第268期

100%台灣製造衛星 福衛五號

台灣首次100%自製衛星「福衛五號」,是很多人的心血結晶。從製造到發射後的今天一直面臨挑戰,此篇帶你一同認識這個從困難中堅韌成長的衛星。

100%台灣製造衛星 福衛五號

葉宜瑩

福爾摩沙衛星五號是台灣第一個自主研發製造的衛星,在台灣時間2017年8月25日於美國范登堡空軍基地順利發射。不過在9月19日卻有報導指出福衛五號CMOS元件發生問題,導致衛星空拍回來的影像模糊,甚至有光斑的現象,如果無法修復,恐怕投入計畫中的56億經費猶如打水漂。國家實驗研究院隨即發出說明稿提出解決方案,也證實了福衛五號確實存在著影像解析度上的問題。

儘管如此,無論影像問題最終結果如何,並無法抹去在這七年當中台灣衛星技術的進步。福衛五號究竟在哪些技術上有所突破?它的任務又是什麼?目前的問題又該如何解決?都值得我們了解與關心。

福衛五號首次與地面站取得聯繫(波形突起之處),民眾與媒體爭相拍照。(圖片來源/葉宜瑩攝)

首次台灣自製衛星 備受期待

在福衛五號計畫之前,台灣的衛星計畫都是與經驗豐富的主合約商合作,例如美國、歐洲等航太技術先進國家。主合約商會負責處理技術上以及計畫管理等大部分問題。二十多年來台灣的航太發展依附在其他國家下,顯而易見地,台灣的技術想要進步就必須獨立自主研發,而福衛五號計畫即是此想法下的產物。

經過國家實驗研究院決策之後將福衛五號定位為遙測任務衛星,也是為了接替2016年被除役的福衛二號的任務。福衛二號原先計畫為五年役期,最後延續使用了十二年(2004年5月至2016年8月)才因故障而除役。任務期間曾拍攝過南亞大海嘯、八八水災及中國四川大地震等等災害影像,提供即時的災況資訊。身為台灣首次自製衛星以及接替功成身退的福衛二號,福衛五號的表現備受期待。

(左圖)福衛二號回傳小林村八八水災前影像與(右圖)災後進行對照。(圖片來源/國家實驗研究院

光學遙測酬載 研製困難

「光學遙測酬載」是福衛五號最主要的任務酬載,讓福衛五號能夠像一個大型的照相機一樣在太空拍照。但也因為升空後距地表720公里,要在這麼遠的距離拍清楚地表上兩公尺大小的物品(對地解析度:黑白影像2公尺,彩色影像8公尺),鏡頭的設計就必須夠大。國家太空中心正工程師黃柏瑄表示,在設計遙測酬載項目上遭遇到許多困難。鏡片不只要夠輕,還要夠堅固。因為在火箭發射階段衛星要承受25個G力(重力加速度),以福五的鏡片質量為10公斤計算,在發射階段就會變250公斤,如果結構不夠堅固會被自身的重量壓垮。

除了輕量化與結構穩固之外,還必須耐高溫以及抗寒。整合測試組組長陳維鈞解釋:「福五每100分鐘會繞行地球一圈,在這一圈裡衛星會遭遇極冷與極熱的環境,低溫可達攝氏負120度,高溫可達攝氏120度。」鏡片要承受高溫差而不變形,也相當考驗材質的選擇以及組裝方式。在鏡片的調整以及測試,就整整花了一年的時間。

世界唯一衛星採用 CMOS感測器 

在9月19日報出疑似影像模糊的原因是光學遙測酬載中的核心元件CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互補性氧化金屬半導體)感光元件故障,而後國研院證實CMOS感測器狀況正常,影像品質問題並非此元件緣故。但此事件也讓大家注意到CMOS感測器。國家太空中心網站指出CMOS感測器可感應四彩色:紅外、綠、藍、紅光及一個全色(黑白)光五段光波,並將感應到的信號傳至遙測酬載電子單元儲存,再透過遙測酬載電子單元處理後將信號回傳至地面站,完成拍攝的流程。

福衛五號是全球唯一使用CMOS感測器的高解析度衛星,這個創舉起因為國外為了防止衛星相關技術外流,限制相關元件出口,使台灣無法購入國際慣用的CCD (Charge Coupled Device,感光耦合元件)規格感測器,但也因此更堅定台灣自行研發的想法。「我們希望利用國內半導體的優勢來發展CMOS感測器。我們也跟很多半導體廠商討論,用了比預期時間還要長很多,但是最終我們還是把它完成了。」計畫總主持人張和本說。

遙測與科學研究兼具

除了上述的「光學遙測酬載」之外,福衛五號還搭載了國立中央大學太空科學研究所研發的「先進電離層探測儀」(AIP)。這個由該研究所教授趙吉光帶領研究生們一起研製的「先進電離層探測儀」可量測電離層的電漿特性,包含電漿的密度、速度及溫度等參數,這些資料還可以提供國內外學校或是研究機構作為科學研究題材。

太空中心解釋,電離層是因為高空中的氣體受到宇宙射線直接照射,因而被部分解離成帶正電的電子和帶負電的離子,形成了電漿態,也因此被稱為電離層。電漿態的特性會反射和折射電磁波,所以地球上的長距離無線通訊就是利用這些高空中的電漿反射來進行。

衛星信號如果碰到電漿不規則體,會產生訊號失真的狀況。(圖片來源/國家實驗研究院)

趙吉光補充:「電離層很容易發生不同變化,形成電離層不規則體,會造成地面與衛星之間的通訊造成斷訊,進而影響人類生活。」除了有助於提升通訊品質與改善天氣預測,這些電離層資訊目前對於地震前兆研究上是有幫助的。善用「先進電離層探測儀」所量測的資料,有助於未來的防災科技技術。

福衛五號的價值:經驗提升

對於福衛五號回傳影像模糊以及出現光斑的情形,國家實驗研究院說明稿中提出三項解決方案:「分析後研判,模糊不清及光斑皆是由於焦距偏移所造成。目前尚無法得知此一焦距偏移的產生原因。初步規劃下列三種解決方式:一、根據熱漲冷縮原理,改變衛星內部溫度,以改變遙測取像儀的焦距。二、改變衛星的高度,以符合目前遙測取像儀的焦距,然而此一作法可能會縮短任務壽命。三、以福衛五號影像和過去福衛二號拍攝的影像對比,用軟體進行「回溯修正」(deconvolution),改善解析度。」

當提及福衛五號如無法修復,是否失能?太空中心正工程師林信嘉回應:「影像解析度比預計的2公尺粗,但仍有用途,例如農業調查、災害狀況。商業上,也仍可以使用,只是售價較低。」加上先進電離層探測儀運作順利,所以福衛五號還不至於「失能」,只是「失焦」。失焦的問題正在調整當中,畢竟首次自製衛星發生的狀況都是經驗的累積,而福衛五號也是排除上述各種困難而被研製出來,太空中心也期望國人能再多給一點時間以解決狀況。

從製造到發射再到現在地面站的接收及資料處理,看見台灣航太科技踏出了一大步,張和本表示:「在這個過程當中,看見同仁的成長以及自信心的增加。透過這次學習到的經驗,相信之後進行衛星計畫會更加順利。」此後台灣航太的發展將可以降低對國外技術以及元件的依賴,是我們值得欣慰的時刻。

福衛五號是許多人的心血結晶,也是台灣航太的里程碑。(圖片來源/國家太空中心

記者 葉宜瑩
感恩我是我
編輯 顏維萱
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記者 葉宜瑩
編輯 顏維萱