量子資訊科技的近況、挑戰、與展望
預計2022年發射的獵風者衛星(TRITON)是臺灣第二顆自製衛星,它除使用更多國產元件外,也將搭載首次由國內團隊開發的GNSS-R接收儀酬載。獵風者衛星將運行在高度600公里左右的太陽同步軌道,蒐集由地表反射的GNSS系統訊號,可以進行土壤特性、海氣交互作用、颱風強度預測等相關研究。本文首先簡單說明利用GNSS反射訊號量測海面風場參數的原理,接著說明獵風者衛星的發展及其酬載特性,最後則是介紹國內開發獵風者資料處理系統的相關特點。
為進行海洋環境管理,包括:海洋污染防治、海洋水質維護與海洋環境監測等,必須能有效獲取海洋環境的資料,其中,海面風場是重要的觀測資料來源。目前藉由衛星來獲得海面風場資訊的主要途徑有二,一是衛星雲圖觀察,但此方法不夠精確;二是透過衛星上的酬載發射微波訊號來量測,惟完成近即時觀測(near-real-time observation)成本太高。基於上述理由,近年來許多國家投入相關研究,利用導航訊號的反射來量測海面風場成為的一項熱門課題。透過導航訊號反射測量海面風場技術的起源,可以回朔到1994年法國科學家首次發現飛機上的GPS接收機可以收到GPS來自海面的反射訊號,而美國學者則認為此雜訊或許是一種新的遙測方式,自此各界展開許多利用GPS反射訊號(以下稱GNSS)的相關研究。由於海面風場會影響海面粗糙度的變化,微波的散射截面與海面粗糙度具備高度相關性,所以透過海面散射訊號可以反演獲得海面的風場參數,例如風速與風向。
臺灣第二顆自製衛星-獵風者衛星(TRITON),預計在2022年第四季發射,將運行於離地550公里至650公里高的太陽同步軌道。獵風者衛星重達300公斤,除了在衛星本體設計上使用較福衛五號更多的國產元件,包括:衛星電腦、電力控制單元、GPS接收機、光纖陀螺儀以及推進系統外,最重要是它搭載由國家太空中心、成功大學與工業技術研究院團隊自製的GNSS-R接收儀酬載,可以在低軌道蒐集由地表反射的GNSS系統訊號,以進行土壤特性、海氣交互作用、颱風強度預測等研究。
低軌道衛星收集的GNSS反射訊號經過資料反演後可得到海面風場資料,因目前於高風速反演觀測仍有許多不確定性,獵風者衛星的GNSS-R接收儀具備在軌軟韌體修改功能,可提供科學任務操作及應用的擴增性。此外,GNSS-R接收儀也可以接收日本準天頂系統(QZSS)衛星訊號,此一特性將可增加2倍的資料觀測數,大幅提升衛星在東亞地區海面風速的觀測能力,進而提高對劇烈天候預測的準確度。
最後在資料提供系統開發方面,太空中心、中央大學以及中央氣象局共同發展獵風者資料處理系統,其中太空中心發展的演算法,可消除不同訊號結構的影響,提高反演結果的空間解析度;中央大學發展的演算法則是考量波浪動力學以及海氣交互作用的因素,可提升反演結果的準確度;而中央氣象局則是以現有臺灣掩星處理系統(Taiwan Radio Occultation Process System,以下簡稱TROPS)為基礎,將上述太空中心以及中央大學所發展的演算法模組整合在TROPS平台。未來獵風者衛星發射升空後,該資料處理系統可以快速進行自動化處理,提供高解析度與準確度的海面風速反演產品給使用者,為臺灣海洋環境管理做出貢獻。
延伸閱讀-科技部(科技大觀園)
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