航測及遙測學刊

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2 航 測 及 遙 測 學 刊 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 發 行 人 : 陳 良 健 出 版 者 : 中 華 民 國 航 空 測 量 及 遙 感 探 測 學 會 地 址 : 台 北 市 文 山 區 羅 斯 福 路 五 段 113 號 三 樓 信 箱 : 台 北 市 郵 政 號 信 箱 電 話 : 傳 真 : 電 子 信 件 :[email protected] 網 址 : 總 編 輯 曾 義 星 國 立 成 功 大 學 測 量 及 空 間 資 訊 學 系 電 話 : 分 機 傳 真 : 電 子 信 件 :[email protected] 編 輯 委 員 農 林 鄭 祈 全 ( 文 化 大 學 ) 申 雍 ( 中 興 大 學 ) 海 洋 與 大 氣 劉 振 榮 ( 中 央 大 學 ) 何 宗 儒 ( 台 灣 海 洋 大 學 ) 防 災 劉 進 金 ( 達 雲 科 技 有 限 公 司 ) 徐 百 輝 ( 台 灣 大 學 ) 土 地 利 用 與 覆 蓋 陳 永 寬 ( 銘 傳 大 學 ) 詹 進 發 ( 政 治 大 學 ) 地 理 資 訊 系 統 何 維 信 ( 中 華 科 技 大 學 ) 蔡 榮 得 ( 中 興 大 學 ) 遙 感 探 測 陳 良 健 ( 中 央 大 學 ) 蔡 富 安 ( 中 央 大 學 ) 攝 影 測 量 與 光 達 廖 揚 清 ( 成 功 大 學 ) 史 天 元 ( 交 通 大 學 ) 趙 鍵 哲 ( 台 灣 大 學 ) PUBLISHER: L. C. Chen PUBLISHED BY: Chinese Society of Photogrammetry and Remote Sensing Address: 3F, No.113, Sec.5, Roosevelt Road, Taipei, Taiwan Mail Address: P. O. Box , Taipei, Taiwan Tel: Fax: [email protected] Web Site: EDITOR-IN-CHIEF Yi-Hsing Tseng Department of Geomatics, National Cheng Kung University Tel: ext Fax: [email protected] EDITORIAL BOARD Agriculture and Forestry C. C. Cheng (Chinese Culture University) Y. Shen (National Chung Hsing University) Oceanography and Atmospheric Science G. R. Liu (National Central University) C. R. Ho (National Taiwan Ocean University) Disaster Management J. K. Liu (LIDAR Technology Co., Ltd) P. H. Hsu (National Taiwan University) Land Cover and Land Use Y. K. Chen (Ming Chuan University) J. F. Jan (National ChengChi University) Geographical Information System W. H. Ho (China University of Science and Technology) J. D. Tsai (National Chung Hsing University) Remote Sensing L. C. Chen (National Central University) F. a. Tsai (National Central University) Photogrammetry and LiDAR Y. C. Liao (National Cheng Kung University) T. Y. Shih (National Chiao Tung University) J. J. Jaw (National Taiwan University) 封 面 圖 片 說 明 About the Cover 福 爾 摩 沙 衛 星 七 號 (FORMOSAT-7/COSMIC-) 為 臺 美 大 型 科 技 合 作 計 畫, 延 續 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 任 務, 目 標 為 建 立 一 高 可 靠 度 操 作 型 氣 象 衛 星 星 系 規 劃 以 1 顆 衛 星 分 批 發 射, 組 衛 星 分 別 部 署 在 高 低 兩 種 傾 角 第 1 組 衛 星 觀 測 資 料 集 中 於 中 低 緯 度, 第 組 衛 星 將 佈 署 於 高 傾 角 軌 道, 提 供 全 球 密 集 且 均 勻 的 觀 測 資 料, 且 其 觀 測 資 料 不 受 陸 地 海 洋 分 布 之 限 制 有 助 於 改 進 全 球 預 報 模 式, 及 提 升 台 灣 地 區 颱 風 與 西 南 氣 流 等 天 氣 系 統 有 關 的 預 報 能 力 本 計 畫 著 重 於 臺 灣 社 會 民 生 及 科 學 研 究 的 貢 獻, 使 臺 灣 成 為 世 界 太 空 領 域 的 重 要 成 員 之 一

3 專 刊 引 言 遙 測 衛 星 II 張 桂 祥 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 自 1957 年 蘇 聯 第 一 顆 人 造 衛 星 Sputnik 發 射, 人 類 開 始 進 入 太 空 時 代 以 來, 短 短 不 到 60 年 的 時 間, 全 球 擁 有 衛 星 的 國 家 已 超 過 60 多 個, 相 當 於 全 球 每 年 有 一 點 多 個 國 家 成 為 新 興 太 空 國 家 的 一 員, 而 我 們 台 灣 是 世 界 上 第 33 個 擁 有 衛 星 的 國 家 比 較 這 些 國 家 在 太 空 領 域 的 發 展 途 徑, 除 了 少 數 傳 統 太 空 強 權, 如 : 美 國 俄 羅 斯 法 國 英 國 日 本 中 國 印 度 與 以 色 列 等 具 有 完 整 太 空 系 統 ( 包 含 發 射 段 衛 星 段 地 面 段 ) 的 技 術 能 力 外, 大 部 分 後 進 國 家 的 太 空 發 展 步 驟, 首 先 藉 由 太 空 大 國 的 技 術 輸 入, 逐 步 建 立 起 本 身 的 太 空 技 術 能 量, 當 一 旦 累 積 足 夠 的 能 力 之 後, 便 開 始 朝 向 獨 立 自 主 發 展 台 灣 作 為 一 個 太 空 的 後 進 國 家, 所 選 擇 的 學 習 曲 線 也 不 例 外 我 國 自 1991 年 開 始 推 動 第 一 期 長 程 國 家 太 空 計 畫, 太 空 科 技 的 養 成, 以 循 序 漸 進 的 模 式, 由 學 習 參 與 到 合 作 的 執 行 策 略, 成 功 地 執 行 福 衛 一 號 福 衛 二 號 與 福 衛 三 號 三 項 計 畫 台 灣 藉 由 這 三 項 計 畫 的 執 行, 建 立 地 面 操 控 衛 星 整 測 設 施 與 遙 測 衛 星 設 計 與 遙 測 衛 星 影 像 處 理 等 基 礎 技 術 能 量, 也 因 此 在 第 二 期 長 程 國 家 太 空 計 畫 當 中, 福 衛 五 號 計 畫 在 衛 星 本 體 與 遙 測 酬 載 採 取 完 全 自 主 發 展 的 方 式 來 執 行, 而 在 福 衛 七 號 方 面 除 接 續 福 衛 三 號 採 取 國 際 合 作 的 方 式 外, 亦 自 主 研 製 一 枚 技 術 驗 證 衛 星, 並 搭 載 數 項 關 鍵 元 件, 且 同 步 發 展 GNSS 掩 星 氣 象 資 料 處 理 系 統 此 次 很 榮 幸 受 中 華 民 國 航 空 測 量 及 遙 感 探 測 學 會 邀 請, 由 國 家 太 空 中 心 發 行 遙 測 衛 星 專 刊, 介 紹 國 家 太 空 中 心 這 些 年 在 太 空 科 技 自 主 發 展 的 一 些 成 果, 主 要 內 容, 除 延 續 第 一 期 專 刊 外, 本 期 首 先 介 紹 福 衛 七 號 與 福 衛 三 號 的 相 關 研 發 成 果, 包 括 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 與 評 估 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 姿 態 對 軌 道 求 定 之 影 響 在 福 衛 二 號 與 五 號 計 畫 成 果 方 面 則 有 福 衛 五 號 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 福 衛 二 號 立 體 取 像 與 影 像 精 度 衛 星 影 像 巨 量 資 料 儲 存 與 應 用 平 台 建 置 等 三 篇 論 文 除 此 之 外, 國 家 太 空 中 心 近 年 來 也 積 極 投 入 衛 星 關 鍵 元 件 的 發 展, 其 中 在 導 航 機 相 關 研 究 成 果 則 收 錄 於 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略 我 們 希 望 透 過 這 份 專 刊 的 發 行, 能 夠 讓 國 內 學 研 界 瞭 解 到, 這 些 年 國 家 太 空 中 心 在 推 動 太 空 技 術 自 主 研 發 的 努 力, 也 期 待 國 內 有 更 多 專 家 學 者 能 投 入 太 空 科 技 的 發 展, 使 我 國 在 太 空 領 域 能 更 上 一 層 樓

4 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 4 期 第 頁 民 國 104 年 0 月 67 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume19, No4, February 014, pp DOI: /JPRS (4).1 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 黃 成 勇 1* 陳 坤 林 楊 善 國 3 摘 要 從 美 國 1995 年 美 國 發 射 第 一 顆 掩 星 衛 星 MicroLab-1 掩 星 衛 星 觀 測 地 球 大 氣 以 來, 已 經 歷 經 了 17 個 年 頭, 台 灣 自 006 年 發 射 由 六 顆 衛 星 組 成 的 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號, 至 今 也 已 經 邁 入 第 八 個 年 頭, 在 電 離 層 觀 測 和 大 氣 觀 測 及 天 氣 預 報 上, 都 有 顯 著 的 成 果 可 惜 目 前 掩 星 觀 測 資 料 處 理, 仍 仰 賴 美 國 UCAR 的 軟 體, 本 研 究 在 國 研 院 國 家 太 空 中 心 的 支 持 下, 致 力 於 發 展 台 灣 本 土 的 掩 星 資 料 自 主 軟 體, 期 待 在 福 衛 七 號 衛 星 發 射 前, 可 研 發 撰 寫 出 符 合 及 時 及 作 業 化 的 台 灣 掩 星 資 料 自 主 程 式 本 論 文 章 將 介 紹 自 主 軟 體 中 大 氣 資 料 反 演 部 分 的 發 展 現 況 大 氣 掩 星 剖 面 反 演, 包 含 溢 相 位 (Excess Phase) 反 演, 大 氣 乾 濕 溫 度 剖 面 反 演 在 溢 相 位 反 演 方 面, 利 用 低 軌 道 衛 星 一 次 差 分, 將 GPS 衛 星 軌 道 和 福 衛 三 號 軌 道 資 訊 以 及 三 號 衛 星 酬 載 GOX(GPS Occultation Experiment) 所 收 到 的 50Hz 觀 測 資 料, 產 出 掩 星 溢 相 位 主 要 輸 入 資 料 為 POD(Precise Orbit Determination) 兩 個 天 線 所 收 到 的 50Hz 參 考 資 料 和 OCC(OCCultation) 兩 個 天 線 所 收 到 的 掩 星 觀 測 資 料 在 乾 溫 度 剖 面 上, 目 前 使 用 項 位 匹 配 法 (phase matching), 計 算 偏 折 角, 改 進 傳 統 電 離 層 校 正 方 式, 忽 略 大 氣 水 氣 的 影 響, 反 演 出 大 氣 乾 溫 度 剖 面 折 射 率 和 壓 力 剖 面 濕 氣 壓 剖 面 反 演 須 利 用 地 面 輔 助 觀 測 資 料 或 大 氣 模 式 進 行 一 為 變 分 (one-d VAR) 最 佳 化 處 理 目 前 前 兩 部 分 已 經 完 成 符 合 及 時 及 作 業 化 的 雛 型 軟 體, 第 三 部 分 完 成 一 維 變 分 的 主 要 模 組, 正 積 極 改 寫 成 作 業 化 程 式 關 鍵 詞 : 福 衛 三 號 掩 星 觀 測 全 球 定 位 系 統 1. 背 景 掩 星 法 為 五 十 多 年 前 天 文 學 家 用 來 觀 測 太 陽 系 地 球 以 外 行 星 大 氣 層 結 構 的 方 法 (Phinney and Anderson, 1968), 近 年 來 則 被 使 用 來 觀 測 地 球 大 氣 層 及 電 離 層 結 構 1995 年, 美 國 發 射 一 顆 低 軌 道 衛 星 (MicroLab-1), 其 軌 道 高 度 為 750 公 里, 傾 斜 角 為 70 度, 繞 行 地 球 一 週 約 100 分 鐘 低 軌 道 衛 星 接 收 來 自 太 空 中 9 顆 全 球 定 位 衛 星 (GPS) 訊 號, 每 天 約 可 接 收 500 筆 的 掩 星 資 料, 因 其 取 樣 時 間 頻 繁, 且 不 受 陸 地 或 海 洋 的 限 制, 可 對 全 球 做 廣 泛 的 觀 測, 因 此 對 全 球 大 氣 溫 度 的 監 測 及 變 遷 能 夠 提 供 相 當 多 的 資 訊 (Ware et al. 1996) 在 MicroLab-1 衛 星 之 後, 與 掩 星 觀 測 相 關 的 任 務 還 有 德 國 的 CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) (Wickert et al., 001),000 年 發 射 的 SAC-C 以 及 001 年 發 射 的 顆 GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment) 衛 星 (Yunck et al, 000) 台 灣 於 006 年 發 射 六 顆 低 軌 道 衛 星 組 成 全 球 第 一 個 星 系, 觀 測 大 氣 參 數 和 電 離 層 ( 計 畫 名 稱 為 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 計 畫 福 衛 三 號 計 畫 已 被 證 實 為 觀 測 電 離 層 和 全 球 大 氣 層 的 觀 測 利 器 台 灣 接 著 將 在 016 和 018 年 各 發 射 6 顆 低 軌 道 衛 星, 組 成 為 衛 1 國 立 中 央 大 學 全 球 定 位 科 學 與 應 用 研 究 中 心 助 理 研 究 員 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 助 理 研 究 員 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 通 訊 作 者, 電 話 : ext. 5518, [email protected],3 3 * 收 到 日 期 : 民 國 10 年 08 月 0 日 修 改 日 期 : 民 國 10 年 1 月 30 日 接 受 日 期 : 民 國 103 年 01 月 09 日

