二十年磨一針！太空魔方—福衛五號科學酬載「先進電離層探測儀」
NSPO / 2015/01/27
國家實驗研究院太空中心福爾摩沙衛星五號之科學酬載「先進電離層探測儀」(註1)，已於2014年3月26日發射升空之探空九號火箭上完成飛行驗證，並在2014年7月完成全功能測試，未來將隨福衛五號在美國加州范登堡空軍基地發射升空。福衛五號除了主要之遙測任務外，亦將以本套科學酬載執行太空科學與地震前兆探測任務。
「先進電離層探測儀」係由國立中央大學太空科學研究所負責研製，為國內自製科學酬載首度登上福爾摩沙衛星，也是國際間首創以單一探測儀實現多合一的電漿量測儀器(註2)，可量測離子密度、離子速度、離子溫度、電子溫度等。如此可大幅減輕酬載重量及耗能，對太空元件極為重要。
本儀器還有另一項特性，即在儀器的探測頭採用高透明度且具有最佳等電位面結構的電鑄純金篩網(註3)來篩選所需偵測之正離子，實驗證明可大幅降低電極污染效應，量測結果誤差較小，且取樣率極高。所謂取樣率，即每秒鐘可進行多少次偵測，與各國儀器相比，本儀器的「最高取樣率」可達每秒8,192次，遠勝於既有儀器(註4)，當衛星在空中高速飛行時，量測電離層「電漿不規則體」(註5)的空間解析度可由公尺級邁向公分級，而可量測其細微結構，對於電離層電漿不規則體的特性研究，將會有突破性的成果。
科學任務
「先進電離層探測儀」肩負我國自主太空天氣與通訊、地震前兆等重要的科學研究與防災任務。現代化生活仰賴衛星科技甚多，太空天氣的變化將直接影響地面與衛星間的通訊品質，若能即時掌握太空天氣變化，則可大幅提升衛星通訊、定位、導航之精確度。
台灣位於低緯度地區，鄰近電漿濃度較高的電離層「赤道異常區」(註6)與常出現「電漿不規則體」的地磁赤道帶，因此「電漿不規則體」的發生時段與複雜的密度結構，對於GPS使用者和其他與衛星通訊相關的民生與國防應用，都會產生很大的影響。「先進電離層探測儀」在小尺度上可量測「電漿不規則體」的空間分布與暫態變化，在大尺度上可求得電漿參數隨經度、緯度、季節與太陽活動的變化，其資料將有助於改善太空天氣預報與全球通訊品質。
此外，台灣位處太平洋地震帶，地震發生的次數頻繁，且有可能發生強烈地震。近年已有許多文獻探討電離層參數變化與地震的關聯度，若能善用「先進電離層探測儀」的量測資料，將有助於電離層地震前兆(註7)等前沿研究，對防災科技的進步提供貢獻。
科研團隊發展歷程
「先進電離層探測儀」係由太空中心於2012年1月13日委託中大團隊研製，是福衛五號所有次系統中最晚啟動、卻能及時於在兩年內完成飛行體的遞交。歷經任務定義、系統設計、初步設計、關鍵設計、遞交模擬器等重要設計與驗證審查，於2013年10月8日完成飛行體允收審查與遞交。為確保任務成功，中大團隊在自我要求下，先將探測器安裝於探空九號火箭，成功通過飛試驗證。在國研院太空中心層層把關下，中大團隊迄今已提交47篇技術報告，足以顯現其研發成果。
國研院太空中心自福衛一號電離層電漿電動儀開始（1994~2004年），便培養中大團隊參與電離層電漿探測活動。該團隊從學習儀器操控與科學資料分析，開啟我國在電離層實地探測的研究領域。迄今中大團隊根據該儀器探測資料所做出的研究與分析，已貢獻超過百篇以上論文，使我國的太空科學研究一舉由過去的資料使用者，轉換角色成為資料供應者，對全世界的太空科學界做出重大貢獻。
在探空火箭科學實驗上，為建立國內科學酬載的自我研製能力，國研院太空中心也協助中大團隊長期參與，學習自製科學酬載。而中大團隊憑藉自教育部獲得的「發展國際一流大學」與「邁向頂尖大學」計畫，配合建立獨特的設計、分析、製作、測試與校正太空酬載的基礎環境與人才培育計畫。從探空五號離子探測儀（2004~2006年）開始學習實驗設計與測試、探空七號電漿探測儀（2006~2010年）於國內自行測試與校正、探空九號太空電漿量測儀（2008~2014年）達成自主酬載的製作與驗證。從以往僅能從事理論與資料分析，進展至能獨立規劃與完成太空科學實驗，有效地提升我國在電離層實地探測的學術能力。
