除役的高空大氣閃電影像儀

 
2017/06/07 許瑞榮 | 成功大學物理學系教授     296
 

福衛二號科學酬載「高空大氣閃電影像儀」的團隊中,工程團隊成員獲得完善的數據資料供科學團隊使用;科學團隊成員的研究成果也回饋給工程團隊,確保了衛星酬載的操作與數據資料的準確度。

 

長壽衛星福衛二號除役了

 

2016年6月20日,中央社發布了一則新聞:「福衛二號暫時失明 搶救不成可能除役」,當日《自由時報》也以「拍照功能故障 福衛二號瞎了」為標題報導這一則消息。

 

當時,身為福衛二號科學酬載「高空大氣閃電影像儀」(Imager of Sprite−Upper Atmosphere Lightning, ISUAL)執行團隊的我們,知道福衛二號的眼睛 – 遙測照相儀(Remote Sensing Instrument, RSI)– 其實是正常的,故障的是控制衛星飛行姿態的反應輪硬體,它無法讓衛星上的太陽能板對準太陽,以獲得衛星所需的電力。這一池魚之殃,使得遙測照相儀無法精準地攝影,而有這訛說。

 

太空中心的操作團隊在經過三周的全力搶修之後,終於宣告反應輪無法修復,經召開專家會議後,建議讓這顆服役已超過12年的長壽衛星除役。8月1日太空中心正式告知福衛二號除役,8月19日團隊再次到太空中心參加福衛二號光榮除役感恩茶會。至此,ISUAL團隊終於卸下了重擔,而本文就是與國人分享十幾年來我們的成果與心得。

 

科學酬載ISUAL功成身退

 

福衛二號科學酬載「高空大氣閃電影像儀」團隊的主要工作有二:酬載的操作、維護與調校,以及觀測資料的校正、儲存、分送服務與推廣,這部分的工作由陳炳志教授帶領兩位工程師與一位助理所組成的團隊負責,筆者與蘇漢宗教授則從旁協助;科學探索與衛星資料分析,則由團隊的3位教授一起帶領專任助理,以及多位博、碩士生來負責。經費來源大部分來自太空中心所資助的酬載計畫,另外成功大學的頂尖計畫以及3位教授所主持的科技部研究計畫也幫助甚多。

 

這計畫共執行了12年,團隊所獲得的成果可概述如下:

 

酬載操作與資料處理 工程團隊以無失誤的紀錄完成使命,使得每年的觀測時間與記錄到的高空短暫發光事件(transient luminous events, TLEs)都維持相當好的穩定度。另一方面,團隊也建立了資料庫,提供觀測資料的分送服務,讓全世界對高空短暫發光事件有興趣的研究人員可方便使用。

 

目前也已完成科學資料的整併、校正與修訂,並建置了可更方便使用的資料庫與瀏覽器。預期這計畫結束後,資料的永久轉移應能順利進行,以完美的收尾來結束ISUAL科學酬載,為台灣衛星任務在資料的分送服務、儲存與轉移的工作上建立一個可供參考的典範。

 

科學探索與衛星資料分析 目前已完成期刊與專書論文共75篇,其中1篇刊登於國際頂尖期刊《自然》(Nature),40篇則在太空科學中的重要期刊(Space Science Review 1篇,Geophysical Research Letters 11篇,Journal of Geophysical Research 28篇)中刊出,另有撰寫中的論文5篇。會議論文超過220篇,博士論文6篇,碩士論文有21篇。

 

雖然福衛二號除役後無法再獲得更多的觀測資料,但這12年來所累積的觀測資料,仍是全世界收集事件最多、光譜光度資料最完整的高空短暫發光事件資料庫。其全球與多波段觀測的特性,仍會讓這一資料庫具有相當的競爭性,未來還會持續用來培育研究生並發表更多的科學成果。

 

科學教育與科普推廣 在國內的科普刊物中,除了已發表近30篇與福衛二號科學酬載相關的文章外,團隊也曾指導北一女、南一中、台南土城中學與德光中學的高中生從事專題研究。其中台南一中的學生李俊逸獲得台灣2006年國際科展第二名;北一女學生葉冠汝與林柔吟獲得2017年台灣國際科展二等獎,並代表台灣到美國參加國際科展I-SWEEEP競賽,獲得銅牌獎。

