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無線電掩星技術

※簡介

光在不同介質的傳播速率不同,因此,當光由一種介質進入另外一種介質時,便會發生折射現象。一個最熟悉的例子便是將筷子放入裝水的杯子中,會看到筷子好像彎曲了,這是因為光在空氣與水中速率不同,而造成光的折射。同樣的原理,當無線電波傳播在不同的介質中,訊號的傳播路徑也會產生折射的現象。因此,在軌道上運行的人造衛星,可以運用無線電波與其它人造衛星或地面控制站互相傳送資訊時受到大氣層折射的現象,發展出掩星技術(Radio occultation, RO)。掩星技術可以藉由推算電波訊號所受到的折射,進而得到介質的成份與狀態。

掩星示意圖
(圖檔來源:國立中央大學太空科學與工程學系電離層電波科學實驗室)

電線電波受大氣層折射的影響,造成訊號傳播路徑偏折,因此有機會使原本會被地球阻擋而收不到訊號的衛星,因為訊號路徑偏折而能夠持續接收到訊號。

科學家認為探測大氣垂直結構最有效之途徑為掩星觀測法,並將此方法用在1965年的火星探測,之後陸續應用於金星、月球等星球大氣垂直結構探測。至於掩星觀測真正應用在地球大氣結構觀測,首推1995年大氣研究大學聯盟(UCAR)之microlab 1衛星與後續的衛星計畫,包括CHAMP(德國)、SAC-C(阿根廷)、GRACE(美、德)以及IOX(美國)。在這些計畫中,都只有單一顆衛星進行觀測,並且各有各自的科學目標,因此無法獲得完整且及時的地球三維大氣變化。

2006年所發射的福爾摩沙衛星三號(簡稱福衛三號)是由6顆微衛星所組成,每顆衛星上皆搭載了GPS訊號接收器,可以藉由GPS所發出的電波訊號進行掩星觀測,提供地球表面大氣層及電離層垂直分布結構的詳細資訊。迅速、即時和完整的三維觀測資料,有助於大氣和太空天氣觀測,更可做為天氣預報、研究全球氣候變遷和研究電離層的重要資訊。

國研院國家太空中心在2019年6月25日臺灣時間下午2點30分發射升空的福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)將接替福衛三號後續任務,以一組較低角度的軌道傾角,提供臺灣所在緯度更多且密集的觀測資料。