5 68 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 星 星 系, 以 設 計 更 優 良 的 天 線 觀 測 大 氣 結 構, 預 料 將 提 供 全 球 水 氣 分 布 更 好 更 多 的 資 訊 目 前 全 世 界 擁 有 自 主 反 演 軟 體 的 單 位 大 致 由 美 國 UCAR(University Corporation for Atmospheric Research), 德 國 EUMETSAT (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites) 和 GFZ(GFZ German Research Centre for Geosciences) 等 三 個 單 位, 台 灣 目 前 正 積 極 發 展 自 己 的 自 主 程 式, 期 待 在 016 福 七 衛 星 發 射 前, 擁 有 掩 星 觀 測 自 主 反 演 的 能 力 軌 道 資 訊 6.1 & 5. OrbPhs.sh 壓 力 濕 溫 度 折 射 率 溢 相 位 6.3 atmphsatmprf 壓 力 乾 溫 度 折 射 率 6.1 atmprfwetprf.sh. 資 料 處 理 流 程 及 方 法 圖 1 為 掩 星 大 氣 剖 面 資 料 處 理 流 程, 大 氣 部 分 主 要 分 成 三 個 部 分 第 一 部 分 為 圖 上 紅 色 橢 圓 所 示, 需 入 資 料 為 全 球 定 位 系 統 和 福 衛 三 號 衛 星 軌 道 資 料, 以 及 由 福 衛 三 號 衛 星 掩 星 觀 測 天 線 和 軌 道 定 位 收 到 的 全 球 定 位 系 統 訊 號, 衛 星 時 鐘 誤 差 和 衛 星 姿 態 等 資 訊, 透 過 一 次 差 分 或 二 次 差 分 反 演 溢 相 位 (Excess Phase) 第 二 部 分 為 藍 色 橢 圓 所 示, 溢 相 位 經 由 阿 貝 爾 轉 換 (Abel-inversion) 反 演 全 球 定 位 系 統 訊 號 路 徑 偏 折 角 大 氣 折 射 率 壓 力 和 乾 溫 度 剖 面 第 三 部 分 為 綠 色 橢 圓 所 示, 由 大 氣 乾 溫 度 剖 面 結 合 地 面 輔 助 大 氣 觀 測 資 料 或 大 氣 模 式, 經 行 一 維 變 分 處 理 反 演 出 濕 溫 度 剖 面 和 濕 氣 壓 剖 面 目 前 所 需 輔 助 資 料 除 全 球 定 位 航 行 資 訊 (GPSbit) 資 料 仍 需 仰 賴 UCAR 提 供 外, 其 他 輔 助 資 料 皆 可 由 中 央 大 學 全 球 定 位 中 心 產 出 ( 軌 道 ) 或 由 免 費 網 頁 (NCEP: National Centers for Environmental Prediction) 下 載.1 溢 相 位 反 演 圖 為 大 氣 部 分 計 算 溢 相 位 資 料 流 程 圖, 左 方 方 塊 為 需 要 的 輸 入 資 料,opnGps 為 掩 星 觀 測 到 的 GPS 訊 號,igsOrb 和 leoorb 分 別 為 GPS 和 FS3 的 軌 道 資 料,CLK 為 時 鐘 誤 差 資 訊 目 前 GPS 和 FS3 的 軌 道 和 時 鐘 誤 差 可 由 GPSARC 的 曾 子 榜 博 士 計 畫 產 出 溢 相 位 計 算 方 式 可 以 利 用 一 次 差 分 或 二 次 差 分 方 式 計 算 求 出, 其 原 理 式 (1)~ 式 (3) 圖 1 大 氣 掩 星 資 料 處 理 流 程 圖 圖 超 額 相 位 計 算 處 理 流 程 圖 福 衛 三 號 四 個 GPS 天 線 所 量 測 到 的 訊 號 主 要 為 1Hz 的 CA 的 虛 擬 距 離 (version 1) 50H 的 雙 頻 L1 和 L 的 載 波 相 位 虛 擬 距 離 用 方 程 式 表 示 如 下 : Pr Pr opngps igsorb p k,1 p k, igsclk leoorb leoatt ( t) ( t) cdt T t) d p k p k ( p k k k,1, p k,, p p p cdt Ik,1, P( t) ( t) d ( t) p 1, p p, p 1, p p p f1 p ( t) k ( t) cdt k cdt Ik,, P( t) f T ( t) d ( t) d ( t) 雙 頻 相 位 為 k,1,, p p p p c p k,1( t) k ( t) cdt k cdt Nk,1(1) f () 1 p p I ( t) T ( t) d ( t) d ( t) k,1, P occtab orbchk k Orba tmphs atmphs p 1, Pairing POD & OCC 50 Hz data Orbit calculation GPS CLK & Gen rel Calibration Single Difference 1, (1)

6 黃 成 勇 陳 坤 林 楊 善 國 : 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 69 p k,, p ( t) ( t) cdt f f k 1 I p k,1, P k ( t) T cdt p k p ( t) d c f N k,, p k, (1) ( t) d p, ( t), ( 3 ) 上 式 中,c 為 光 速, 數 字 1 和 分 別 表 示 載 波 L1 和 L, 為 GPS 衛 星 p 和 GPS 訊 號 接 收 器 k 的 直 線 距 離,dt p 和 dt q 分 別 代 表 GPS 衛 星 (p) 和 接 收 器 (q) 的 時 鐘 誤 差,I 為 電 離 層 延 遲,T 為 大 氣 延 遲, d p,1 d,1 和 d, 分 別 代 表 GPS 接 收 器 硬 體 電 碼 延 遲 和 雙 頻 的 相 位 延 遲,d p,1 d,1 和 d, 為 GPS 衛 星 的 電 碼 延 遲 和 雙 頻 的 相 位 延 遲 如 圖 3 所 示, 掩 星 溢 相 位 解 算 作 業 中 主 要 有 兩 種 方 式, 分 別 為 一 次 差 分 和 二 次 差 分 方 式 一 次 差 分 為 兩 顆 衛 星 和 一 顆 低 軌 道 衛 星, 如 圖 上 黑 色 實 線 和 紅 色 虛 線 進 行 差 分, 得 到 紅 色 虛 線 的 溢 相 位 二 次 差 分 為 利 用 二 顆 GPS 衛 星, 一 個 低 軌 道 衛 星 和 一 個 地 面 GPS 接 收 站 訊 號 進 行 差 分, 即 利 用 圖 上 兩 條 綠 色 虛 線 進 行 差 分 後 在 與 低 軌 道 衛 星 訊 號 一 次 差 分 後 的 結 果 進 行 差 分, 下 列 式 (4)~ 式 (7) 分 別 用 方 程 式 表 示 一 次 差 分 圖 3 GPS 訊 號 處 理, 一 次 差 分 和 二 次 差 分 示 意 圖 ( t) ( t) cdt ( t) I pq Leo,1, P c N f1 ( t) d pq Leo,1, (1) pq pq pq pq Leo,1 Leo Leo,1 (4) T pq Leo ( t) 1, pq Leo, ( t) T pq Leo pq Leo 和 二 次 差 分 : pq Leo, Gnd,1 pq Leo, Gnd, ( t) I ( t) ( t) cdt f ( t) f 1 pq Leo, Gnd pq Leo, Gnd,1, P f f pq Leo, Gnd 1 I I pq c f pq Leo,, P N pq Leo, ( t) d (1) pq Leo,, ( t), c pq ( t) N Leo, Gnd,1(1) f1 pq pq ( t) T ( t) T ( t) ( t) pq Leo, Gnd,, P c f Leo N ( t) T G pq Leo, Gnd, pq Leo (1) ( t) T pq G 1, ( t) (5) (6), 在 以 一 次 差 分 時, 以 低 軌 道 衛 星 為 基 準, 作 為 差 分 時 的 參 考 訊 號 衛 星 訊 號 的 大 氣 延 遲 可 被 忽 略 比 較 二 次 差 分 和 一 次 差 分, 一 次 差 分 不 受 地 面 大 氣 延 遲 效 應 的 影 響, 但 是 仍 有 GPS 軌 道 誤 差 GPS 時 鐘 誤 差 和 GPS 硬 體 延 遲, 另 外 還 有 廣 義 相 對 論 影 響 因 此 一 次 差 分 所 需 要 的 軌 道 經 度 需 求 比 二 次 差 分 需 求 高 位 了 建 立 除 科 學 核 心 程 式 能 獨 立 發 展 外, 台 灣 氣 象 局 掩 星 資 料 處 理 中 心 也 正 積 極 建 立 資 料 源 獨 力 取 得 的 能 力, 本 文 直 接 採 用 International GNSS Service 的 GPS 精 密 軌 道 和 GPS 時 鐘 誤 差, 校 正 GPS 訊 號 一 次 差 分 的 結 果 廣 義 相 對 論 會 影 響 GPS 的 時 鐘 誤 差, 其 形 成 原 因 為 衛 星 經 過 不 同 重 力 位 能 場 時, 重 力 加 速 度 造 成 由 狹 義 相 對 論 產 生 的 時 鐘 誤 差, 已 經 經 由 GPS 衛 星 直 接 校 正, 所 以 本 文 無 須 校 正, 另 外 低 軌 道 衛 星 所 受 到 的 影 響, 也 會 經 由 一 次 差 分 消 除, 所 以 無 需 校 正 重 力 對 GPS 造 成 的 時 鐘 誤 差 為 : t ( ) sin X X R t a e E (8) c c X 和 Ẋ 分 別 代 表 衛 星 在 ECI 座 標 下 的 位 置 和 速 度 向 量, 其 第 二 階 重 利 差 修 正 項 為 s s s GM E r r r r, rel ln s s (9) c r r r G 為 重 力 場 常 數,M E 為 地 球 重 量,r s 和 r r 分 別 為 衛 星 和 接 收 器 的 地 心 半 徑 長 (7)

