠光):≧95
B3 (藍光):≧100
B4 (近紅外光):≧100

光學遙測酬載由太空中心、儀科中心、晶片中心、中山科學研究院、漢翔航空工業股份有限公司、微像科技股份有限公司及鑫豪科技股份有限公司等研究單位與廠商組成研發團隊負責研發,以達成自主發展遙測儀器及其相關關鍵元件,建立國人自製高解析度光學酬載之技術能量。

先進電離層探測儀

福衛五號的科學酬載「先進電離層探測儀」,由國立中央大學太空科學研究所負責研製。其為多功能的電漿量測儀器,可實地量測電離層的電漿成份與密度、運動速度、溫度等物理量。此儀器可收集電漿擾動變化,以研究電離層在地震前的可能異常現象。

先進電離層探測儀的預期量測電離層電漿參數規格如下:

物理參數

量測範圍

靈敏度

精確度

離子成分

3 % 至 100 %

1%

10 %

離子密度

4×102 至 1.2×107 公分-3

1%

10 %

離子流速

±3.2公里/秒(橫向方向)
±5.0公里/秒(前衝方向)

±10 米/秒
±100米/秒

±50 米/秒
±200米/秒

離子溫度

500 至 10,000 K

±50 K

±200 K

 


自主關鍵元件

太空中心利用福五計畫為發展平台,與國內產業界及研究單位合作發展遙測衛星重要之關鍵元件包括指令與資料管理單元(CDMU)、電力控制與分配單元(PCDU)、飛行軟體(Flight Software)、遙測酬載電子單元(RSI EU)、CMOS型聚焦面組合(CMOS Type FPA)等五項。

電力控制與分配單元(PCDU)

由太空中心與中科院共同發展之太空級衛星電力控制單元,太空中心負責訂定元件規格,中科院負責線路設計與電路板製造,雙方共同執行該元件之功能測試與太空環境測試。

電力控制與分配單元之主要功能,包括展開太陽能板維持衛星電力供應、配送電瓶電力供加熱器與指令與資料管理單元等元件、輸出+5.2V電壓共50W、+/-15V共30W電力供各電子零件使用、能自動或地面操控切換成備援電力,緊急時,維持衛星安全及再復元機會。電路設計上內含17個電路模組、超過100個電力配置通道及38個太陽電力控制路徑。

電力控制與分配單元外觀如下圖:

指令與資料管理單元(CDMU,或稱為衛星電腦)

具處理衛星姿態與軌道維持、健康狀態資料處理、地面指令執行、遙傳與科學資料處理、衛星失效重組功能、電力調節、衛星時間管理等,能在嚴酷的輻射、高溫、低溫太空環境下運作超過5年之機率為94%,可滿足衛星任務。

衛星電腦飛行體通過嚴苛之太空環境驗證測試後,安裝於衛星上執行其各項功能,以驗證其他的各次系統與元件。衛星電腦幾乎零缺點之功能,帶給福五工作團隊莫大信心。過程中,太空中心由規格分析開始全部都是自主研發,包含電路設計、數位線路模擬分析、FPGA韌體發展、線路佈局,並配合中科院之製造能量,執行電路板與結構體製造,最後太空中心與中科院共同進行太空環境測試包括電機電子零件壽命測試、輻射測試篩選及元件測試熱真空、振動、衝擊、電磁相容驗證。

電路設計上考慮模組相互備份、高可靠度設計、衛星失效安全模式管理、減額設計、大設計裕度、失效隔離設計、雜訊抑制設計,具2千萬指令/秒(20 MIPS)運算處理能力、高速資料通信達2千5百萬位元/秒(25Mbps)、下傳遙測資料速率達8百萬位元/秒(8Mbps)、上傳指令速率達12萬8千位元/秒(128Kbps)、能搭載6個科學酬載共30億位元 (3Gbits)科學資料等功能,而且於軌道上能從地面將飛行軟體完全改版。

衛星電腦外觀及其組成電路板如下圖:

飛行軟體(Flight Software)

福衛五號飛行軟體為國人首次自主發展之高解析度與高機動性遙測衛星控制軟體,經由完全掌握衛星系統、飛行元件控制技術,及飛行軟體整套開發與驗證作業,完成一套我國可傳承之衛星軟體平台架構。

飛行軟體內建即時作業系統,以規劃/協調/執行/監控衛星整體之關鍵系統功能運作,其層面涵蓋衛星之各次系統及元件之操作與控制功能外,並提供失效偵測、隔絕與回復(FDIR)之處理能力。飛行軟體的發展過程,從需求分析定義、軟體設計、程式碼開發及驗證測試之各個環節皆依循ECSS-E-40規範。
飛行軟體可同時提供256個衛星絕對時間指令、10,000個姿態控制相對時間指令與20,000個酬載相對時間指令之儲存空間,並同時監控512個衛星健康狀態點。飛行軟體原始程式碼達120,000行,執行檔大小達750K位元組,存放於衛星電腦記憶體,尚餘一倍的裕度,於必要時能從地面將軌道上之飛行軟體全部改版。

遙測酬載電子單元(RSI EU)

由太空中心、中山科學研究院和鑫豪科技公司合作完成。太空中心負責系統設計、需求訂定、電子零件提供及太空環境驗證,鑫豪公司研發固態記錄器,中科院則負責整體研製和功能測試。

遙測酬載電子單元係自主研發遙測酬載之電子控制與數位信號處理裝置,能處理來自CMOS型聚焦面組合取像之影像信號輸入,同時包括全色及彩色影像各4億八千萬位元/秒(480Mbps),經過小波運算壓縮與高速儲存於1千2百80億位元 (128Gbits)之固態資料記錄器,再以速率達1億5千萬位元/秒(150Mbps)送交X頻段通信次系統下傳至地面影像接收站,並具檔案管理、記憶體檢測及省電模式等功能。

遙測酬載電子單元內外觀圖如下:

▲遙測酬載電子單元由上列電路板構成

▲ 遙測酬載電子單元電路板連線圖

 

CMOS型聚焦面組合(CMOS Type FPA)

CMOS型聚焦面組合由微像公司研製,太空中心與晶片中心進行獨立驗證工作。

可感應4波段(紅外、紅、綠、藍)光及1全色(黑白)光等五段光波,藉由衛星繞行地球過程,將線型CMOS感測器陸續感應到的條狀地表信號依序儲存後下傳至地面,處理為所遙測寬度24公里、解析度為4米彩色光及2米全色光之帶狀地表影像。

CMOS型聚焦面組合外觀如下圖:

▲ 聚焦面組合外觀圖

遙測酬載CMOS型聚焦面組合係自主研發遙測酬載之信號感測裝置,其核心元件為太空規格CMOS感測器C468,由4個世界首創CMOS單晶片拼接(Stitch)而成120mm × 23.2 mm 之大型CMOS複合系統(MSoC Chip)感測IC,每個CMOS複合系統單晶片包含5套不同光波段之的線型光感測器,4條彩色線型光感測器,各含6,000個20微米像素及1條全色線型光感測器,含12,000個10微米像素。

C468晶片及封裝晶片成品如下圖: