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福衛七號:GPS不再只是定位和導航
GPS不再只是導航,藉由「無線電掩星技術」GPS更能進行高時間與空間解析度的氣象與太空天氣觀測。「掩星」為天文觀測時,光線通過星體大氣層而產生偏折的現象,在衛星運用中,偏折的資訊經過運算後,我們便能如洋蔥剝皮般地層層了解地球大氣中的溫度、溼度等。掩星技術觀測地球大氣結構能獲得重視,起因於2006我國國家太空中心與美國大氣研究大學聯盟合作的福爾摩沙衛星三號(福衛三號)升空。
 
 

2017年更新:福衛七號原規劃十二枚衛星,分兩組發射,因第二組經費議題,2017年10月,臺美雙方決定不執行第二組衛星。第一組六枚衛星仍依原規劃進行。

 
 
定位與導航

GPS是global positioning system(全球定位系統)的簡稱,是由美國所發射多達三十餘顆的一群人造衛星,均勻散布在6個距離地表約20,200公里的軌道上,朝著四面八方不斷發送帶有時間編碼的訊號。均勻的衛星分布讓地面接收訊號的設備不論在任何地方,都能在同一時間接收到5顆以上來自GPS衛星所發射的訊號。藉由類似三角測量法的方式,把訊號處理後便可以概略定位。若能接收到更多顆的衛星訊號,則能分組計算,提升定位的精準度。

如果接收器本身又有電子羅盤,不僅可以利用GPS訊號提供使用者的經緯度位置與海拔高度,還可以判斷前進的方向,形成了最早期的GPS導航系統。靠著衛星與電子元件所提供的精準資訊,搭配手上的一紙地圖,就不會在高山深谷中或茫茫大海上誤判自己的位置,甚至迷失行進的方向。

隨著科技的進步,利用GPS訊號所得到的位置可以直接標示在數位化的地圖上,不僅可以標定所在位置,還能夠顯示周遭的資訊。使用者在選擇目的地之後,迅速計算最佳路徑並且導引使用者一路抵達目的地。漸漸地,螢幕上的畫面愈來愈精美,地圖中的資訊也愈來愈詳細,並且走向可攜式行動裝置,變成了今日幾乎人人都會安裝在車上或智慧型手機中的導航系統。GPS自此也就和「導航」一詞密不可分,讓世人淡忘了GPS原本只具有單純的定位功能。
 

電波掩星觀測

但GPS可不僅僅提供定位的服務!近年來,靠著均勻分布的定位衛星,以及全球無線電掩星觀測網的建立,也提供高時間與空間解析度的氣象與太空天氣觀測。

「掩星」一詞最早出現在天文觀測時所記錄到的一種現象,指的是離觀察者較遠的恆星所發出的光被距離較近的月球、行星或小行星所遮掩。如果遮掩住遠方恆星的星體有大氣層,即使星體阻擋在觀察者和恆星之間,恆星所發出的光線會在穿過星體的大氣層時產生偏折現象,然後繞過星體傳達到觀察者眼中。這種光線(電磁波)傳播路徑因受到介質條件改變而偏折的物理現象,便促成了無線電掩星觀測的發展。

利用兩顆人造衛星分別擔任恆星(訊號源)與觀察者(接收器),當發射的無線電波穿過星球的大氣層後,便會隨著大氣層中各種條件的改變而產生不同程度的訊號偏折現象。這些受到偏折的訊號透過計算後成為有用的資訊,而能夠演算出大氣中的物理參數。這個觀測技術其實早在1965年的水手四號任務中就已應用在火星大氣的觀測上,只是直到1995年才應用於地球大氣的觀測。
 

利用掩星技術量測地球大氣,遍布四處的GPS衛星自然成了最佳的訊號來源。不過,一開始的衛星任務規畫都只有單一顆人造衛星接收眾多的GPS訊號,雖然觀測資料的品質很好,但能夠提供的資料很少。再加上時間與空間解析度較差,無法有效提供氣象作業單位使用,也難以廣泛應用在大氣和太空科學的研究中。

利用掩星技術觀測地球大氣結構,在初期並沒有受到重視。直到2006年,在國家太空中心與美國大氣研究大學聯盟合作的福爾摩沙衛星三號(福衛三號)升空後,才為掩星觀測開創了嶄新的一頁。
 
 

不同於先前的科學任務,以作業需求為任務導向的福衛三號,一口氣把6顆帶著掩星實驗酬載的微衛星送入6個不同的軌道中。6顆微衛星搭配多達30顆的GPS衛星,大幅提升了掩星觀測的資料密度。福衛三號每天可以提供將近二千多筆的掩星觀測,這些資料經過演算後成了均勻分散在全球的低層大氣與電離層剖線,提供了溫度、壓力、溼度、電子密度等物理參數隨高度的變化。

層層剖析

地球大氣層中的物理參數會因地點和高度而不同,也會隨著時間逐漸改變,如何單靠人造衛星接收GPS的訊號得到最新的地球大氣狀態呢?