7 70 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月. 乾 溫 度 剖 面 反 演 此 部 分 資 料 處 理 輸 入 資 料 包 含 溢 相 位 (atmphs),gps navigation message (GPSBit), 大 氣 參 考 背 景 模 式 (NCEP or CIRA(COSPAR international reference atmosphere)), 輸 出 資 料 為 乾 溫 度 剖 線 參 數 (atmprf), 參 數 包 含 偏 折 角 折 射 係 數 壓 力 以 及 溫 度 剖 線 參 考 訊 號 的 模 擬 (Reference_RO), 程 式 主 要 功 能 包 含 10 公 里 以 下 開 環 技 術 (OPEN LOOP) 接 收 訊 號 校 正 (Fix-GPSbit), 週 波 脫 落 偵 測 與 修 復 (Draft_Ambiguity), 訊 號 溢 相 位 和 偏 折 角 模 擬, 項 位 匹 配 法 計 算 偏 折 角 (Impact Phase matching) 電 離 層 影 響 誤 差 校 正 (LC_ion_Calibration) 偏 折 角 最 佳 化 (Optimize Bending Angle) 大 氣 參 數 ( 折 射 率 乾 溫 度 壓 力 ) 計 算 等 (Get_atmPrf), 各 項 模 組 詳 細 如 下 說 明 開 環 技 術 (OPEN LOOP) 為 針 對 10 公 里 以 下, 掩 星 訊 號 振 幅 相 當 弱 時 的 接 收 技 術 主 要 為 模 擬 GPS 和 低 軌 道 衛 星 之 間 的 都 普 勒 量 質 模 擬 虛 擬 訊 號, 用 已 鎖 定 GPS 訊 號 因 為 開 環 技 術 未 使 用 回 饋 訊 號, 因 此 訊 號 尚 未 對 GPS 訊 號 的 航 行 訊 號 (GPSbit) 做 解 鎖, 所 以 需 要 透 過 後 處 理 方 式, 進 行 航 行 訊 號 校 正 在 此 部 分 的 過 程 中, 偏 折 角 的 計 算 及 正 確 度 為 最 重 要 的 關 鍵 目 前 偏 折 角 的 計 算 大 致 分 為 幾 何 光 學 和 波 動 光 學 兩 大 類, 波 動 光 學 包 含 後 向 傳 播 (back-propagation) 反 演 法 (Gorbunov et al. 1996; Karayel and Hinson 1997; Gorbunov and Gurvich 1998b) 全 像 術 (holographic method)(igarashi et al. 000; Pavelyev et al. 00) 反 演 法 振 幅 (amplitude) 反 演 法 (Sokolovskiy 000; Liou et al. 00; Pavelyev et al. 003) 全 波 譜 反 演 法 (Full Spectrum Inversion)(Jensen et al., 003) 和 正 則 轉 換 法 (Canonical transform)(gorbunov, 00) and optics phase matching (Jensen et al. 004) 幾 何 光 學 和 波 動 光 學 最 大 的 差 異 在 於 幾 何 光 學 僅 使 用 相 位 觀 測 資 料, 波 動 光 學 則 同 時 使 用 訊 號 震 幅 和 相 位 資 料 圖 4 乾 溫 度 剖 面 反 演 資 料 處 理 流 程 圖 LEO v LEO β L e ˆG a Δα L a 1 a S 0 r 0 G 0 L α G L0 r L r G θ α e ˆL L ray path L1 ray path ê Δα G β G GPS v GPS 圖 5 掩 星 反 演 幾 何 示 意 L1 和 L 為 訊 號 真 實 路 徑, 當 訊 號 穿 過 大 氣 層 因 介 質 折 射 率 梯 度 而 產 生 訊 號 路 徑 偏 折, 產 生 都 卜 勒 平 移 量 變 化

8 黃 成 勇 陳 坤 林 楊 善 國 : 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 71 幾 何 光 學 如 圖 五 所 示, 角, 為 GPS 訊 號 發 射 的 單 位 向 量 訊 號 的 單 位 向 量 為 訊 號 L 的 偏 折 和 LEO 接 收 的 夾 角, 也 就 是 訊 號 傳 送 出 去 後 方 向 的 角 度 改 變 量 以 方 程 式 的 形 式 可 寫 成 α(a) = cos 1 (e e G) + cos 1 (e e L) = (φ G, φ G0 ) + (φ L, φ L0 ) (10) 式 中 φ G 為 GPS 衛 星 半 徑 和 訊 號 傳 送 出 去 方 向 之 間 的 夾 角 cos 1 ( r G e G),φ L 為 LEO 衛 星 半 徑 和 訊 號 接 收 方 向 之 間 的 夾 角 cos 1 (r G e L),φ G0 為 GPS 半 徑 和 向 量 e 的 夾 角 cos 1 ( r G e ),φ L0 為 GPS 半 徑 和 向 量 e 的 夾 角 cos 1 (r L e ), 若 將 偏 折 角 以 切 入 參 數 的 形 式 表 示, 由 式 (10) 可 得 1 a i i1, ( a) sin sin rg 1 a i 1 r0 sin sin rl rl 1 r r 0 G (11) 式 中 r 0 為 地 心 到 S 0 線 最 近 距 離,i=1, 代 表 GPS 的 L1 和 L 訊 號 都 卜 勒 平 移 量 式 若 以 圖 五 上 各 向 量 交 角 形 式 表 示 可 改 寫 成 d i1, dt v v G cos( ) v G0 G cos( G G G0 L ) v L L cos( ) cos( ) L L L0 (1) 若 假 設 折 射 率 僅 有 徑 向 梯 度 變 化, 切 入 參 數 在 同 一 條 訊 號 路 徑 上 為 定 值, 因 此 n G( i1,) G r sin i n e ˆL G( i1,) L( i1,) L r sin i L( i1,) a i1, (13) 在 一 般 情 況 下 GPS 和 低 軌 道 衛 星 的 折 射 率 (n G, n L ) 非 常 接 近 於 1, 可 被 忽 略 結 合 方 程 式 (1) 和 (13), 都 卜 勒 平 移 量 可 由 觀 測 資 料 求 出,(φ G, φ L ) 和 切 入 參 數 為 未 知 數, 其 他 參 數 皆 可 經 由 GPS 和 LEO 的 位 置 和 速 度 求 得, 將 此 二 式 做 線 性 疊 代 即 可 求 出 二 角 (φ G, φ L ), 再 由 式 (13) 算 出 切 入 參 數 和 由 式 (11) 求 出 偏 折 角 e ˆG 此 時 算 出 來 的 偏 折 角 還 包 含 著 電 離 層 的 影 響, 必 須 先 經 由 Vorob es and Krasil nikova (1994) 提 出 的 偏 折 角 修 正 方 程 式 消 除 大 部 分 的 電 離 層 所 造 成 的 偏 折 角 ( a) f ( a) f ( a) 1 1 f1 f (14) 校 正 後 的 偏 折 角, 再 經 由 Abel Transform 計 算 大 氣 折 射 率 n 1 ( a) n( rp ) exp da rp a a p (15) 字 母 p 代 表 訊 號 路 徑 與 地 表 最 近 的 點 折 射 率 的 大 小 與 介 質 的 特 性 息 息 相 關, 當 波 的 頻 率 小 於 0GHz (Feng and Benjamin, 1999) 的 時 候, 大 氣 層 的 折 射 度 可 用 氣 體 溫 度 T(degrees Kelvin), 乾 空 氣 壓 力 P d (mb), 以 及 濕 氣 壓 e(mb) 表 示 如 下 (Thayer 1974): P e e N k k k T T T d 1 3 (16) k 1 = K/mb k =64.79 K/mb k 3 = K /mb, 大 氣 折 射 度 與 折 射 率 有 下 列 的 關 係 N ( n1) 10 6 (17) 式 (16) 中 有 三 個 項 次, 對 掩 星 反 演 大 氣 參 數 將 變 的 過 於 複 雜, 因 此 掩 星 反 演 所 使 用 的 大 氣 折 射 度 為 (Smith and Weintraub, 1953) P N T 5 e T (18) 式 中,P(mb) 為 大 氣 總 壓,e(mb) 為 濕 氣 壓 在 反 演 大 氣 參 數 時, 我 們 通 常 忽 略 濕 氣 壓 的 影 響, 另 外 依 理 想 大 氣 條 件 P=RT/M, 我 們 可 將 式 (18) 改 寫 成 下 式 P R N T M (19) 其 中, 為 氣 體 的 密 度,M 為 莫 耳 分 子 重, R 為 氣 體 常 數 由 式 (19) 再 結 合 靜 流 力 方 程 dp=-gdz, 可 得 到 氣 壓 剖 面 為

9 7 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 M Top P( zi ) g( z ) N( z ) dz P( Top) 77.6R zi 而 乾 溫 度 剖 面 為 Pz ( i ) T( zi ) 77.6 Nz ( ) i (0) (1) 上 式 中, 求 出 的 溫 度 之 所 以 被 稱 為 乾 溫 度 是 因 為 在 反 演 大 氣 壓 力 和 溫 度 剖 面 時, 忽 略 了 濕 氣 壓, 所 以 在 靠 近 地 表 水 氣 含 量 較 大 的 區 域, 反 演 的 大 氣 參 數 將 會 有 較 大 的 誤 差 在 一 般 乾 空 氣 狀 態 下, 式 (0) 的 莫 耳 分 子 重 為 8.8 克, 水 氣 莫 耳 分 子 重 為 18.0 克, 因 此 在 有 水 氣 存 在 時, 因 為 忽 略 了 水 氣 存 在, 所 以 反 演 後 的 氣 壓 剖 面 會 有 高 估 的 情 形 方 程 式 (0) 中 的 大 氣 折 射 度, 因 為 忽 略 水 氣 影 響, 等 於 將 乾 大 氣 折 射 度 和 濕 大 氣 都 當 成 了 乾 大 氣 折 射 度 折 射 度 ( 虛 擬 乾 大 氣 折 射 度 ) 比 較 方 程 式 (16) 的 濕 折 射 度 係 數 與 乾 折 射 度 的 比 為 /77.6, 式 (0) 的 莫 耳 分 子 重, 在 水 氣 達 到 飽 和 時, 變 化 量 也 不 至 於 超 過 5% 的 情 形 下, 虛 擬 大 氣 折 射 度 將 比 溫 度 高 估 的 情 形 還 嚴 重, 所 以 經 由 此 方 程 式 反 演 的 溫 度 將 低 於 真 正 的 溫 度 剖 面.3 計 算 濕 溫 度 參 數 ( 濕 溫 度, 濕 氣 壓 ): 圖 6 為 溼 氣 壓 氣 溫 參 數 剖 面 反 演 流 程, 需 入 資 料 為 乾 溫 度 剖 面 和 大 氣 背 景 場 在 掩 星 觀 測 反 演 大 氣 參 數 時, 由 訊 號 偏 折 角 可 反 演 出 大 氣 折 射 率 (N), 折 射 率 與 大 氣 參 數 壓 力 (P) 溫 度 (T) 及 濕 度 (e) 的 關 係 如 式 () NRLMSIS CIRA NCEP or ERA atmprf Forward model (BA or ExPhs or Ref) COST Function Convergence? Pressure Wet-Temperature Vapor Pressure Wet- Temperature Vapor 圖 6 濕 溫 度 參 數 剖 線 反 演 資 料 處 理 流 程 P 5 e N T T () 再 加 上 大 氣 靜 流 力 方 程 式 dp=-gdz, 共 兩 個 條 件 式, 仍 不 足 以 求 出 方 程 式 的 三 個 未 知 變 數 掩 星 反 演 求 解 乾 溫 度 度 參 數 時, 為 忽 略 溼 氣 壓 的 影 響 價 值 函 數 (cost function)j 表 示 為 J 1 1 T 1 x x x B x x b T 1 Hx y R Hx o b y o (3) 其 中 x 是 一 維 的 分 析 變 數 向 量 ( 被 探 求 的 量, 例 如 由 大 氣 壓 水 氣 偏 壓 及 大 氣 溫 度 變 數 串 接 成 一 維 的 變 數 向 量 )x b 是 一 維 的 背 景 變 數 向 ( 猜 值, 例 如 first guess, 本 計 畫 預 計 採 用 avnprf, 若 能 獲 得 ECMWF 則 使 用 ECMWF),y o 是 一 維 的 觀 測 變 數 向 量 ( 實 際 觀 測 量, 例 如 折 射 率 )B 是 背 景 誤 差 矩 陣 ( 對 角 矩 陣 )R 是 觀 測 誤 差 矩 陣 ( 對 角 矩 陣 )H 是 非 線 性 的 正 演 (forward) 觀 測 運 算 子, 可 表 示 為 : y=h(x) (4) 其 中 y 稱 為 模 式 化 的 觀 測 量 (modeled observation), H 運 算 子 即 是 將 變 數 x 由 模 式 態 (model state) 對 應 到 觀 測 空 間 的 y B 和 R 均 假 設 為 高 斯 分 布, 且 互 相 獨 立 3.1 溢 相 位 成 果 3. 成 果 介 紹 在 進 行 溢 相 位 計 算 時,OCC 天 線 所 收 到 的 訊 號, 為 穿 過 低 層 大 氣 的 掩 星 訊 號,POD 天 線 所 收 到 的 訊 號 除 了 用 在 福 衛 三 號 軌 道 定 位 之 外,50Hz 的 訊 號 則 用 來 作 為 一 次 差 分 計 算 溢 相 位, 消 除 低 軌 道 衛 星 時 鐘 誤 差 的 影 響 首 先 要 進 行 低 軌 道 衛 星 確 認, 確 定 獲 得 低 軌 道 衛 星 軌 道 的 窗 區, 並 進 行 衛 星 品 質 確 認, 如 進 行 一 般 GPS 訊 號 周 波 脫 落 偵 測 等 步 驟 之 後, 將 POD 和 OCC 所 量 測 的 50Hz 資 料 進 行 配 對, 並 確 認 可 獲 得 低 軌 道 軌 道, 可 以 進 行 一 次 差 分 的 掩 星 事 件, 輸 出 掩 星 觀 測 事 件 表 圖 6

