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福卫五号将载探测仪上太空,台湾防灾科技更新


2020-07-27


福卫五号将载探测仪上太空,台湾防灾科技更新

国家实验研究院太空中心福尔摩沙卫星五号之科学酬载「先进电离层探测仪」,已于 2014 年 3 月 26 日发射升空之探空九号火箭上完成飞行验证,并在 2014 年 7 月完成全功能测试,未来将随福卫五号在美国加州范登堡空军基地发射升空。福卫五号除了主要之遥测任务外,亦将以本套科学酬载执行太空科学与地震前兆探测任务。
「先进电离层探测仪」是由国立中央大学太空科学研究所负责研製,为国内自製科学酬载首度登上福尔摩沙卫星,也是国际间首创以单一探测仪实现多合一的电浆量测仪器,可量测离子密度、离子速度、离子温度、电子温度等。如此可大幅减轻酬载重量及耗能,对太空元件极为重要。

本仪器还有另一项特性,即在仪器的探测头採用高透明度且具有最佳等电位面结构的电铸纯金筛网来筛选所需侦测之正离子,实验证明可大幅降低电极污染效应,量测结果误差较小,且取样率极高。所谓取样率,即每秒钟可进行多少次侦测,与各国仪器相比,本仪器的「最高取样率」可达每秒 8,192 次,远胜于既有仪器,当卫星在空中高速飞行时,量测电离层「电浆不规则体」的空间解析度可由公尺级迈向公分级,而可量测其细微结构,对于电离层电浆不规则体的特性研究,将会有突破性的成果。

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先进电离层探测仪装在福卫五号卫星顶板,其探测头採用高透明度且具有最佳等电位面结构的电铸纯金筛网来筛选所需侦测之正离子,可减少侦测误差,是其一大特性。科学任务

「先进电离层探测仪」肩负我国自主太空天气与通讯、地震前兆等重要的科学研究与防灾任务。现代化生活仰赖卫星科技甚多,太空天气的变化将直接影响地面与卫星间的通讯品质,若能即时掌握太空天气变化,则可大幅提升卫星通讯、定位、导航之精确度。

台湾位于低纬度地区,邻近电浆浓度较高的电离层「赤道异常区」与常出现「电浆不规则体」的地磁赤道带,因此「电浆不规则体」的发生时段与複杂的密度结构,对于 GPS 使用者和其他与卫星通讯相关的民生与国防应用,都会产生很大的影响。「先进电离层探测仪」在小尺度上可量测「电浆不规则体」的空间分布与暂态变化,在大尺度上可求得电浆参数随经度、纬度、季节与太阳活动的变化,其资料将有助于改善太空天气预报与全球通讯品质。

此外,台湾位处太平洋地震带,地震发生的次数频繁,且有可能发生强烈地震。近年已有许多文献探讨电离层参数变化与地震的关联度,若能善用「先进电离层探测仪」的量测资料,将有助于电离层地震前兆等前沿研究,对防灾科技的进步提供贡献。

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  卫星通讯信号或 GPS 信号穿透电离层时,若遇到电浆不规则体,会造成讯号失真。福卫五号将载探测仪上太空,台湾防灾科技更新

图为福卫一号电离层电浆电动仪观测全球电离层电浆不规则体在各季节的分布。科研团队发展历程

「先进电离层探测仪」係由太空中心于 2012 年 1 月 13 日委託中大团队研製,是福卫五号所有次系统中最晚启动、却能及时于在两年内完成飞行体的递交。历经任务定义、系统设计、初步设计、关键设计、递交模拟器等重要设计与验证审查,于 2013 年 10 月 8 日完成飞行体允收审查与递交。为确保任务成功,中大团队在自我要求下,先将探测器安装于探空九号火箭,成功通过飞试验证。在国研院太空中心层层把关下,中大团队迄今已提交 47 篇技术报告,足以显现其研发成果。

国研院太空中心自福卫一号电离层电浆电动仪开始(1994~2004 年),便培养中大团队参与电离层电浆探测活动。该团队从学习仪器操控与科学资料分析,开启我国在电离层实地探测的研究领域。迄今中大团队根据该仪器探测资料所做出的研究与分析,已贡献超过百篇以上论文,使我国的太空科学研究一举由过去的资料使用者,转换角色成为资料供应者,对全世界的太空科学界做出重大贡献。

在探空火箭科学实验上,为建立国内科学酬载的自我研製能力,国研院太空中心也协助中大团队长期参与,学习自製科学酬载。而中大团队凭藉自教育部获得的「发展国际一流大学」与「迈向顶尖大学」计画,配合建立独特的设计、分析、製作、测试与校正太空酬载的基础环境与人才培育计画。从探空五号离子探测仪(2004~2006 年)开始学习实验设计与测试、探空七号电浆探测仪(2006~2010 年)于国内自行测试与校正、探空九号太空电浆量测仪(2008~2014 年)达成自主酬载的製作与验证。从以往仅能从事理论与资料分析,进展至能独立规划与完成太空科学实验,有效地提升我国在电离层实地探测的学术能力。

福卫五号科学酬载计画的目标之一,即是要集合国内相关科研人员,自行研製具有特色的科学酬载,发展本土太空科学研究能力。中大团队过去已具有火箭级的科学酬载研製能力与成功经验,在国研院太空中心的督促下,藉由本计画跃升完成卫星级的「先进电离层探测仪」。在长达二十年的努力下,上述工作与成果将培养出具国际竞争力的研发团队,大幅提升我国太空科技与科学研究水準成为世界领先群之一。

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 中大团队参与国内各项太空科学任务,分别为福卫一号电离层电浆电动仪(左上)、探空五号离子探测仪(中上)、探空七号电浆探测仪(右上)、探空九号太空电浆量测仪(左下),与福卫五号先进电离层探测仪(右下)。推广太空科学教育

除了科学研究外,为推广与深植国内太空科学教育,国研院太空中心将延续过去「高中生参与探空火箭任务」的活动,进一步与中大团队合作推动「高中生参与人造卫星任务」,在桃园市教育局与教育部高教司委办之桃竹苗区域教学资源中心协助下,邀请桃园地区对太空科学有兴趣的高中生,共同参与中大团队所执行的福卫五号科学酬载任务。

配合福卫五号的发射时程,中大团队将于 2015 年 7 月起,利用星期六课余时间(为期 12 週,共 36 小时),向高中学生介绍福卫五号科学实验相关知识,包含太空科学基础知识、地球环境、电离层、电浆量测原理、设计与製作科学酬载、电浆与环境测试、资料分析、参观卫星整测作业等,让高中生实际参与人造卫星科学实验活动。

课程结束后,国研院太空中心与中大团队将从结训学生中,遴选出表现积极且学习成果优秀的 2 至 4 名学生,前往美国卫星发射现场,实际参与发射活动,感受运载火箭发射的震撼,期望能激发国内太空科学教育的火苗并扩大传播效应,使太空科学教育在国内生根茁壮。



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