 

另外,團隊也積極參與太空科技教育的推廣活動,包括2015年以「高空閃電」為主題參與由台北天文館所舉辦「探索 ─ 光的奧祕」特展,這一特展是聯合國教科文組織所訂定的國際「光之年」(IYL)全球系列活動之一。此外,也曾受邀參與台南市南瀛天文教育園區所舉辦的天文園遊會闖關活動,設計闖關內容,讓民眾從中尋找出紅色精靈。透過活潑的闖關活動,搭配平面海報的學理介紹,以及實際觀測數據,讓大眾能更貼近太空科學。

 

整體而言,福衛二號科學酬載「高空大氣閃電影像儀」的科學任務是非常成功的。除了ISUAL團隊的科學成果優良之外,也已培養了一批衛星科技發展與太空科學研究的人才,並為科學教育做出相當的貢獻。有關ISUAL團隊的科學任務與研究成果,國內科普刊物已做過相當的介紹,不再贅述。在這文章中,將與國人分享ISUAL團隊中的科學團隊與工程團隊密切合作的經驗。

 

修訂飛行軟體的缺陷

 

高空影像儀主要觀測目標是統稱為高空短暫發光現象的紅色精靈、淘氣精靈、精靈暈盤、噴流、巨大噴流等事件。為能了解這些自然現象的物理特性,除了從地面或太空用低光度攝影機或光譜光度計等儀器記錄可見光的訊號外,團隊也在台灣本島陸續建立了極低頻(ELF)、超低頻(ULF)、甚低頻(VLF),以及低頻(LF)等不同波段的天線測站,測量這些現象以及其所對應的閃電所發出的電波訊號,期能了解這些現象的物理特性。

 

然而,計畫初期在找尋ISUAL所觀測到的高空短暫發光事件所對應的電波訊號時,團隊發現有一些離測站很近的事件,照理說應該可以找到對應的電波訊號,然而在ISUAL所記錄的時間點上卻找不到這些訊號,須得反覆尋找才會在落後這個時間點的幾秒處找到可能的對應訊號。經過一段長時間的觀察之後,又發現在衛星每天繞行地球14個軌道中,就會有二、三個軌道所記錄的事件出問題。

 

在2010年中,科學團隊就與工程團隊聯手探討時間延遲的原因,經過仔細檢查前五年發生時間延遲的事件後,終於發現是飛行軟體設計的瑕疵所造成的。

 

由於經費限制,ISUAL酬載中使用了精準度較低的時間震盪器來計時,因此在飛行軟體中就增加了一道校正時間的程序,並設定在每次衛星即將從向陽面進入背陽面時,就得進行酬載與衛星本體間的時間同步校正。一般的GPS時間訊號分為兩種:一種是單純的一秒一個脈衝的訊號,pps(pulse per second);另一種則是時間戳記封包,它也是一秒一個,但裡面帶有下一個pps的時間資訊,會在下個脈衝到達前約0.5秒(500 ms)發出。這兩種訊號是成對的,一個對一個,因此不會有對錯的問題。

 

然而,為了降低衛星與酬載之間的資料量,在福衛二號設計時,把原本每秒一次的時間戳記封包頻率縮成為每60秒產生一次,使得時間戳記封包的訊號與pps訊號一秒一個並不是一對一的。這樣的設計就會造成在下達執行時間校正時,若資料緩衝區內還有上一個時間封包時,ISUAL就會從緩衝區擷取到上一個時間封包用來校正時間,因而造成時間校正偏差,也使ISUAL內的時間都會因校正而變慢幾秒鐘。

 

在未找出ISUAL時間校正錯誤的原因前,ISUAL的排程中下達校時指令的時間點,都是位於衛星進入地球背陽區時刻的前6分鐘。然而,由於衛星每繞一軌所需時間是1小時42分52秒,因此每隔一個軌道,下達校時指令的時間秒數就會少8秒。因為時間戳記封包是每60秒一次,也就是每隔7或8個軌道之後,衛星下達校時的時間秒數就會接近上一個時間封包還在資料緩衝區時間點,屆時就會出現ISUAL時間的校正錯誤。

 

在了解原因之後,只要把下達時間校正指令的時間點,修訂為固定在衛星進入地球背陽區時刻的前6分鐘附近秒數為0秒的時間點,就可避開這一問題。經這一修訂後,ISUAL的事件就再也沒有時間錯置秒數的問題。然而,科學團隊另又發現ISUAL的事件仍會有25毫秒以內的時間延遲。

 

修正酬載的時間精度至2毫秒

 

如前所述,受限於經費,科學酬載使用了精準度較低的時間震盪器來計時,而這震盪器的時間在每一軌道進入背陽面校正完時間之後,隨著時間的增加,時間震盪器的時間延遲就會愈明顯。團隊的博士生黃崧銘(現為台積電的研發工程師)利用四千多個高空短暫發光事件的電波訊號,畫出了延遲時間與校正後觀測時間的線性關係圖,得知在約40分鐘後,ISUAL酬載所記錄的時間會延遲約25毫秒。

 

利用這一關係式,可以把每一個事件發生的時間誤差修正至2毫秒之內。經這修正之後,可以使團隊搜尋對應於高空短暫發光事件電波訊號的效率提高10倍以上。

 

在修訂飛行軟體所造成的秒數錯置,以及時間震盪器所造成的時間延遲等問題之後,團隊也修正了早期的觀測資料中有時間錯置的數據,並把時間的修正量存放在資料檔中,期能提供正確的資料供後續研究人員使用。

 

校正遠紫外光波段光度計的衰減率

 

在長時間的太空任務中,儀器的感光效能會隨時間而衰減,因此需要做軌道上年衰減率的校正。一般都會用自然光源(如月球)做為軌道上光學儀器的校正光源,但是ISUAL酬載的主要目的是為了探測高空短暫發光現象,因此使用了低光度攝影機與光度計,而月光對這些儀器而言都太亮了,因此在ISUAL的觀測過程中都需要避開月光,以免造成低光度攝影機與光度計損壞。也就是說ISUAL的酬載儀器是無法用月光來校正的。

 

當初在儀器設計的階段,為了日後可以校正光譜光度計的年衰減量,在光譜光度儀中裝上一顆發光二極體做為機載校正光源。然而這光源並沒有涵蓋紫外線波段,因此雖然已完成光譜光度計中編號SP2、SP3、SP4、SP5、SP6等5支可見光波段光度計的逐年衰減狀況分析,但是對紫外線波段的SP1以及低光度影像儀的衰減程度一直都束手無策。直到酬載任務的後期,團隊的博士後研究員張淑鈞博士才利用對高空短暫發光現象的科學研究成果,發展出一套方法用以校正影像儀與遠紫外光波段光度計(SP1)的衰減程度。

 

ISUAL的遠紫外光波段光度計SP1可記錄氮氣Lyman-Birge-Hopfield(N2 LBH)的發光譜帶,可見光波段光度計SP4(608~753奈米)主要記錄的則是氮氣的N2 1P的發光譜帶。根據ISUAL的影像儀與光度計SP1、SP4,以及用地面的閃電偵測系統,團隊可以驗證出淘氣精靈事件的影像亮度、SP4光度計訊號強度、遠紫外光SP1訊號的強度,與原生閃電的峰值電流大小之間的關係。

 

因此,張博士以校正過的SP4所收集到的淘氣精靈光度當作標準,再利用SP4光度與影像亮度以及SP1光度的關係,反推出每一個淘氣精靈的原始影像亮度與原始SP1光度。再把歷年來實際所測的淘氣精靈亮度與原始亮度比較,就可獲得影像儀與SP1的逐年衰減率。至此,ISUAL的主要儀器都有了逐年衰減的校正,可提供更正確的資料讓研究人員使用。

 

培養的人才能繼續貢獻所學

 

從以上3個例子,可知除了工程團隊可以用幾乎無失誤的操作獲得完善的數據資料供科學團隊使用外,科學團隊的研究成果也可以回饋給工程團隊,讓衛星酬載的操作與數據資料的準確度更為精進。很幸運的,福衛二號科學酬載「高空大氣閃電影像儀」團隊在國家太空中心的支持下,讓成功大學物理系可以同時建立工程團隊與科學團隊,彼此相輔相成,確保了任務的成功。期望國家未來規劃衛星計畫時,也能提供相同的模式,讓培養出的太空科技人才與太空科學研究人才可以通力合作,繼續貢獻所學。