10 黃 成 勇 陳 坤 林 楊 善 國 : 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 73 和 圖 7 示 POD( 黑 色 藍 色 線 ) 天 線 和 OCC( 紅 色 和 綠 色 ) 天 線 觀 測 到 的 GPS 訊 號 時 間 表 將 OCC 天 線 的 時 間 軸 與 POD 天 線 同 一 間 做 匹 配, 即 得 掩 星 觀 測 一 次 差 分 表 讀 取 GPS 衛 星 時 鐘 誤 差, 進 行 衛 星 時 鐘 誤 差 校 正 計 算 衛 星 速 度, 衛 星 軌 道 半 徑, 廣 義 相 對 論 影 響 校 正 一 次 差 分, 獲 得 溢 相 位, 訊 號 周 波 脫 落 偵 測 修 復 圖 8 為 中 心 目 前 發 展 的 軟 體 所 反 演 出 來 的 溢 相 位 ( 上 兩 圖 ) 和 都 普 勒 平 移 量 ( 下 兩 圖 ), 與 UCAR( 黑 色 實 線 ) 的 成 果 相 當 一 致 藍 線 和 紅 線 分 別 為 利 用 前 後 兩 顆 POD 天 線 所 收 到 的 參 考 訊 號 做 GPS 一 次 差 分 後 的 溢 相 位 在 都 普 勒 平 移 量, 約 45 秒 之 後, 可 以 看 見 約 有 三 到 四 條 平 行 的 曲 線 分 布 的 情 形, 此 乃 因 為 在 GPS 訊 號 的 正 切 點 低 於 0 公 里 時, 福 衛 三 號 衛 星 會 改 用 OPEN LOOP 技 術 接 收 GPS 訊 號, 造 成 連 續 取 樣 時 間 有 時 會 有 半 波 長 跳 動 的 情 形, 因 此 形 成 如 圖 的 分 布 情 形 此 跳 動 的 情 形, 實 際 上 為 GPS 的 航 行 資 料 (navigation message) 資 料, 此 部 分 訊 號 會 在 反 演 乾 溫 度 剖 面 的 過 程 中 時 被 校 正 目 前 自 主 程 式 大 部 分 已 經 完 成, 以 具 有 即 時 處 理 觀 測 資 料 的 能 力 圖 7 POD 和 OCC 天 線 觀 測 時 間 表 圖 8 溢 相 位 ( 上 兩 圖 ) 和 都 普 勒 平 移 量 ( 下 兩 圖 ) 成 果 比 較 圖

11 74 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 圖 9 乾 溫 度 剖 面 反 演 驗 證 成 果 統 計 圖 10 乾 溫 度 剖 面 反 演 驗 證 成 果 統 計, 未 反 演 比 率 圖 圖 11 顯 示 四 個 掩 星 事 件 的 乾 溫 度 剖 線, 在 8 公 里 到 35 公 里 之 間 的 溫 度 剖 線,GPSARC 和 CDAAC(COSMIC CDAAC Data Analysis and Archival Center) 的 成 果 大 致 相 符 合, 在 35 公 里 以 上, 所 有 的 剖 線 在 35 公 里 以 上 幾 乎 都 呈 現 偏 低 的 現 象, 此 原 因 為 不 同 單 位 使 用 的 背 景 大 氣 模 式 不 相 同, 目 前 自 主 軟 體 所 使 用 的 背 景 場 為 NCEP 模 式, CDAAC 所 使 用 的 為 ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 大 氣 模 式, 因 為 在 35 公 里 以 上, 背 景 場 的 加 權 較 大, 因 此 剖 線 會 偏 向 背 景 場 3. 濕 溫 度 剖 面 反 演 在 濕 溫 度 剖 面 反 演 上, 已 經 完 成 固 定 模 式 溫 度 剖 面 方 法 反 演 大 氣 濕 溫 度 剖 面 下 圖 舉 出 兩 個 反 演 的 例 子 圖 上 黑 色 線 為 自 主 軟 體 反 演 出 來 的 成 果, 藍 色 十 字 符 號 為 UCAR 目 前 在 網 上 公 布 的 結 果, 紅 色 為 ERA40(ECMWF 40 Year Re-analysis) 模 式 的 成 果 反 演 方 式 為 利 用 下 列 方 程 式 (5) P e N c1 c (5) T T 方 程 式 中 折 射 率 N 來 自 於 乾 溫 度 剖 面, 溫 度 剖 面 由 模 式 提 供, 即 可 反 演 出 大 氣 濕 溫 度 剖 面, 溫 度 剖 面 可 由 乾 溫 度 剖 面 的 溫 度 折 返 點, 加 上 地 面 溫 度 或 由 雲 高 溫 度 加 以 限 制 而 得, 取 代 模 式 溫 度 剖 面 目 前 自 主 程 式 部 分 已 經 完 成 主 要 功 能 的 撰 寫, 目 前 正 積 極 進 行 符 合 即 時 作 業 的 軟 體 改 寫

12 黃 成 勇 陳 坤 林 楊 善 國 : 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 75 圖 11 掩 星 大 氣 乾 溫 度 剖 線 比 較 圖 圖 1 濕 氣 壓 剖 面 圖 : 黑 色 線 為 自 主 軟 體 反 演 出 來 的 成 果, 藍 色 十 字 符 號 為 UCAR 目 前 在 網 上 公 布 的 結 果, 紅 色 為 ERA40 模 式 的 成 果

13 76 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 4. 結 論 目 前 在 三 個 模 組 反 演 出 來 的 剖 線 與 UCAR 的 相 比, 剖 線 曲 線 大 致 上 是 一 致 的 前 兩 個 模 組 經 測 試 驗 證, 目 前 都 已 經 接 近 作 業 化 的 雛 型 階 段, 只 要 再 稍 加 改 進, 預 計 在 今 年 底 可 達 到 作 業 化 模 式 處 理 福 衛 三 號 的 掩 星 資 料, 明 年 經 修 改 後 即 可 處 理 福 衛 七 號 衛 星 第 三 個 模 組 目 前 也 已 經 反 演 出 合 理 的 濕 溫 度 和 濕 氣 壓 剖 面, 目 前 正 積 極 改 寫, 以 符 合 作 業 化 階 段 發 展 台 灣 掩 星 自 主 軟 體, 除 了 希 望 能 做 到 科 技 紮 根, 我 們 自 己 能 掌 握 到 關 鍵 技 術 之 外, 亦 可 節 省 資 料 處 理 所 需 要 的 經 費 更 希 望 有 一 天 能 做 出 新 的 或 更 好 的 反 演 軟 體, 達 到 超 歐 趕 美 的 目 標 參 考 文 獻 Feng D. D. and M. Herman, Remote Sensing the Earth s Atmosphere Using the Global positioning System (GPS) The GPS/MET Data Analysis, J. Atmos. Oceanic Technol., 16, 989, 1999 Gorbunov, M. E., S. V. Sokolovskiy, and L. Bengtsson, Space refractive tomography of the atmosphere: Modeling of direct and inverse problems. Max-Planck-Institut für Meteorologie Report No. 10, Hamberg, Germany Gorbunov, M., and A. S. Gurvich, Algorithms of inversion of Microlab-1 satellite data including effects of multipath propagation, Int. J. Remote Sensing, 19, , Gorbunov, M. E., Ionospheric correct and statistical optimization of radio occultation data, Radio Science, Vol. 37, No. 5, 1084, 00. Igarashi A. Pavelyev, K. Hocke, D. Pavelyev, I. A. Kucherjavenkov, S. Matyugov, A. Zakharov, O. Yakovlev, Radio holographic principle for observing natural processes in the atmosphere and retrieving meteorological parameters from radio occultation data. Earth Planets Space, No. 5, , 000. Karayel, E. T., and D. P. Hinson, Sub-Fresnel-scale vertical resolution in atmospheric profiles from radio occultation. Radio Sci., 3(), , doi:10.109/96rs Liou, Y.-A., and C.-Y. Huang, Active limb sounding of atmospheric refractivity and dry temperature profiles by GPS/Met occultation, Space Weather Study Using Multipoint Techniques, Ling-Hsiao Lyu (ed). COSPAR Colloquia Series Vol. 1, 00. (NSC M AP3). Jensen A. S., M. S. Lohmann, H.-H. Benzon, and A. S. Nielsen, Full Spectrum Inversion of radio occultation signals, RADIO SCIENCE, VOL. 38, NO. 3, 1040, doi:10.109/00rs00763, 003 Jensen A. S., M. S. Lohmann, A. S. Nielsen, H.-H. Benzon, Geometrical optics phase matching of radio occultation signals, RADIO SCIENCE, VOL. 39, NO. 3, 3009, doi:10.109/003rs00899, 004 Pavelyev A.G., Y.-A. Liou, C. Reigber, J. Wickert, K. Igarashi, K. Hocke, C.Y. Huang, 00: GPS radio holography as a tool for remote sensing of the atmosphere and mesosphere from space. GPS Solutions, , Vol. 6, No. 1-, 00. Pavelyev A.G., J. Wickert, Y.A. Liou, K. Igarashi, K. Hocke, and C.Y. Huang, High-precision observation of the mesosphere and atmosphere using radioholographic analysis of GPS/MET and CHAMP radio occultation database. In: First CHAMP Mission Results for Gravity, Magnetic and Atmospheric Studies, Ch. Reigber, and H. Luhr (ed). Pub. Springer, Berlin, pp , 003. Phinney, R. A. and D. L. Anderson, On the radio occultation method for studying planetary atmospheres. J. Geophys. Res., 73, , Smith, E.K., and S. Weintraub, The Constants in the Equation for Atmospheric Refractive Index at Radio Frequencies. Proceedings of the IRE, 41(8), ,doi: /JRPROC Sokolovskiy, S. V., Inversions of radio occultation amplitude data. Radio Sci., 35(1), , doi:10.109/1999rs Vorob ev, V. V., and T. G. Krasil nikova, Estimation of the accuracy of the atmospheric refractive index recovery from Doppler shift measurements at frequencies used in the NAVSTAR system, Phys. Atmos. Ocean, 9, , Ware, R., M. Exner, D. Feng, M. Gobunov, K. Hardy, B. Herman, Y. Kuo, T. Meehan, W. Melbourne, C. Rocken, W. Schreiner, S. Sokolovskiy, F. Soltheim, X. Zou, R. Anthes, S. Businger, and K. Trenberth, GPS Sounding of the Atmosphere for Low Earth Orbit: Preliminary Results Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, 19-40, Wickert, J., Reigber, C., Beyerle, G., Konig, R., Marquardt, C., Schmidt, T., Grunwaldt, L., Galas, R., Meehan, T.K., Melbourne, W.G., Hocke, K., Atmosphere sounding by GPS radio occultation: 7rst results from CHAMP,

14 黃 成 勇 陳 坤 林 楊 善 國 : 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 77 Geophysical Research Letters, 8 (17), , 001. Yunck, T. P., C.-H. Liu, and R. Ware, A History of GPS Sounding. Terr. Atmos. Oceanic Sci., 11(1),

15 78 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume 19, No.4, February 015 Taiwan self-developed software Development for FORMOSAT-3 and FORMOSAT-7 Cheng-Yung Huang 1 Kun-Lin Chen Eddy Yang 3 ABSTRACT The radio occultation technique for observing atmosphere and ionosphere has been developing for seventeen years, since the launch of the first radio occultation satellite MicroLab-1. The six micro-satellites FORMOSAT-3, the first constellation to observe atmosphere, can provide the global coverage limb measurements above earth surface in all time. It had been proven to be a powerful tool to observe parameters of ionosphere and atmosphere. The radio occultation data is processed by CDAAC software developed by UCAR. Currently, the GPSARC are working hard to develop the Taiwan self-developed scientific software to process the radio occultation data for both missions, FORMOSAT-3 and FORMOSAT-7, NSPO and TACC are developing the automatic and independent system to process the RO data. In this study, we introduce the status of self-developed software about the atmospheric RO data process. The atmospheric radio Occultation data process include three main procedures, excess phase retrieval, dry parameter profiles retrieval and wet parameter profiles retrieval. The main function of excess phase retrieval is retrieve the OCC observation to excess phase with orbit information of GPS and FS3. The Dry parameter profiles retrieval will produce bending angle, refraction index, pressure and dry temperature without considering the water vapor. The wet parameter retrieval will produce the same atmospheric profiles, except the dry temperature is replaced by wet temperature, and produce the extra water vapor pressure. Keywords: FORMOSAT-3, GPS, Occultation, FORMOSAT-7 1 Research fellow, GPS Science and Application Research Center of Received Date: Aug. 0, 013 National Central University Revised Date: Dec. 30, 013,3 Research fellow, National Space Organization, National Applied Research Laboratories Accepted Date: Jan. 09, 014 *. Corresponding Author, Phone: ext.5518, [email protected]

16 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 4 期 第 頁 民 國 104 年 0 月 79 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume19, No4, February 014, pp DOI: /JPRS (4). 評 估 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 姿 態 對 軌 道 求 定 之 影 響 曾 子 榜 1* 陳 坤 林 楊 善 國 3 摘 要 本 文 以 福 衛 三 號 衛 星 作 為 研 究 主 題, 研 究 其 衛 星 姿 態 對 定 軌 的 影 響 定 軌 並 量 化 之 姿 態 求 定 控 制 系 統 主 要 是 用 於 衛 星 姿 態 調 整, 衛 星 軌 道 調 整, 與 衛 星 定 軌 時 的 坐 標 轉 換, 從 慣 性 坐 標 系 轉 到 衛 星 本 體 坐 標 系 本 研 究 以 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 為 研 究 測 試 且 詳 述 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 所 使 用 的 姿 態 控 制 系 統 對 於 軌 道 精 度 之 影 響 福 衛 三 號 衛 星 任 務 共 有 六 顆 微 衛 星 且 每 一 顆 衛 星 均 裝 載 兩 個 精 密 定 軌 的 天 線, 其 中 只 有 一 個 能 接 收 超 過 4 顆 GPS 衛 星, 用 於 定 位 在 衛 星 運 行 時, 此 定 位 天 線 的 選 擇 則 是 仰 賴 beta angle 當 衛 星 處 於 地 球 陰 影 區 時,Sun sensor 將 無 法 作 用, 導 致 會 有 異 常 的 GPS 觀 測 量 殘 差 出 現 與 不 佳 的 軌 道 求 解 本 研 究 發 現 姿 態 的 影 響 分 別 對 FM1-FM6 造 成 和 6.89 公 分 的 軌 道 誤 差, 而 速 度 的 影 響 分 別 為 和 0.10 mm/s 本 研 究 將 針 對 此 結 果 給 出 對 福 衛 七 號 衛 星 任 務 的 姿 態 控 制 做 出 建 議 關 鍵 詞 :GPS, 衛 星 姿 態, 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 1. 前 言 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 計 畫 (FORMOSAT-3) 為 大 型 台 美 雙 邊 國 際 合 作 計 畫, 由 雙 方 政 府 授 權 執 行, 我 方 代 表 為 國 家 太 空 中 心 (National Space Organization, NSPO), 美 方 為 美 國 大 學 大 氣 研 究 聯 盟 (University Corporation for Atmospheric Research, UCAR) 代 表, 此 計 畫 目 的 是 建 立 全 球 大 氣 即 時 觀 測 網 之 先 進 技 術, 又 稱 氣 象 電 離 層 及 氣 候 之 衛 星 星 系 觀 測 系 統 (Constellation Observing System For Meteorology, Ionosphere, and Climate), 簡 稱 COSMIC 計 畫 藉 由 本 計 畫 執 行, 以 期 能 建 立 國 內 微 衛 星 系 統 之 規 劃 設 計 整 合 測 試 與 操 作 等 能 力, 亦 借 著 技 術 移 轉 方 式 將 衛 星 元 件 和 相 關 製 造 技 術 移 轉 至 國 內 的 製 造 廠 商, 以 此 建 立 和 提 升 我 國 太 空 產 業 的 製 造 根 基 ( 國 家 太 空 中 心,003) 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 任 務 已 於 006 年 4 月 17 日 在 美 國 成 功 發 射 升 空, 共 有 6 顆 低 軌 衛 星, 每 顆 均 裝 有 兩 個 GPS 天 線 (POD+X 和 POD-X), 其 中 POD (precise orbit determination) 定 軌 接 收 器 可 提 供 高 精 度 無 遮 蔽 之 GPS 相 位 及 電 碼 資 料, 用 以 計 算 福 衛 三 號 高 精 度 軌 道 (Hwang et al., 009) 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 計 畫 已 於 006 年 春 天 發 射 六 顆 微 衛 星, 利 用 火 箭 將 六 顆 衛 星 同 時 發 射 進 入 太 空, 然 後 再 陸 續 分 離 和 調 整 入 軌, 任 務 軌 道 設 定 在 距 地 球 表 面 700~800 公 里 高 的 高 空 中, 為 圓 形 軌 道 其 軌 道 傾 角 7 度, 六 顆 衛 星 將 分 佈 於 六 個 軌 道 面, 每 個 軌 道 面 間 赤 經 夾 角 為 4 度 每 顆 衛 星 含 燃 料 約 重 70 公 斤, 外 型 呈 扁 平 圓 柱 狀, 直 徑 約 108 公 分, 高 約 18 公 分, 有 兩 片 圓 形 太 陽 能 板 分 佈 於 同 一 平 面, 分 別 展 開 11 度 及 59 度, 衛 星 形 狀 可 見 圖 1(a), 圖 1(b) 則 為 衛 星 主 體 之 詳 細 構 造 圖 ( 國 家 太 空 中 心,003) 目 前 衛 星 定 軌 最 常 使 用 之 觀 測 量 不 外 乎 是 零 次 差 分 (Zero-difference) 觀 測 量 和 二 次 差 分 (Double-difference) 觀 測 量 利 用 二 次 差 觀 測 量 進 行 1 國 立 中 央 大 學 全 球 定 位 科 學 與 應 用 研 究 中 心 研 究 員 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 研 究 員 國 立 成 功 大 學 地 球 科 學 系 通 訊 作 者, 電 話 : ext. 5519, [email protected],3 3 * 收 到 日 期 : 民 國 10 年 08 月 0 日 修 改 日 期 : 民 國 103 年 10 月 13 日 接 受 日 期 : 民 國 103 年 10 月 16 日

17 80 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 精 密 定 軌, 必 須 引 入 大 量 的 地 面 IGS 站 組 成 IGS 站 與 低 軌 衛 星 之 動 態 基 線, 且 必 須 解 出 大 量 的 週 波 未 定 值 (ambiguity), 對 電 腦 硬 體 需 求 相 當 大, 但 不 需 高 取 樣 率 GPS 時 錶 改 正 ; 而 使 用 零 次 差 觀 測 量 則 不 需 引 入 大 量 的 IGS 地 面 站, 也 不 必 解 出 大 量 的 週 波 未 定 值, 對 於 硬 體 的 需 求 較 小, 但 須 有 高 取 樣 率 GPS 時 錶 改 正 的 資 訊 (Svehla and Rothacher, 00) 概 念 上 不 需 引 用 任 何 假 設 其 精 度 受 限 於 GPS 觀 測 量 數 量 與 品 質 和 GPS 衛 星 群 相 對 於 待 測 定 衛 星 之 相 對 幾 何 關 係 (Byun and Schutz, 001) 本 論 文 所 使 用 的 觀 測 量 為 零 次 差 (Zero-difference) 進 行 定 位, 並 以 無 電 離 層 線 性 組 合 (Ionosphere Free Linear Combination,L3 或 LC): 利 用 GPS 雙 頻 相 位 觀 測 量 L1 與 L 線 性 組 合 以 利 消 去 電 離 層 延 遲 誤 差 之 一 階 項 影 響 ( 可 除 去 95% 的 電 離 層 影 響 ), 研 究 工 具 為 瑞 士 伯 恩 大 學 天 文 研 究 所 所 開 發 的 Bernese 5.0 軟 體 (Dach et al., 007 and 009) 研 究 係 採 減 動 力 法 (reduced dynamic) 進 行 定 軌, 並 分 析 衛 星 姿 態 角 對 定 軌 所 造 成 的 影 響. 衛 星 運 動 理 論 圖 1(a) 福 衛 三 號 簡 圖 圖 1(b) 福 衛 三 號 本 體 構 造 圖 一 般 衛 星 軌 道 定 軌 的 方 法, 常 見 的 有 動 力 法 (dynamic method) 減 動 力 法 (reduced-dynamic method) 以 及 動 態 法 (kinematic method) 三 種 : 動 力 法 是 以 軌 道 力 學 模 式 (force model) 來 描 述 衛 星 之 運 行 軌 跡, 解 算 特 定 的 力 學 模 式 參 數, 最 終 求 得 一 密 切 最 接 近 真 實 之 衛 星 軌 道 動 力 法 的 優 點 為 精 度 高, 可 以 處 理 各 形 式 的 觀 測 量, 除 了 求 解 衛 星 軌 道 外, 也 可 同 時 解 算 其 他 力 學 模 式 參 數, 其 缺 點 為 力 學 模 式 複 雜 資 料 龐 大 造 成 處 理 時 間 冗 長 減 動 力 法 類 似 動 力 法, 其 差 異 在 於 使 用 之 力 學 模 式 較 少 並 搭 配 GPS 觀 測 量 進 行 軌 道 估 計, 估 計 出 軌 道 參 數 及 未 被 使 用 之 力 學 模 式, 如 大 氣 阻 力 動 態 法 為 直 接 將 接 收 站 瞬 時 觀 測 數 據 代 入 演 算 法, 即 可 立 刻 解 算 出 衛 星 位 置, 因 其 演 算 法 通 常 簡 單, 所 以 可 快 速 的 得 到 結 果 其 優 點 為 方 便 求 解 速 度 快 並 且 在 人 造 衛 星 在 繞 地 球 運 行 時 所 受 的 力 可 分 為 引 力 ( gravitational) 和 非 引 力 (nongraviational) 兩 部 份 主 要 的 引 力 包 含 地 球 引 力 場 太 陽 月 球 和 其 他 星 體 的 影 響, 以 及 日 月 引 力 所 引 起 的 海 潮 固 體 潮 等 而 作 用 在 低 軌 衛 星 (Low Earth Orbitor,LEO) 主 要 的 非 引 力 則 包 含 太 陽 輻 射 壓 地 球 輻 射 壓 和 大 氣 阻 力 等.1 減 動 力 法 定 軌 減 動 力 法 (reduced dynamics) 的 概 念 與 動 力 法 (dynamics) 一 樣, 只 是 將 其 力 模 式 減 少 在 本 研 究 中, 使 用 了 多 體 擾 動 模 式 海 潮 模 式 固 體 潮 模 式 地 球 重 力 場 模 型 太 陽 輻 射 壓, 而 不 考 慮 大 氣 阻 力 地 球 輻 射 壓 相 對 論 效 應, 但 以 經 驗 力 模 式 來 吸 收 其 影 響 根 據 Jaggi et al. (006), 其 經 驗 力 可 有 效 吸 收 非 保 守 力 模 式 的 影 響, 如 大 氣 阻 力 與 輻 射 壓 影 響 有 了 力 學 模 式, 再 搭 配 數 值 積 分, 即 可 利 用 Bernese 5.0 軟 體 裡 面 的 積 分 器, 進 行 軌 道 積 分 為 了 增 加 軌 道 的 準 確 度, 吾 人 使 用 隨 機 參 數 (pseudo-stochastic pulses) 在 6-15 分 鐘 的 時 候 解 一 組 速 度 參 數, 來 修 正 其 軌 道 的 偏 差 量, 以 便 提 升 軌 道 的 品 質 (Svehla and Rothacher, 003) 在 進 行 減 動 力 法 定 軌 時, 本 研 究 必 須 有 初 始 值 方 能 進 行 數 值 積 分, 必 須 先 進 行 GPS 觀 測 量 之 平 差 計 算 方 可 得 到 起 始

