福爾摩沙的「氣象衛星」
氣象衛星可以在外太空，以高高在上的「上帝視角」俯瞰地球，取得更全面、更完整的氣象資料。臺灣目前共有三組氣象衛星（系），包含已經退役的福衛三號、正在服役的福衛七號，以及即將升空的獵風者衛星。前兩項任務取得了巨大的成功，而最後一項則背負著眾人的心血，即將以「臺灣第一枚自主研製氣象衛星」之名發射升空。
撰文｜許世穎
氣象衛星：用「上帝視角」來看地球氣象
大量的氣象資料有助於讓我們的氣象預報更為精準。氣象資料有許多不同的種類，也有著不同的取得方式。除了地面觀測站、海上浮標、探空氣球等這些局部的觀測以外，還有一種方法，就是發射一顆衛星到太空中，用一種「上帝視角」來觀測地球上的氣象資料。這種衛星稱為「氣象衛星」。
福衛三號
福衛三號（圖1）是我國的第一組氣象衛星，是與美國大學大氣研究聯盟 (UCAR) 共同合作執行。福衛三號並不是「一顆」衛星，而是共由「六顆」衛星所構成的衛星群 (Satellite constellation)。與大多數的氣象衛星相同，這六顆衛星的繞轉軌道接近經度線（軌道面與赤道夾角72°），得以獲取各個緯度的氣象資料。
福衛三號的英文代號除了「FORMOSAT-3」以外，國際上使用的另一個代號為「COSMIC」，英文全文意思是「氣象、電離層及氣候之衛星群觀測系統」(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate)」。從名稱就可以看得出來，福衛三號除了日常使用的氣象資料以外，還會觀測電離層，並進而監控全球氣候。
在當時，大多的氣象衛星都是採取「拍照片」的方式來觀測，我們在氣象預報中常見到的「衛星雲圖」，就是氣象衛星所拍攝的結果。這個方法雖然非常直覺，然而卻有幾個明顯的缺點。比方說，2D照片無法告訴我們立體的分布，而且雲太厚的話，就看不到低空的狀況啦！
福衛三號所使用的「無線電掩星 (Radio occultation)」技術則可以完美解決這些問題。我們可以用水龍頭來理解：當我們打開水龍頭，發現流出來的水是黃色的時候，如果我們確定自來水公司供給的水本身是乾淨的話，馬上就會聯想到：「這些水在輸送的路上被汙染了。」
無線電掩星就是利用類似的概念，首先我們需要一個穩定的無線電訊號源，我們就可以藉由分析這些經過大氣層的訊號，來得知途中大氣層的性質，包含氣壓、溫度、濕度等。為了可以持續地分析大氣資料，這個訊號源必須穩定才行；而且，為了分析全球大氣，這個訊號源必須要在任何位置都接收得到。要去哪裡找這樣一個穩定、又到處都有的無線電波訊號源呢？
答案其實就是我們幾乎每天都在用的「全球定位系統 (GPS)」啦！全球定位系統包含了二十四顆衛星，且保持二十一顆持續運作，成為了無線電掩星技術最重要的資源（圖2）。
由於福衛三號這個「運用無線電掩星」的技術太過新穎，甚至在計畫主持人郭英華博士的投稿下，登上了《自然》期刊的新聞版面！
福衛三號一開始的定位是「實驗型衛星」，目的在於檢驗這個觀測方法的可行性，當初設定的任務壽命僅為兩年。沒想到福衛三號非常耐操，在2006年升空以後，一直到2020年才正式退役。期間所獲得的資料為全世界都帶來了相當大的貢獻，也提升了臺灣在國際上的聲量與能見度。
福衛七號
由於福衛三號的成功，早在2008年，美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 就主動聯繫臺灣的國家太空中心，希望開始規劃下一期臺美合作氣象衛星計畫，以便在福衛三號退役後接續任務，英文代號為「FORMOSAT-7/COSMIC-2」的「福衛七號」因而誕生（圖3）。福衛七號基本上承接了福衛三號的無線電掩星技術，一樣是由六顆衛星所構成，並更進一步提升了各種效能。
不過，福衛七號的六顆衛星與一般的氣象衛星不同，繞轉軌道比較接近緯度線（軌道面與赤道夾角24°），這樣子的設計能更針對中低緯度地區觀測。福衛七號在臺灣地區附近的資料量約是福衛三號的3至4倍，大幅增加全球低緯度地區（包含臺灣）的氣象預報準確度。
或許會有讀者感到疑問：「那福衛七號就沒有直向繞轉地球的衛星了嗎？」其實本來是有的！福衛七號原先規劃時共有十三顆衛星，分為兩組，第一組的六顆衛星是橫繞地球（軌道面與赤道夾角24°），而第二組的七顆衛星則是與福衛三號一樣直繞地球（軌道面與赤道夾角72°）。後來由於美國政策方向改變，最後僅有第一組的六顆衛星發射升空，成為了我們所知道的福衛七號。
福衛七號的衛星本體是委託英國的廠商製造，而衛星上的儀器（i.e., 酬載）、衛星發射由美國負責，臺灣的國家太空中心則專注在系統規劃、整合驗證及地面操控軟體方面的開發。在英、美之間的文化衝突下，當時的計畫主持人朱崇惠老師花了不少心思居中協調、扮演溝通的橋樑。
第二組七顆衛星當中，有一顆衛星並不打算請英國廠商合作，而是規劃交由臺灣自主研發，以增進臺美之間更多的技術交流。在第二組被取消以後，太空中心決定將這顆衛星獨立出來，另外為其設計衛星本體、控制軟體以及任務籌載。這顆衛星，就是即將升空的「獵風者衛星 (TRITON)」。
獵風者衛星
獵風者衛星的主要任務目標是要觀測「風」，尤其針對颱風。臺灣每到夏季最常見的天災就是颱風，其主要成形、增強威力的地方都是在海上，因此獵風者衛星雖然也是運用「無線電掩星」的技術，但其主要觀測的並不是「經過大氣層」受到的影響，而是「被海平面反射」所受到的影響。
在國家太空中心帶領之下，有多達二十組來自產、學、研的單位加入獵風者衛星的研發，最後獵風者衛星達到了82%的自製率。獵風者衛星目前已經運送到了被稱為「歐洲太空港」，位於法屬圭亞那的圭亞那太空中心，預計於今 (2023) 年9月發射升空。作為臺灣第一顆自主研發的氣象衛星，獵風者衛星的完成聚集了許多國人的心血，期待它也能如同前輩福衛三號、福衛七號一樣，在太空中順利運作，為臺灣、為全世界帶來更多寶貴的氣象資料。
參考文獻
- 國家太空中心/歷史計畫/福爾摩沙衛星三號
- 國家太空中心/執行中計畫/福爾摩沙衛星七號
- 國家太空中心/執行中計畫/獵風者衛星
- 蕭俊傑、顏隆政 (2010)，最精準的太空溫度計─福爾摩沙衛星三號，清流月刊，十月號
- 許世穎 (2021)，掌握風雲脈動，福衛七號：臺灣引以為傲的氣象衛星系統，科技魅癮，No. 4
- 劉詠鯤 (2021)，獵捕海面風，新一代氣象觀測利器：獵風者號，科技魅癮，No. 4
- Cyranoski, D, 2001, “Array system promises global atmospheric monitoring.”, Nature 411, 228.
- 王季蘭 (2021)，福爾摩沙飛向太空：臺灣太空科技發展的軌跡，天下文化
- 張璦 (2023)，臺灣自製獵風者衛星背後功臣產學研20單位組國家隊升太空，中央社