福衛五號科學酬載計畫的目標之一，即是要集合國內相關科研人員，自行研製具有特色的科學酬載，發展本土太空科學研究能力。中大團隊過去已具有火箭級的科學酬載研製能力與成功經驗，在國研院太空中心的督促下，藉由本計畫躍升完成衛星級的「先進電離層探測儀」。在長達二十年的努力下，上述工作與成果將培養出具國際競爭力的研發團隊，大幅提升我國太空科技與科學研究水準成為世界領先群之一。
推廣太空科學教育
除了科學研究外，為推廣與深植國內太空科學教育，國研院太空中心將延續過去「高中生參與探空火箭任務」的活動，進一步與中大團隊合作推動「高中生參與人造衛星任務」，在桃園市教育局與教育部高教司委辦之桃竹苗區域教學資源中心協助下，邀請桃園地區對太空科學有興趣的高中生，共同參與中大團隊所執行的福衛五號科學酬載任務。
配合福衛五號的發射時程，中大團隊將於2015年7月起，利用星期六課餘時間（為期12週，共36小時），向高中學生介紹福衛五號科學實驗相關知識，包含太空科學基礎知識、地球環境、電離層、電漿量測原理、設計與製作科學酬載、電漿與環境測試、資料分析、參觀衛星整測作業等，讓高中生實際參與人造衛星科學實驗活動。
課程結束後，國研院太空中心與中大團隊將從結訓學生中，遴選出表現積極且學習成果優秀的2至4名學生，前往美國衛星發射現場，實際參與發射活動，感受運載火箭發射的震撼，期望能激發國內太空科學教育的火苗並擴大傳播效應，使太空科學教育在國內生根茁壯。
備註：
註1：福爾摩沙衛星五號先進電離層探測儀：包含探測器與科學酬載電子單元。探測器位於衛星頂板，負責探測電離層電漿的特性；科學酬載電子單元則負責酬載指令接收與執行、傳送酬載狀態資料、接收衛星狀態輔助資料、科學資料傳輸、控制與供電給探測器。先進電離層探測儀100%由國人自製，探測器為中大自主研製，科學酬載電子單元則由中大委託國內廠商宗臣科技股份有限公司開發與製作，所有環境測試亦皆在國內完成。
註2：多合一的電漿量測儀器：先進電離層探測儀具備離子捕獲儀、離子流向儀、阻滯電位分析儀、平面式電漿探針等多重功能。
註3：先進電離層探測儀的探測器採用電鑄純金篩網來篩選正離子，不但在具有高透明度（每英吋100條網線，每條網線寬萬分之五英吋，光學透明度為0.9025）下，亦具有最佳的等電位面結構。過去儀器多使用不鏽鋼鍍金的編織篩網（每英吋100條網線，每條網線寬千分之一英吋，光學透明度銳減為0.81；或是每英吋50條網線，每條網線寬千分之一英吋，光學透明度為 0.9025，但是電位均勻度不佳），會造成量測上的失真，且無法避免電極污染效應。
註4：其他相關儀器的最高取樣率，如美國太空總署的DMSP衛星僅每秒24次、歐洲太空總署的DEMETER衛星為每秒160次，而早在1999年發射的福爾摩沙衛星一號為每秒1,024次，已是衛星上的電漿量測儀器中，取樣率最高者。福衛五號的先進電離層探測儀最高取樣率高達每秒8,192次。
註5：電離層電漿不規則體：是電離層電漿密度分布不均勻的結構，大小尺度從幾千公里到幾十公分都有。
註6：赤道異常區：地磁赤道（台灣所處經度的地磁赤道約在地理北緯9度處）附近的電離層電漿，在白天時會受到高空電場與地磁的影響向上舉升。舉升的電漿會因地球重力沿磁力線牽引，在地磁南北緯10~15度（台灣位於地磁北緯13~16度之間）、高度300~350公里的高空大量堆積，成為地球上電漿粒子濃度最高的區域，稱為「赤道異常區」。
註7：電離層地震前兆研究：國研院太空中心首席科學家、中央大學太空科學研究所劉正彥教授研究發現，在大地震發生前1~5天，震央附近上空的電離層電子濃度會發生明顯變化，即電離層地震前兆。
(上圖) 太空魔方－福衛五號科學酬載「先進電離層探測儀」(註1)。
(上圖)先進電離層探測儀裝在福衛五號衛星頂板，其探測頭採用高透明度且具有最佳等電位面結構的電鑄純金篩網來篩選所需偵測之正離子，可減少偵測誤差，是其一大特性。
(上圖) 太空天氣對人類的影響。
(上圖左) 衛星通訊信號或GPS信號穿透電離層時，若遇到電漿不規則體，會造成訊號失真。(上圖右)福衛一號電離層電漿電動儀觀測全球電離層電漿不規則體在各季節的分布圖。
（上圖）中大團隊參與國內各項太空科學任務，分別為福衛一號電離層電漿電動儀（左上）、探空五號離子探測儀（中上）、探空七號電漿探測儀（右上）、探空九號太空電漿量測儀（左下），與福衛五號先進電離層探測儀（右下）。
(上圖) 先進電離層探測儀-中央大學團隊