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太空科普 人造衛星的分類

作者:陳朝焱
國家太空中心
2020-07-07

衛星由酬載(儀器)的功能進行分類

氣象衛星

所提供的氣象資訊會依酬載的觀測方式而異,傳統的氣象衛星:日本向日葵8號(Himawari 8)提供即時氣象雲圖;新型態的氣象衛星:福衛三號、七號則透過掩星技術提供大氣溫度、濕度、壓力等氣象資訊。

通訊衛星

衛星可接收、發送訊號,用於電視、電話、廣播、網路…,達到跨洋、跨洲的全球即時通訊功能。在家能及時看到NBA籃球賽、跨年煙火、奧運賽事、全球新聞…等,大都靠著通訊衛星幫忙。

定位導航衛星

由訊號接收器(手機)接收來自至少3顆(以上)的定位導航衛星電磁波訊號,接著藉由訊號傳遞的時間差,解算出接收器(手機)的位置(與海拔高度)。定位導航衛星不只用於手機、汽車、船舶乃至飛機,甚至低軌道衛星都用來進行定位。

資源衛星

透過衛星遙測的方式,對地球的環境和資源進行探測,包括海洋、森林、土地、石油、礦物…等資源,還能用來進行土地利用、土壤水分監測、農作物生長、災害救助使用。福衛二、五號即屬資源衛星。

軍事衛星

軍事衛星用於的軍事行為,例如蒐集敵方包括圖像、訊號等情報資訊;軍用通訊、氣象、導航、飛彈預警。因機密需求,軍事衛星大多難以取得其資訊。

科學衛星

搭載科學實驗酬載,提供觀測、實驗數據供科學家進行相關的研究。太空天文界中最知名的莫屬哈伯望遠鏡,透過不斷的維修與更新,已經在太空服務近30年(1990-),超過130萬次的觀測任務,並持續運作。福衛一號也屬純科學衛星,而其他福衛衛星除主要任務酬載之外,另有至少一項科學酬載。例如:福衛二號搭載高空大氣閃電儀;福衛五號搭載先進電離層探測儀。

 
哈伯望遠鏡
圖片來源:https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/hst-sm4.jpg

 

以重量來分,衛星的分類如下表:

分類 重量 範例衛星
大型衛星 > 1000 kg 國際太空站 ISS
中型衛星 500 ~1000 kg 福爾摩沙衛星二、五號 FORMOSAT-2, FORMOSAT-5
小型衛星 100 ~500 kg 福爾摩沙衛星一、七號 FORMOSAT-1, FORMOSAT-7
微衛星 10 ~100 kg 福爾摩沙衛星三號 FORMOSAT-3
奈米衛星 1 ~10 kg 立方衛星 *CubeSat
皮米衛星 0.1 ~1 kg 番薯衛星 YamSat
費米衛星 <0.1 kg  


*Cubesat(方塊衛星):世界公認以10x10x10公分的體積為單位(U),每U的重量不超過1.33公斤,並可依任務需求由多個單位組成(2U、3U、6U…)。

衛星重量比較
圖片來源:Canadian Space Agency.


衛星軌道以繞行的高度、形狀以及傾角來做區分。

高度

衛星軌道依高度可分為

  1. 低軌道(Low Earth Orbit, LEO)2000公里以下。大部分的衛星都在這個軌道高度區間。

  2. 中軌道(Medium Earth Orbit, MEO)2000~36000公里。定位導航衛星(Global Navigation Satellite System, GNSS)就在此高度區間,如GPS、格洛納斯GLONASS、加利略Galileo。

  3. 高軌道(High Earth Orbit)高於36000公里。

形狀

衛星在繞行時,軌道形狀只有2種:圓形與橢圓形。形狀會因為衛星任務不同而選擇,人類日常生活所用的衛星大多採圓形軌道,對於觀測、資料傳送、訊號傳遞等會較為穩定。對於科學用途上的衛星,希望測量、觀測區域能夠包含到較廣的地球環境,會採用橢圓軌道,例如磁層量測衛星THEMIS衛星的繞行近地點約470公里,但遠地點可達8萬7千公里。

傾角

簡單來說就是衛星繞行時,軌道面與赤道面的夾角。如果是60度,衛星所飛行過的區域就在南北緯60度間。福衛五號的傾角為98度,換句話說他的飛行方向與地球運轉方向相反,可飛越的區域為南北緯的82度間。福衛七號的傾角是24度,所以福衛七號只會經過緯度0-24度間的上空,至於福衛七號為什麼能夠提供到南北40度間的氣象資料呢?這又是另一個故事了(掩星觀測)。


福衛七號繞行軌道

另外有幾個特殊軌道提出來介紹

  1. 繞極軌道(Polar orbit):衛星軌道會通過兩極點。

  2. 太陽同步軌道(Sun-synchronous):軌道經設計,讓衛星經過地表上空的「地方時間」固定,例如:福衛二號、福衛五號即是這種特殊軌道。

  3. 地球同步軌道(Geosynchronous),繞行地球一圈正好是24小時,與地球自轉一圈的時間一樣,軌道高度為3萬6千公里。中國的定位導航衛星系統北斗(Beidou Navigation Satellite System),有部分衛星運行此種軌道。

  4. 地球靜止軌道(Geostationary):高度與地球同步軌道相同,但運行在赤道上空,因此會讓人有靜止在天空的錯覺(其實人眼無法看見)。提供衛星雲圖的氣象衛星、通訊衛星大多在這個軌道上。

代表性衛星與衛星軌道
圖片來源:https://www.sciencelearn.org.nz/image_maps/13-satellites-and-orbits

參考資料

  • 范賢娟, 陳靜芬, 卓昆峰 (2016), 我愛讀衛星的故事: 福爾摩沙的繁星, 遠見天下文化出版股份有限公司, ISBN:9864790188, 9789864790180.
  • JAXA, https://global.jaxa.jp/
  • NASA, https://earthobservatory.nasa.gov/features/OrbitsCatalog
  • NASA, https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html
  • https://www.sciencelearn.org.nz/image_maps/13-satellites-and-orbits
  • 國家太空中心, http://www.nspo.narl.org.tw/tw2015/index.shtml
  • 台灣西密斯, http://themis.ss.ncu.edu.tw/about_themis.htm