18 曾 子 榜 陳 坤 林 揚 善 國 : 評 估 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 姿 態 對 軌 道 求 定 之 影 響 81 值 ( 曾 子 榜 006) 減 動 力 法 定 軌 在 求 解 未 知 數 上 並 無 太 大 的 難 處, 因 為 減 動 力 有 著 力 學 模 式 的 支 持, 可 藉 由 數 值 積 分 彌 補 觀 測 量 的 不 足, 故 並 不 需 仰 賴 GPS 觀 測 量 的 多 寡, 只 需 求 得 起 始 位 置, 再 加 上 力 學 模 式, 利 用 Bernese 5.0 的 積 分 器, 即 可 積 出 一 條 軌 道 ; 然 而 動 態 法 定 軌 在 求 解 未 知 數 方 面, 遇 到 相 當 大 的 問 題, 需 仰 賴 GPS 觀 測 量 的 多 寡 以 及 GPS 衛 星 的 幾 何 分 佈 若 觀 測 量 太 少, 則 可 能 造 成 某 些 時 刻 無 法 解 算 出 位 置, 導 致 出 現 斷 層 3. 量 化 姿 態 角 對 於 定 軌 之 影 響 圖 說 明 了 衛 星 本 體 坐 標 系 統 :X 軸 指 向 飛 行 方 向 ;Z 軸 指 向 地 心 ;Y 軸 則 與 XZ 成 右 手 定 律 在 福 衛 三 號 的 運 行 中,ADCS 參 考 於 瞬 時 的 地 平 系 統, 其 系 統 主 要 是 由 當 時 衛 星 的 慣 性 坐 標 位 置 與 速 度 所 決 定, 此 資 訊 主 要 是 由 GPS 導 航 訊 息 所 得 到 此 瞬 時 的 地 平 系 統 被 用 來 當 成 衛 星 的 名 義 上 的 姿 態, 可 當 成 衛 星 姿 態 控 制 的 基 準 著 XYZ 軸,, 分 別 繞 衛 星 的 姿 態 角 可 組 成 姿 態 轉 換 矩 陣 (ATM) 被 用 於 精 密 定 軌 中 姿 態 角 在 定 軌 中 主 要 是 被 用 來 做 坐 標 轉 換 之 用, 從 慣 性 坐 標 轉 衛 星 本 體 坐 標, 反 之 亦 然 因 此 不 論 是 減 動 力 法 或 動 態 法 都 需 要 姿 態 角 的 資 訊 以 進 行 精 密 定 軌 首 先, 吾 人 利 用 軌 道 重 疊 的 方 法 量 化 出 姿 態 角 對 軌 道 之 影 響 其 法 為 比 較 利 用 觀 測 所 得 姿 態 進 行 減 動 力 定 軌 與 利 用 名 義 上 的 姿 態 進 行 減 動 力 定 軌 如 此, 吾 人 則 可 以 量 化 出 姿 態 角 對 於 減 動 力 軌 道 的 影 響, 如 圖 所 示 表 1 為 各 顆 衛 星 的 統 計 資 料 圖 3 所 呈 現 的 為 一 天 的 資 料 展 示 : 86400sec/60=1440 minutes 由 於 圖 4 結 果 是 由 兩 個 不 同 的 動 力 軌 道 ( 有 姿 態 與 無 姿 態 的 比 較 ) 相 減 所 得 到 的 而 衛 星 軌 道 積 分 又 仰 賴 著 力 模 式, 因 此 兩 個 軌 道 相 減, 並 定 還 有 once-per-revolution 的 結 果 在 裡 面 故 可 看 出 約 一 天 約 15 個 周 期 在 軌 道 差 異 裡 面 衛 星 姿 態 求 定 系 統 主 要 利 用 GPS 導 航 觀 測 量,sun senor, 磁 力 儀 和 earth senor 加 權 平 均 所 得 而 較 大 的 軌 道 差 異 則 是 由 於 本 身 姿 態 求 定 演 算 法 所 造 成 圖 衛 星 本 體 坐 標 系 統 與 姿 態 角 表 1 減 動 力 軌 道 與 速 度 差 異 FM1(DOY , 010), FM(DOY 08-71, 010), FM3(DOY 44-88, 010), FM4(DOY , 010), FM5(DOY 10-16, 010) 和 FM6(DOY , 010)

19 8 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 圖 3 減 動 力 法 搭 配 觀 測 的 姿 態 與 減 動 力 法 搭 配 名 義 上 的 姿 態 在 (a) 軌 道 與 (b) 速 度 上 之 差 異 ( 一 天 的 資 料 展 示 ) 此 外, 由 於 ATM 為 一 個 正 交 矩 陣, 因 此 ATM 矩 陣 與 任 何 長 度 的 內 積, 其 值 應 等 於 該 長 度, 其 概 念 如 公 式 (1) D(t) = A(t) + δ 1 (t)) r Ṽ r Ṽ (1) D 為 基 線 長 ~ rv 基 線 長 之 較 差 與 ATM 矩 陣 A 之 內 積 減 去 本 身 1 為 ATM 矩 陣 之 誤 差 向 量 若 ATM 矩 陣 誤 差 極 小, 則 D 值 應 近 似 於 0 圖 4 利 用 FM3 做 為 實 驗 去 檢 驗 FM3 的 ATM 轉 換 矩 陣 從 圖 4 可 知,FM3 轉 換 矩 陣 於 天 這 個 時 間 段 有 錯 誤, 因 此 在 這 時 間 段 的 FM3 軌 道 不 建 議 使 用, 這 是 由 於 姿 態 角 所 造 成 的 圖 4 的 差 異 主 要 是 由 姿 態 轉 換 矩 陣 乘 上 衛 星 質 心 與 天 線 盤 的 基 線 所 得 的 結 果 再 與 原 先 未 乘 上 姿 態 轉 換 矩 陣 的 基 線 相 比 較 此 結 果 無 關 軌 道 計 算 如 此 方 能 客 觀 的 判 斷 出 轉 換 矩 陣 是 否 出 了 問 題 表 則 為 圖 4 的 統 計 資 料 明 顯 的 看 出 在 天 這 段 時 間, 姿 態 誤 差 造 成 軌 道 的 影 響 高 達 4 公 分 之 多, 此 影 響 若 不 剃 除, 則 將 嚴 重 影 響 動 態 軌 道 的 精 度, 進 而 影 響 重 力 場 的 反 衍 其 餘 0-0. 和 天 的 時 間 段, 則 是 相 對 好 的 姿 態 角 資 料

20 曾 子 榜 陳 坤 林 揚 善 國 : 評 估 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 姿 態 對 軌 道 求 定 之 影 響 83 圖 4 FM3ATM 轉 換 矩 陣 的 表 現 (DOY 09, 008) 表 圖 4 的 統 計 資 訊 4. 結 論 精 密 定 軌 必 須 搭 配 精 確 又 穩 定 的 姿 態 角 資 訊 方 可 完 成 由 於 福 衛 三 號 軌 道 精 度 受 限 於 其 姿 態 控 制 的 影 響, 在 反 衍 地 球 重 力 場 時, 福 衛 三 號 之 動 態 軌 道 需 謹 慎 的 篩 選, 否 則 姿 態 引 起 的 軌 道 誤 差 將 會 傳 播 至 重 力 場 的 反 衍 經 由 此 實 驗, 吾 人 期 盼 未 來 的 福 爾 摩 沙 衛 星 七 號 (FORMOSAT-7/COSMIC-) 能 改 善 其 衛 星 姿 態 控 制 的 品 質, 以 求 達 到 精 密 定 軌 之 要 求 參 考 文 獻 國 家 太 空 中 心,003 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 計 畫, 新 竹 曾 子 榜,006 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 定 軌 : 精 度 及 問 題 分 析, 交 通 大 學, 新 竹 status report. J Geod 83(3 4): Dach, R., Hugentobler, U., Fridez, P., and Meindl, M. (007) Bernese GPS Software Version 5.0, Astronomical Institute. University of Bern, Switzerland Hwang, C., Tseng, T.P., Lin, T., Švehla, D., and Schreiner, B. (009) Precise orbit determination for the FORMOSAT-3/COSMIC satellite mission GPS. J Geod 83: , doi: /s Jäggi, A., Hugentobler, U., and Beutler, G. (006) Pseudo-stochastic orbit modeling techniques for Low-Earth orbiters. J Geod 80 (1): doi: /s Svehla, D. and M, Rothacher, 003. Kinematic and reduced-dynamic precise orbit determination of CHAMP satellite over one year using zero-differences, EGS AGU EUG Joint Assembly, Nice, France Byun, S. and B. E. Schutz, 001. Improving satellite orbit solution using double-differenced GPS carrier phase in kinematic mode, Journal of Geodesy, Vol. 75, pp Dach, R., Brockman, E., Schaer, S., Beutler, G., Meindl, M., Prange, L., Bock, H., Jäggi, A., and Ostini, L. (009) GNSS processing at CODE:

21 84 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume 19, No.4, February 015 Assessing attitude effect of FORMOSAT-3/COSMIC satellite on orbit determination Tzu-Pang Tseng 1* Kun-Lin Chen Eddy Yang 3 ABSTRACT This study quantifies the attitude effect of FORMOSAT-3/COSMIC (F3C) satellite on orbit determination. An attitude determination and control system (ADCS) is used for the transformation between the satellite body frame and the inertial frame. The F3C satellite mission consists of six microsatellites and each satellite is equipped with two antennas for precise orbit determination (POD). One of two POD antennas, called the default antenna, can be used for POD, having an ability to receive more than four GPS satellites. During the inflight phase, F3C has a flip-flop maneuver every 60 days. Such a maneuver is a function of the sun beta angle. Under the eclipse, alternative attitude sensors are activated to replace the Sun sensors, and such a sensor change leads to anomalous GPS phase residuals and a degraded orbit accuracy. The attitude effect on FM1-FM6 causes the orbit error of 9.35, 10.78, 4.97, 5.48, 7.18 and 6.89 cm, respectively and the velocity error of 0.10, 0.10, 0.07, 0.08, 0.09 and 0.10 mm/s, respectively. Based on the results given in this study, some suggestions for the upcoming FORMOSAT-7/COSMIC- satellite mission are made. Keywords: FORMOSAT-3/COSMIC, GPS, attitude 1 Research fellow, GPS Science and Application Research Center of Received Date: Aug. 0, 013 National Central University Revised Date: Oct. 13, 014,3 Research fellow, National Space Organization Accepted Date: Oct. 16, 014 *. Corresponding Author, Phone: ext. 5519, [email protected]

22 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 4 期 第 頁 民 國 104 年 0 月 85 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume19, No4, February 014, pp DOI: /JPRS (4).3 福 衛 五 號 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 葉 嘉 靖 1* 何 佩 怡 摘 要 衛 星 為 一 多 功 能 軟 硬 體 系 統, 處 理 各 樣 電 力 感 測 與 數 位 訊 號 各 次 系 統 發 展 其 特 殊 功 能, 依 系 統 需 求 與 介 面 定 義, 做 各 功 能 元 件 發 展 與 測 試 然 而, 衛 星 要 能 發 揮 功 用, 執 行 任 務, 必 須 整 體 功 能 齊 全, 無 論 是 感 測 器 致 動 器 資 料 處 理 或 飛 行 演 算 法, 必 須 通 過 完 整 的 系 統 驗 證 與 確 認, 確 保 所 有 介 面 之 定 義 互 相 符 合, 確 保 飛 行 軟 體 內 演 算 法 可 正 確 執 行 衛 星 控 制 此 種 驗 證 測 試 毋 需 以 昂 貴 的 飛 行 元 件 作 系 統 驗 證, 以 功 能 性 能 幾 近 相 同 之 工 程 驗 證 體 替 代 衛 星 飛 行 體 執 行 測 試, 可 早 期 找 出 衛 星 系 統 複 雜 的 匹 配 性 問 題 系 統 驗 證 對 新 開 發 之 元 件 尤 其 重 要, 例 如, 衛 星 電 腦 飛 行 軟 體 模 組, 新 出 廠 的 元 件 一 定 要 經 過 系 統 檢 查 才 能 確 保 本 身 沒 有 系 統 相 容 性 問 題 關 鍵 詞 : 驗 證 與 確 認 系 統 需 求 工 程 驗 證 體 1. 系 統 介 紹 福 衛 五 號 為 我 國 第 一 枚 自 主 發 展 的 衛 星 系 統, 其 任 務 為 提 供 可 見 光 公 尺 灰 階 解 析 度 與 4 公 尺 多 頻 譜 解 析 度 之 全 球 影 像 遙 測 衛 星, 作 為 福 衛 二 號 遙 測 衛 星 接 續 任 務, 提 供 國 內 全 球 影 像 服 務 福 衛 五 號 為 太 陽 同 步 軌 道 設 計, 具 通 過 地 面 軌 跡 兩 日 再 訪 特 性, 涵 蓋 全 球 各 角 落 影 像 之 遙 測 取 像 功 能, 可 接 續 作 國 土 規 劃 災 害 觀 測 等 重 要 工 作, 預 計 015 年 發 射 (Chang et al., 01) 衛 星 無 論 大 小, 其 系 統 本 身 功 能 複 雜, 福 衛 五 號 在 架 構 上 可 分 為 衛 星 本 體 (Spacecraft Bus) 遙 測 酬 載 (Remote Sensing Payload) 與 科 學 酬 載 (Science Payload) 三 部 分, 衛 星 本 體 又 可 分 為 電 力 (Electrical Power) 電 腦 通 訊 (Communication) 姿 態 控 制 (Attitude Control) 熱 控 (Thermal Control) 推 進 (Propulsion) 結 構 (Structure) 與 飛 行 軟 體 (Flight Software) 8 個 次 系 統, 遙 測 酬 載 可 分 為 光 學 系 統 感 測 器 與 影 像 處 理 包 含 各 個 不 同 次 系 統 處 理 各 樣 電 力 控 制 遙 感 測 資 訊, 衛 星 作 為 一 套 無 人 操 作 飛 行 器, 衛 星 電 腦 接 收 各 次 系 統 傳 來 的 感 測 器 訊 號, 經 運 算 後 轉 化 為 各 種 控 制 指 令, 即 時 傳 輸 至 不 同 的 控 制 器 與 致 動 器, 使 衛 星 在 太 空 軌 道 中 維 持 電 力 姿 態 與 正 常 操 作, 並 可 支 援 各 項 任 務 或 實 驗 衛 星 系 統 的 次 系 統 包 含 有 姿 態 控 制 系 統 電 力 系 統 指 令 與 資 料 處 理 系 統 (Command & Data Handling) 微 波 通 訊 系 統 熱 控 系 統 推 進 系 統 與 飛 行 軟 體 系 統, 每 一 次 系 統 領 域 功 能 不 同 衛 星 系 統 依 任 務 需 求 分 配 分 項 功 能 於 各 元 件 上, 且 定 義 彼 此 介 面, 當 各 功 能 元 件 發 展 與 測 試 完 成 後, 被 賦 予 特 定 功 能 的 元 件 須 整 合 成 一 系 統 才 能 發 揮 最 終 功 用 然 而, 衛 星 要 能 發 揮 完 整 功 用 執 行 任 務, 必 須 所 有 軟 體 硬 體 符 合 系 統 需 求 整 合 程 序, 換 言 之, 即 系 統 功 能 完 整 性 此 處, 無 論 是 哪 項 次 系 統, 都 必 須 通 過 完 整 的 系 統 驗 證 與 確 認, 確 保 電 力 控 制 遙 感 資 料 處 理 及 衛 星 控 制 符 合 衛 星 系 統 需 求 與 任 務 需 求, 確 保 所 有 介 面 互 相 符 合, 確 保 飛 行 軟 體 內 演 算 法 可 正 確 執 行 衛 星 控 制 系 統 驗 證 與 確 認 依 衛 星 發 展 進 程 規 劃, 可 分 為 工 程 驗 證 體 階 段 與 衛 星 飛 行 體 階 段 衛 星 飛 行 體 使 1 3 * 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 正 工 程 師 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 副 研 究 員 國 立 成 功 大 學 地 球 科 學 系 通 訊 作 者, 電 話 : ext. 950, [email protected] 收 到 日 期 : 民 國 10 年 07 月 8 日 修 改 日 期 : 民 國 10 年 1 月 31 日 接 受 日 期 : 民 國 103 年 01 月 07 日

23 86 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 用 飛 行 元 件 組 裝 而 成, 其 個 別 元 件 單 價 高 取 得 期 程 長, 適 合 配 合 衛 星 結 構 體 執 行 發 射 與 軌 道 環 境 測 試 功 能 綜 合 性 測 試 對 需 要 完 整 執 行 驗 證 之 衛 星 系 統 功 能, 宜 儘 早 開 始 規 畫 進 行, 在 飛 行 體 上 執 行 太 晚, 若 發 現 問 題 已 很 難 回 頭 再 修 改 飛 行 元 件, 衛 星 發 展 時 程 上 也 不 允 許 以 飛 行 體 進 行 太 細 節 的 系 統 相 容 性 檢 查 相 對 而 言, 工 程 驗 證 體 以 功 能 相 同 的 元 件 工 程 體 組 成, 電 氣 介 面 與 飛 行 體 完 全 相 同, 可 全 面 展 開 跨 次 系 統 間 的 軟 體 與 硬 體 功 能 測 試 與 衛 星 操 作 資 料 庫 檢 查, 此 種 驗 證 與 確 認 對 新 開 發 之 元 件 尤 其 重 要, 例 如, 衛 星 電 腦, 可 早 期 發 覺 複 雜 系 統 之 間 匹 配 性 是 否 正 常 此 外, 衛 星 面 對 各 種 軌 道 上 的 環 境 只 能 靠 模 擬 產 生, 此 部 分 的 感 測 與 驗 證 無 須 倚 賴 飛 行 體, 反 而 利 用 工 程 體 與 地 面 測 試 系 統 的 相 互 配 合, 可 做 更 有 效 的 測 試 安 排 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 利 用 工 程 體 為 所 有 衛 星 發 展 必 經 的 一 段 路 程. 工 程 驗 證 體 系 統 架 構 與 功 能 衛 星 工 程 驗 證 體 (Engineering Development Model, EDM), 是 構 成 衛 星 系 統 驗 證 的 主 角, 其 由 各 衛 星 元 件 的 工 程 體 組 合 而 成 (Chang et al., 01), 工 程 體 與 飛 行 體 的 差 異 在 於 零 件 等 級 的 選 擇, 亦 未 經 過 環 境 測 試 驗 證, 故 其 在 功 能 與 性 能 上 的 差 異 甚 微, 但 可 取 得 的 時 機 早, 運 用 在 地 面 上 測 試 最 經 濟 最 完 整 之 工 程 驗 證 體 具 有 所 有 之 衛 星 元 件 工 程 體, 但 此 種 規 劃 殊 無 必 要, 毋 須 於 工 程 驗 證 體 測 試 的 次 系 統 或 元 件 不 須 安 排, 如 衛 星 結 構 體, 沒 有 測 試 環 境 的 部 分, 如 太 陽 電 能 板 衛 星 最 核 心 的 航 電 系 統 ( 電 力 系 統 姿 態 控 制 系 統 指 令 與 資 料 處 理 ) 需 要 有 完 整 的 工 程 體 才 具 有 實 際 驗 證 的 成 效, 福 衛 五 號 工 程 驗 證 體 的 航 電 系 統 為 電 力 控 制 與 配 置 單 元 ( Power Control and Distribution Unit, PCDU) 與 指 令 與 資 料 管 理 單 元 (Command and Data Management Unit, CDMU), 作 為 太 空 中 心 第 一 枚 自 主 衛 星 系 統, 電 力 控 制 與 配 置 單 元 指 令 與 資 料 管 理 單 元 亦 為 國 內 第 一 次 自 主 開 發 太 空 級 航 電 元 件 PCDU 主 控 所 有 衛 星 電 源, 太 陽 電 力 調 節 衛 星 電 池 充 電 調 節 各 衛 星 元 件 電 源 控 制 與 保 護, 甚 至 衛 星 主 電 源 切 換 與 閉 鎖 再 復 原 保 護 機 制 皆 內 建 於 此 中 央 系 統 內 CDMU 內 含 有 一 顆 LEON-3 中 央 處 理 器, 選 擇 作 為 太 空 中 心 自 主 衛 星 多 用 途 處 理 器, 其 為 歐 洲 太 空 總 署 推 廣 的 CPU, 具 有 較 易 取 得 出 口 管 制 與 高 失 效 容 忍 之 特 性 (Weng et al., 007), 此 CPU 所 乘 載 的 飛 行 控 制 軟 體 與 整 個 航 電 系 統 皆 由 太 空 中 心 主 導 完 成, 再 搭 配 太 空 中 心 主 導 開 發 的 遙 測 酬 載, 這 些 首 次 開 發 的 關 鍵 元 件 整 合 性 與 相 容 性 為 EDM 最 大 之 挑 戰 福 衛 五 號 衛 星 另 一 項 特 色 為 使 用 不 具 太 空 規 格 的 軍 規 元 件 LITEF Gyro, 此 發 展 方 向 在 福 衛 五 號 的 前 期 即 已 確 定 (Weng et al., 007), 檢 驗 此 等 元 件 之 電 氣 特 性 亦 為 EDM 之 重 點 工 作 除 此 之 外, 福 衛 五 號 工 程 體 也 包 含 衛 星 電 池 與 衛 星 線 束, 衛 星 電 池 提 供 衛 星 操 作 時 主 電 源 電 壓 變 化 的 參 考 行 為, 衛 星 線 束 則 與 飛 行 線 束 具 有 完 全 相 同 之 電 氣 介 面 定 義, 可 檢 視 飛 行 線 束 的 設 計 是 否 有 誤 姿 態 控 制 所 需 的 感 測 器 與 致 動 器 元 件, 因 沒 有 太 空 環 境 觸 發, 其 反 應 亦 無 法 回 饋 至 衛 星, 使 用 上 可 用 地 面 測 試 設 備 模 擬, 儀 器 搭 配 軟 體 可 模 擬 出 仿 真 訊 號 供 驗 證 測 試 太 陽 電 能 板 不 可 能 在 測 試 廠 房 接 觸 到 真 正 的 軌 道 太 陽 輻 射, 故 提 供 電 力 是 由 可 模 擬 太 陽 電 池 的 儀 器 或 直 接 使 用 電 源 供 應 器 對 工 程 驗 證 體 供 電 再 搭 配 測 試 用 的 主 控 電 腦 (Satellite Test Controller, STC), 內 含 衛 星 地 面 站 操 作 衛 星 之 資 料 庫, 這 些 統 稱 為 電 機 地 面 測 試 設 備 (Electrical Ground Support Equipment, EGSE) 福 衛 五 號 EDM 是 以 經 濟 效 益 的 考 量 來 組 成, 航 電 系 統 中 的 PCDU 與 CDMU 在 自 主 發 展 過 程 中 自 然 會 留 下 元 件 工 程 體 因 介 面 相 同,EGSE 可 用 相 同 設 計 複 製 一 套, 只 需 利 用 相 同 設 計 重 製 一 套 衛 星 線 束 ( 其 本 身 亦 作 為 介 面 驗 證 對 象 ), 再 搭 配 飛 行 軟 體, 即 完 成 福 衛 五 號 EDM 系 統, 所 花 費 的 額 外 成 本 甚 低 ( 台 幣 1500 萬 以 內 ), 較 之 十 數 億 元 以 上 的 衛 星 飛 行 體 來 作 測 試, 經 濟 便 捷 許 多, 發 展 期 中 若 衛 星 設 計 修 改, 模 擬 器 的 修 改 也 較 為 容 易 此