當GPS的訊號自衛星發射後,穿越了不同條件的大氣,經歷了數次偏折後才能被人造衛星上的天線接收。接收到的訊號其實已經受到了許多因素的影響,因此單靠一次的掩星資料,最多只能知道訊號所經過的大氣環境中對訊號影響的總量,無法知道訊號傳播的詳細過程。但如果假設地球大氣層是個均勻的層狀結構時,訊號只需偏折兩次(進入大氣層和離開大氣層),就能夠簡化問題並且求得所需要的參數。
 
 
為了能解析衛星所觀測到的掩星資料,科學家假設地球大氣是個球狀對稱分布的結構,由一層層的薄層向上堆疊而成,每一個薄層內的溫度、溼度、氣體密度、電子密度都是均勻分布的。由於地球大氣的密度隨高度逐漸減少,因此愈高的大氣對訊號的偏折也愈小,甚至幾乎沒有偏折現象。在這樣的假設條件下,從一連串的掩星觀測資料中,就能夠以離地表最高的資料為基準開始層層剖析。

首先得到最外層的物理參數做為基準,再由下一筆觀測資料搭配上一層的物理參數,推算向內一層的物理參數。一層層地向內演算,直到最後一筆的觀測資料結束,就可以獲得物理參數隨高度的變化。這些隨高度連續變化的數據稱為大氣剖線或電離層剖線,可以用來了解地球大氣中的溫度、溼度,以及電子濃度隨高度和經緯度的分布。

上述的演算過程就像是把地球大氣假設成像洋蔥般的層狀結構,然後再把洋蔥由外而內地一層一層剝開,因此這樣的反演技術另外有一個有趣的名稱,叫做「洋蔥剝皮法」。
 

 
卓越貢獻

即便氣象觀測站陸續增加,多數的觀測資料也都集中在人口稠密地區,對於廣大的海洋或不利於居住的區域,只有少數的觀測資料可供參考。另一方面,多數的觀測資料僅能提供地面上的氣象資料,高空的氣象資料只能仰賴數量更少的探空氣球觀測。至於能夠提供電離層電子濃度隨高度變化的觀測資料,在世界上更是少之又少,更何況是全球的三維電漿結構。

已經在太空中運作長達10年的福衛三號,掩星觀測提供了來自全球均勻分布的大氣與電離層剖線。目前全球總共有超過70個國家的使用者,把觀測結果應用在各種領域中。廣布的掩星資料補足過去缺乏觀測站點的區域,除了我國的中央氣象局外,包括美國、日本、韓國、歐盟等主要的氣象作業單位,都把這寶貴的觀測資料納入氣象作業系統中,以提升對氣象預報的掌控。

根據歐洲中期天氣預報中心的資料,福衛三號的觀測資料對其降低預報失準的貢獻度可達20%,顯著提升預報的準確性。而國內學術機構、中央氣象局與國研院颱洪中心的分析報告中,也驗證福衛三號的掩星觀測資料可以有效提升颱風路徑與劇烈降水的預報能力。

另一方面,福衛三號的掩星觀測資料增進了電離層太空天氣監測的可能性。累積1個月、1季,甚至是1年的長期觀測資料,更可以幫助科學家了解特定地區或特定物理參數的長期變化情形。像是南、北極區的電子濃度變化、全球三維電離層電子濃度分布、中緯度槽及電漿洞等嶄新發現,讓我們能夠更深入且精準地了解電離層的結構與變化。

台灣的科學團隊也利用福衛三號觀測資料,首次建構出完整的全球閃爍指數分布,做為無線電通訊品質與干擾的重要參考。在科學團隊的努力下,近年來由這些寶貴的電離層資料發展出全球電離層太空的天氣監測與預報模式,未來將在掩星資料的輔助下,提供穩定的預報資料,改善衛星定位誤差,避免劇烈太空天氣變化所造成的無線電電波強度衰減與傳播路徑的急遽改變。
 
 
 
新發展

環繞著地球的定位衛星系統,除了屬於美國的GPS以外,大陸的北斗系統、歐盟的Galileo系統與俄羅斯的GLONASS系統也將陸續投入服務,建構出全球導航衛星系統(global navigation satellite system, GNSS)。為了提高掩星觀測資料的數量和品質,新一代衛星任務除了要能夠接收來自不同系統的訊號以及提升衛星的數量外,也需要讓衛星分布在適合的軌道上,才能讓掩星觀測資料的空間與時間解析度大幅提升。

有鑑於各界對於掩星資料的需求以及福三計畫的卓越成就,國家太空中心與美國海洋暨大氣總署合作規劃新一代掩星星系—福爾摩沙七號衛星(福衛七號)計畫。預計透過2次發射任務,把12顆衛星送入兩組不同傾角的軌道。第1批發射的6顆衛星將停留在傾角20度、飛行高度520~550公里的6個軌道面上運行,提供中、低緯度的掩星觀測資料。第2批發射的6顆衛星將與福衛三號軌道條件相似,傾角提高到72度、高度維持在720~750公里,接替福衛三號提供觀測資料(更新:如同本文首段所述)。

不僅如此,酬載著新一代掩星觀測天線的福衛七號,將可接收來自全球導航衛星系統的訊號,大幅提升掩星觀測的資料量。當福衛七號完全調整至任務軌道後,預期每日可提供約8,000點的觀測資料(更新:每日可提供約4,000點的觀測資料),成為世界上最先進且精準的即時氣象與太空天氣監測衛星。

GPS從設計之初迄今,已經不再只是原來字面上單純的定位功能。在科技的輔助下,舉凡陸海空運輸、大地量測、國防科技等領域都需要GPS的協助,才能讓一切精確可靠、有條不紊。演算方法的改善與太空工程技術的精進,加速了GPS無線電掩星技術的發展與應用範圍,讓GPS不再只是GPS。

現今,大量且即時的掩星觀測資料不僅受到全球各界的矚目,也讓台灣藉由福衛三號太空任務一舉躍上國際舞台。萬眾矚目下,即將發射的福衛七號,期盼能有更多的掩星資料為氣象與太空天氣的監測和預報作業開啟全新的一頁。
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