以 GPS 測知氣象資料，未來颱風假提早預報？來認識福衛七號獨特的「掩星觀測技術」

6 月 25 日六顆福爾摩沙衛星七號將搭乘 SpaceX 獵鷹重型火箭，前往太空接替老兵福衛三號，成為「太空中精準溫度計2.0」，提供即時、可靠的氣象觀測資料。

國家太空中心推估福七可提升氣象預報準度 10%，這個 10% 聽起來好像還好，實際上卻能為災害防範爭取許多時間。以颱風預報來說，提升 10% 等於是將原本三天後颱風預報，往前推 7.2 小時的精準度，也就是在颱風尚未接近陸地前，就能比原先更早預測它接近的影響狀況。假若氣象預報準確度提高，颱風假或許能提早確定呢～（敲碗！）

福七在太空中心整測廠房內，完成振動、熱真空測試、電磁相容等許多測試後，準備前往美國。圖／太空中心提供

全世界對福七會如此有信心，主要是因為福三對數值氣象預報的貢獻。2012 年著名氣象機構歐洲中期預報中心就指出，福三在減少天氣預報誤差的貢獻度是全球前五，台灣許多研究也指出，福三改善了豪雨預報與颱風路徑預報的準度。

使用福衛三號資料的尼伯特颱風預報路徑（REF綠色和BND粉色線），和實際路徑（BEST黑色線）的誤差明顯較小。（圖片提供／太空中心）

GPS不只可以導航，福衛七號還靠它收集氣象資料

「掩星觀測技術」扮演超級重要角色，而 GPS 全球衛星定位系統在這之中可是幫了大忙。

沒錯！就是你開 google 地圖會協助導航的 GPS。我們常接觸的是美國 GPS 系統，目前有 31 顆衛星在兩萬公里高空軌道上繞行地球，當地面訊號站能同時接觸到四顆以上衛星訊號時，便能以三角測量原理協助定位。

而福七正是靠著 GPS 來達成 掩星觀測 ，得到氣象資料的喔！福三計畫主持人、福七計畫副主持人方振洲博士表示，常見的氣象觀測，都是垂直觀測大氣狀況。 探空氣球 是搭載儀器升空測量， 地球同步氣象衛星 則靠著感應地表、陸地與海洋所反射的電磁波能量，計算處理後得到衛星雲圖。

但是福七的掩星觀測技術不同，它並不是直接量測大氣層資料，而是靠著它的主要酬載儀器「全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」（TGRS），橫向接收 GPS 衛星穿入和穿出大氣層所產生的電磁波訊號。電磁波在穿越不同濕度、溫度、壓力的大氣環境時，會產生偏折，藉由觀測訊號轉向、減弱或變慢，便能反推大氣層中濕度、壓力與溫度對訊號的影響，得到氣象數值預報所需的資料。

福三利用 GPS 無線電波掩星量測原理，利用福三所接收的 GPS 訊號折射角度變化，推演相對應的大氣溫度、氣壓和水氣以及電離層電子密度的垂直分佈。圖／太空中心提供

福七最後所接收到的，是經過無數偏折後的訊號，因此若要回推影響某一點的溫度，則必須像剝洋蔥般，由電離層一層層剖析到大氣層，運用大氣密度隨高度上升變小、電磁波訊號折射角變小的原理，根據每一層溫度和折射角變化，慢慢推算出那點的資料。

全世界的定位系統有四種，包括：美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 Galileo 和中國北斗。福七 TGRS 能同時接收美國 GPS 和俄羅斯 GLONASS 兩系統共 55 顆定位衛星的訊號，比福三僅能接收單一系統的資料量多，每天可提供 4000 筆掩星觀測資料。再加上福七是在南北緯 50 度間軌道繞行，以台灣、赤道與低緯度颱風盛行區的觀測為主，不像福三以高緯度軌道全球繞行。因此福七觀測資料密集度更高、資料量更大，必能提升氣象預報的準確度。

除了TGRS外，其他兩個酬載在做什麼呢？

兩片圓圓太陽板的福三小巧可愛僅 62 公斤，相較之下，福七掛著像魚尾般的太陽能板，則像隻巨無霸鯨魚有 300 公斤。福七比起福三多了備份系統，身上酬載儀器也更先進。

福七除了搭載掩星觀測的 TGRS外，還背了 IVM（離子速度儀）與 RFB（無線電射頻信標儀），兩者都是校正 GPS 訊號與輔佐掩星觀測的重要儀器！

因為 GPS 衛星位在兩萬多公尺的高空，它的訊號會穿過大氣層、電離層傳給福七，而電離層會干擾訊號傳送，因此需要透過 IVM 量測電離層離子速度與密度，根據相關數值校正通過電離層的 GPS 訊號。

RFB 是藉由福七發射三種無線電頻段（UHF/L /S + P）至地面站，來量測電離層閃爍，並判定電離層電子密度差異，以便校正 GPS 訊號穿過電離層的誤差。

掌握電離層結構，除了提高 GPS 訊號的精準度、提升掩星觀測的品質，電離層變化也影響太空氣象與電信通訊，近來也有不少研究也在討論電離層變化與地震發生的相關性。福七將繼福三後，成為全球電離層觀測資料的貢獻者。

