張起維／中央大學太空科學與工程系教授，飛鼠衛星開發團隊主持者。研究領域為人造衛星開發及地球的高層大氣。

 

 

對於現代社會來說，太空科技與太空飛行已經不再只是科幻故事的情節，或少數國家才能掌握的科技。事實上，太空科技已經在你我的日常生活中扮演重要的角色。舉凡智慧型手機的衛星導航功能、手機 app 上的衛星影像及遙測等功能。

最近大家的資訊生活應該都充斥著 5G 行動通訊系統開通的訊息，但其實 6G 行動通訊系統已經有人在布建了。你可能想說，5G 明明就還沒深入我們的生活呀，怎麼就有建造 6G 的消息呢？但這其實並非空穴來風。事實上，美國的 SpaceX 所規劃的星鏈計畫（Starlink）就是打算以一萬多顆衛星組成星系，包含 Spire 及 Satellite AIS 物聯網追蹤衛星星系，拓展衛星超級星系（mega constellation）平台搭建 6G 行動通訊系統。為了順利搭建這些衛星平台，需依賴無線電波進行資料的傳輸，以及預測衛星在軌道上的運動與軌道變化，以利追蹤並滿足飛控及與地面站通訊的需求。但問題是，這些技術還要面臨許多的挑戰。

其中一個問題，就是太空環境的變化，簡單來說就是太空氣候與太空天氣。由中央大學所設計研發的飛鼠衛星（Ionospheric Dynamics and Attitude Subsystem Satellite, IDEASSat）就是為了監測人造衛星飛行的低地球軌道太空天氣而生。

 

飛鼠衛星是什麼？

飛鼠衛星是一顆 3U 立方衛星，命名是參考中央大學的松鼠吉祥物，且衛星在太陽能板及天線彈射後類似飛鼠的長相（圖一）。此衛星是由筆者所率領的團隊，並與美國科羅拉多大學（University of Colorado at Boulder）及印度太空科學與科技學院（Indian Institute of Space Science and Technology）合作開發。團隊的主要成員為中央大學的學生，並由三間學校教師及工程師協助指導。

 

▲圖一：飛鼠衛星彈射後的飛行示意圖。圖片來源／作者提供

 

大氣渦流會影響衛星的訊號傳遞

「一閃一閃亮晶晶」是大家耳熟能詳的兒歌，但誰也沒想到的是，這些閃亮的星星對於以無線電波進行的衛星通訊與衛星導航會造成許多的困擾。其實，不論是可見光或無線電波，這些波段在通過不同的介質時都有可能被折射或反射，導致電波的傳播方向及時間被嚴重影響。另外，如果介質分布不均勻，還會產生散射的現象，導致傳到另一端的訊號呈現忽強忽弱的訊號閃爍（scintillation）。兒歌中閃爍的星星，就是因為來自天體原本亮度穩定的可見光受到低層大氣渦流散射而產生。

位在 50～1,000 公里高度間的電離層，是地球高層大氣空氣吸收太陽及紫外線所產生的電漿，並與高度 50～90 公里的中性空氣所組成的中氣層（mesosphere），以及高度 90～ 1,000 公里的熱氣層（thermosphere）形成低地球軌道的太空環境，將影響衛星的通訊及導航功能。由於電離層的電漿會對無線電波產生折射現象，進而改變無線電波的傳播方向與速度，造成衛星定位準確度下降。

電離層的電漿結構也會應用在遠距離無線通訊上面。向上斜線發射的高頻（3～30 MHz）無線電波可以從電離層電漿反射，進而傳遞到地平線以外的遠距離。這種超視線通訊被應用於航空、航海通訊、短波國際廣播及軍用的遠距離雷達通訊。如果能了解電離層，便可增加衛星導航的準確度，以及超視線通訊訊號傳遞方向與距離的預測。

由於電離層電漿是吸收太陽及紫外線所產生，所以在夜間沒有太陽照射時，200 公里以下由分子離子組成的下層會迅速重組；200 公里以上的電漿重組速度較慢，導致電離層上層的電漿濃度遠大於下層。在這種頭重腳輕的不穩定狀態下，若有大氣波動傳過，就會觸發瑞利－泰勒不穩定（Rayleigh-Taylor Instability），導致上層的電漿沿著地球磁力線向下崩塌，形成電離層中的電漿泡。電漿泡會讓衛星的訊號出現閃爍（圖二），最嚴重的狀況則可能導致衛星通訊及定位失靈。簡單來說，連手機上的導航軟體無法使用，想找路都有困難；這個問題甚至還曾導致美軍在 2002 年的阿富汗戰爭行動時，無法收到通訊衛星發送的警告訊號。因此，電漿泡所產生的閃爍現象是太空天氣預報與監測的重要目標之一。

 

▲圖二：從國際太空站上以可見光觀察到的電漿泡。圖中紅色的發光區域，為 200～500 公里高度的電離層電漿所發出的氣輝（airglow）。圖中右側可以看到氣輝層右上方斜線有個較暗的區域，代表電漿濃度異常低，也就是產生衛星定位及通訊訊號閃爍問題的電漿泡。

 

而中性的熱氣層也會對低軌道人造衛星產生空氣阻力，導致衛星的軌道偏離，難追蹤到衛星。找不到衛星已經很麻煩了，更糟糕的是，在狀況嚴重時，甚至會造成衛星脫離軌道而墜毀。所以說熱氣層與電離層的密度、化學組成與流動，是科學家對於太空天氣的重要探查目標。

 

飛鼠衛星搭載的裝備及任務目標

飛鼠衛星的任務目標是探查 500 公里高度軌道的電離層結構，並透過衛星軌道的變化來了解空氣阻力的影響與變化。飛鼠衛星上頭的酬載是由中央大學太空科學與工程系教授趙吉光所開發的微小電離層探測儀（compact ionospheric probe, CIP）。CIP 的大小約 10×10×7  公分，可以測量電離層電漿濃度、溫度、化學組成與流動。而 CIP 也可以視為縮小版福衛五號所搭載的先進電離層探測儀（advanced ionospheric probe, AIP）。

此外，CIP 及飛鼠衛星的電力次系統、衛星電腦、飛行軟體及結構皆由中央大學團隊自製，並搭配其他外購的通訊及姿態控制次系統，再由團隊的學生學習操作並與其他次系統進行整合。

因為 CIP 對電力、下傳資料量及指向控制的要求相當高，而為了滿足衛星的指向控制，飛鼠衛星使用相當高階的姿態感測與控制次系統（attitude determination and control subsystem, ADCS）。該系統能以追星儀、磁力計及太陽感測器等儀器進行判斷，再用反應輪及磁力棒調整姿態，最後再以 GPS 接收器進行導航。

電力系統方面，為了增加發電量，衛星包含一面固定及兩面彈射太陽能板。在日照的狀況下，飛行軟體會將太陽能板表面朝向太陽；而在非日照的狀態下，則會以 CIP 進行電漿觀測。

為了滿足衛星控制及科學資料傳輸的需求，飛鼠衛星使用業餘無線電頻段發送指令及追蹤訊號發射，並以傳輸速度較快的頻段回傳龐大的資料。此外，飛行軟體同時會自主判斷衛星是否進入地面站的通訊範圍，並且將天線指向地面站建立通訊連結。

 

▲圖三：飛鼠衛星飛行體組裝的過程。圖片來源／作者提供

 

▲圖四：團隊成員對組裝、整測完成的飛鼠衛星進行最後調整，準備綁下可彈射的太陽能板及天線。圖片來源／作者提供

 

飛鼠衛星發射後與臺灣未來的太空科技發展

飛鼠衛星預計 2020 年 12 月由SpaceX 的獵鷹 9 號運載火箭（Falcon 9）以共乘的方式，發射到高度 500 公里的太陽同步軌道。後續將由中央大學的衛星團隊進行飛控、追蹤及科學資料接收與分析。透過飛鼠衛星任務開發，團隊的師生不只能獲得衛星系統工程的實作經驗，也可大幅拓展中央大學的太空科學研究能力並與臺灣太空產業界連接。

目前中央大學已在 2020 年 8 月整合原有的太空科學與工程所及大氣系太空組，成為全國第一間太空科學與工程研究所，並與兩年前新成立的太空科學與科技研究中心，也將繼續進行衛星科技及應用太空天氣研發與產學合作。

而透過本次飛鼠衛星的開發經驗，團隊另外向科技部與教育部爭取資源開發新的 12U 立方衛星（scintillation and ionosphere extended, SCION-X）進行電離層、低層大氣與空氣汙染研究，甚至也有與美國、印度及新加坡等友校另外開發兩顆攜帶有 CIP 為科學酬載的小型衛星任務：INSPIRESat-1 及 ARCADE。未來期許這些小型衛星所提供的 CIP 電離層觀測，能夠大幅拓展並延伸福衛五號所提供的電離層太空天氣觀測。

 

延伸閱讀

1. Ionospheric scintillation, https://reurl.cc/EzXokA.

2. David Shultz, Atmospheric Drag Alters Satellite Orbits, Eos, 2020.

3. Yi Duann et al., IDEASSat: A 3U CubeSat mission for ionospheric science, Advances in Space Research, 2020.

 

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