太空中最精準「溫度計」

為什麼福七被稱為太空中最精準「溫度計」，而不是氣象預報員呢？

太空中心整合測試組組長陳維鈞表示，衛星不能做氣象預報，只能提供觀測資料給氣象局做預測。福七能測得氣象預報所需的重要資料，包括：溫度、濕度與壓力，而它所測得的溫度是不需要以標準溫度去校正的，因此擁有「最精準溫度計」的稱號。

由於福七無法測得風向資料，所以太空中心打造自主研發衛星「獵風者」，最快 2020 年底、2021 年初升空。「獵風者的測量方式更玄！」它是接收海洋所反射的 GPS 訊號，靠著量測海浪速度和高度，來推算海上的風向與風速。屆時獵風者號可攜手福七，提供全球更多氣象預報所需的資料。

獵風者號構型圖。圖／太空中心提供獵風者號構型圖。圖／太空中心提供

因緣際會，成為「掩星技術」的專家

「福三在的那幾年，真的是台灣氣象預報最準的時候！」註方振洲談到福三就於有榮焉，福三可說是全球第一批成功以「無線電掩星技術」來觀測氣象的衛星星系，服役十多年後將要榮退，由福七接手任務。

方振洲說道，無線電掩星觀測很早就有了，像是 NASA 的行星任務，就是用無線電訊號變化，回推行星氣體的資料，美國大學大氣研究聯盟（UCAR）便想將這個技術運用在氣象觀測上。那時無線電掩星技術並不是主流的氣象觀測方式，也沒什麼人相信它會成功，當 UCAR 去找 NASA 時，NASA 說「這是爛計畫！」後來 UCAR 找了台灣當合作夥伴，台灣就開始跟美國優秀科學家合作，打造福衛三號。

「沒想到，福三升空八個月觀測資料就被歐洲中期預報中心納入預報系統，後來美國也納入。」福三證實無線電掩星氣象觀測是可行的。

從 2006 年福三到 2019 年福七計畫，台灣已累積近 15 年的研究能量與衛星操控經驗，陳維鈞表示，這是今日台灣能處在世界領先地位的原因。十多年前，台灣需要倚賴國外系統來操控福三；但到了福七時，台灣已使用自行研發的衛星操控中心，甚至將技術輸出到泰國，協助他們建操控中心。

太空中心衛星操控中心。圖／太空中心提供

福三與福七都是台美合作計畫，美國主要提供酬載儀器，台灣強項則在軟硬體系統整合與衛星操控。福三到福七不僅是觀測精準度提升，即時處理資料能力的速度加快，台灣太空計畫團隊也跟著精進。

未來十年：一年一衛星！

福七是繼福一、福二、福三與福五後第五顆台灣研發的衛星，台灣自 1992 年開始投入太空計畫，至今也不過 26 年多的光景，在遙測衛星與氣象掩星衛星都有卓越成就。下一步台灣將以帶動國內太空產業鏈為目標，朝「一年一衛星」邁進。

不過，你或許會納悶光學遙測衛星福二 2004 年發射至 2016 年除役，執勤 12 年才由福五接替，福三 2006 年升空至今仍等待福七交班，台灣衛星普遍工作到最後一刻，才有另一批衛星接替，因此科技部部長陳良基說「未來十年，每年發射一顆衛星」會不會太好高騖遠呢？

國家研究院院長王永和坦言「國家太空中心只有 200 人，要做到這樣的計畫很辛苦！」過往許多衛星關鍵零組件，台灣都要自行開發，雖然提升了太空發展的難度，但也給予挑戰的機會。太空中心原則上已規劃十顆衛星，有八枚類似福五的光學遙測衛星，兩枚合成孔徑雷達衛星。合成孔徑雷達衛星能夠做環境和災害預測，在取像上不受天候影響。

國家太空中心副主任余憲政表示，明年初預計有顆 1.5 U（15cm x 15cm x 15cm）小型實驗立方衛星升空，執行船隻和飛機的定位，而立方衛星也是太空中心想發展的項目之一，因此未來每年可能不只有一顆，可能一年有兩顆以上喔！

2019 年太空三期計畫實施，搭配一年一衛星的願景，將帶動國內太空產業。以福五為例，福五是台灣完全自主研發的衛星開端，從投入經費比例來看，它的自主元件比例為 70-75%，而預計在 2021 發射的獵風者衛星更「台」，自主元件比例高達 87%。密集衛星計畫提高太空元件自製率，有助於本土電機與電子業跨足太空領域，並創造更多國際合作機會，讓世界看到台灣的實力。

• 註解：福衛三號星系中多數的衛星目前已無法傳送資訊予地面站了。

想了解更多有關福爾摩沙衛星的各種小知識嗎？請見下篇：關於福衛七號的幾個問與答

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