24 葉 嘉 靖 何 佩 怡 : 福 衛 五 號 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 87 種 架 構 亦 可 稱 為 FlatSat, 與 太 空 中 心 以 往 外 購 衛 星 的 福 衛 一 號 福 衛 二 號 福 衛 三 號 EDM 架 構 相 比, 是 一 大 變 革 (Weichbrod and McBride, 1995), 以 往 福 衛 系 列 衛 星 EDM 採 用 全 工 程 體 硬 體 架 構, 甚 至 有 衛 星 相 同 的 結 構 體 (Hawes, 003), 需 要 較 長 時 間 等 衛 星 設 計 成 熟 再 準 備, 此 外, 原 始 程 式 碼 太 空 中 心 無 法 取 得, 只 能 操 作, 無 法 沿 用 福 衛 五 號 EDM 提 供 太 空 中 心 一 個 迅 速 便 捷 開 始 執 行 測 試 驗 證 的 機 會, 因 部 分 飛 行 元 件 取 得 困 難,EDM 使 衛 星 系 統 實 際 的 驗 證 工 作 比 衛 星 飛 行 體 整 合 測 試 提 早 兩 年 開 始.1 福 衛 五 號 工 程 驗 證 體 架 構 福 衛 五 號 執 行 系 統 驗 證 與 確 認 利 用 工 程 驗 證 體 與 電 機 地 面 測 試 設 備 模 擬 完 整 測 試 環 境, 測 試 人 員 可 在 主 控 電 腦 上 對 工 程 驗 證 體 下 達 指 令, 並 接 收 遙 傳 數 據, 如 同 在 衛 星 操 控 中 心 操 作 衛 星 般, 一 邊 對 系 統 執 行 驗 證, 同 時 施 予 操 作 確 認 福 衛 五 號 工 程 驗 證 體 架 構 如 圖 1, 如 上 述, 其 核 心 航 電 系 統 部 分 皆 使 用 元 件 工 程 體 做 功 能 驗 證 與 系 統 確 認 微 波 通 訊 驗 證 不 在 工 程 驗 證 體 規 劃 範 圍, 其 硬 體 性 能 分 別 在 元 件 出 廠 與 衛 星 飛 行 體 系 統 整 合 時 分 別 量 測, 此 處 僅 針 對 衛 星 資 料 傳 輸 格 式 內 容 作 確 認, 使 用 基 頻 通 訊 福 衛 五 號 工 程 驗 證 體 於 階 段 三 ( 階 段 的 定 義 請 參 考.3 節 說 明 ) 初 步 完 成 的 設 置 如 圖 Propulsion GYRO Assembly RW x 4 Star Camera x OSS x 6 Magnetometer x Magnetic Torque x 3 Solar Array GPSR x Battery CR Bus Filter Group Switches DC/DC Converter Heaters CTRL I/F P CTRL I/F R PCDU DC RE HK1 HK Science Payload Electronic Unit Sensor DS Sensor CDMU ROUTER TMTC S Band Transceiver ACS BC-R LEON-3 CPU BC-P LEON-3 CPU UART/RS- 4 BUS MMU X Band Tx FPA RSI CCU Thermistors EGSE / Simulator Engineering Model Not included in EDM 圖 1 福 衛 五 號 工 程 驗 證 體 系 統 架 構

25 88 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 圖 福 衛 五 號 階 段 三 時 期 工 程 驗 證 體 設 置. 福 衛 五 號 工 程 驗 證 體 功 能 除 微 波 通 訊 外, 幾 乎 所 有 衛 星 系 統 功 能 皆 可 於 衛 星 工 程 驗 證 體 上 驗 證, 衛 星 電 腦 中 裝 載 分 階 段 發 展 完 成 的 飛 行 軟 體 程 式 碼, 配 合 各 次 系 統 模 擬 器 檢 驗 控 制 演 算 法 之 正 確 性, 模 擬 器 亦 可 模 擬 不 同 軌 道 不 同 環 境 下 的 情 境, 反 覆 檢 測 衛 星 系 統 操 作 性 能, 這 是 用 真 實 元 件 硬 體 不 容 易 達 成 的 條 件, 亦 是 工 程 驗 證 體 的 優 點 之 一 福 衛 五 號 電 力 控 制 與 配 置 單 元 指 令 與 資 料 管 理 單 元 與 衛 星 飛 行 軟 體 皆 為 國 內 首 次 自 行 發 展 之 衛 星 關 鍵 技 術, 雖 經 個 別 單 元 測 試 完 成, 系 統 組 裝 後 之 相 容 性 為 驗 證 重 點, 複 雜 的 軟 硬 體 間 相 互 配 合 難 免 有 錯 或 誤 解, 若 直 接 在 飛 行 體 上 發 現 錯 誤, 輕 則 影 響 時 程, 重 則 損 傷 硬 體, 皆 為 發 展 過 程 中 所 不 樂 見 若 改 正 錯 誤 同 時 需 變 更 飛 行 硬 體 設 計, 尤 需 及 早 發 現, 以 免 昂 貴 之 飛 行 體 硬 體 完 成 後 重 新 施 作, 影 響 品 質, 此 為 工 程 驗 證 體 優 點 之 二 衛 星 線 束 聯 繫 著 所 有 設 計 規 劃 的 電 氣 介 面, 福 衛 五 號 電 氣 界 面 僅 衛 星 本 體 部 分 即 超 過 3000 組, 分 散 於 168 個 連 接 器 及 近 00 組 加 熱 器 與 溫 度 感 測 器 上, 利 用 相 同 的 系 統 界 面 定 義 相 近 的 線 束 長 度 地 面 等 級 連 接 器, 製 作 工 程 驗 證 體 線 束 安 裝, 於 整 個 系 統 驗 證 測 試 過 程 中, 可 連 帶 檢 驗 此 系 統 界 面 定 義 是 否 正 確, 做 為 飛 行 線 束 設 計 製 作 準 備 飛 行 軟 體 為 工 程 驗 證 體 最 主 要 的 測 試 驗 證 項 目, 依 各 次 系 統 與 硬 體 元 件 不 同 需 求, 分 階 段 完 成 各 演 算 法, 主 要 的 演 算 法 有 系 統 管 理 ( 含 火 箭 發 射 與 衛 星 分 離 階 段 ) 姿 態 控 制 電 力 控 制 熱 傳 控 制 指 令 與 資 料 處 理 硬 體 元 件 驅 動 程 式 由 最 底 層 驅 動 程 式 開 始, 逐 步

26 葉 嘉 靖 何 佩 怡 : 福 衛 五 號 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 89 整 合 各 硬 體 元 件 架 構, 進 而 執 行 次 系 統 驗 證 功 能 失 效 與 恢 復 驗 證, 最 後 執 行 全 系 統 確 認 每 個 環 節 的 測 試 均 充 份 驗 證 某 部 份 飛 行 軟 體 功 能, 於 反 覆 驗 證 / 修 改 的 過 程 中, 讓 飛 行 軟 體 驗 證 度 能 涵 蓋 設 計 階 段 未 設 想 的 狀 況, 以 期 發 展 出 健 全 可 靠 的 飛 行 軟 體 再 者, 指 令 與 遙 傳 資 料 庫 驗 證 關 係 到 未 來 衛 星 操 作, 資 料 庫 的 建 立 是 由 各 次 系 統 與 飛 行 軟 體 共 同 努 力 而 建 立, 其 格 式 內 容 龐 雜 無 法 只 靠 書 面 審 查 確 認 正 確 性, 若 由 衛 星 飛 行 體 執 行 測 試 在 時 程 上 已 太 晚, 恐 造 成 整 合 測 試 時 程 壓 力, 影 響 其 餘 正 常 測 試 內 容 工 程 驗 證 體 可 於 衛 星 工 程 體 元 件 初 整 合 時 即 開 始 測 試, 逐 步 驗 證 資 料 庫 內 容, 對 後 續 資 料 庫 編 修 有 正 面 效 果 工 程 驗 證 體 亦 可 作 為 衛 星 飛 行 體 整 測 之 輔 助, 除 測 試 程 序 可 於 其 作 事 前 演 練, 減 少 出 錯 機 會, 衛 星 電 機 系 統 整 測 過 程 發 現 的 問 題 亦 可 於 工 程 驗 證 體 上 做 除 錯 與 初 步 排 除, 支 援 衛 星 飛 行 體 整 合 測 試 對 於 沒 把 握 的 測 試 工 作, 工 程 驗 證 體 或 可 替 代 衛 星 飛 行 體 此 外, 飛 行 操 作 程 序 開 發 有 賴 各 相 關 工 程 人 員 基 於 原 始 設 計 理 念 琢 磨 實 際 步 驟, 工 程 驗 證 體 較 飛 行 體 更 適 合 當 做 試 驗 場 合, 經 由 不 斷 的 測 試 驗 證, 排 除 或 修 改 程 序, 再 加 上 系 統 失 效 與 恢 復 機 制 的 驗 證, 發 展 福 衛 五 號 衛 星 飛 行 操 作 手 冊.3 福 衛 五 號 工 程 驗 證 體 發 展 流 程 依 福 衛 五 號 次 系 統 複 雜 度 與 發 展 成 熟 度, 工 程 驗 證 體 由 組 裝 到 發 展 完 成 共 分 為 8 個 階 段 (Phases), 如 圖 3 第 零 階 段 為 準 備 階 段 第 一 階 段 組 裝 電 力 控 制 與 配 置 單 元 和 指 令 與 資 料 管 理 單 元 雛 型 體, 加 上 電 力 地 面 測 試 設 備 測 試 主 控 電 腦, 可 執 行 飛 行 軟 體 中 底 層 的 硬 體 元 件 驅 動 程 式 測 試 與 指 令 與 資 料 處 理 驗 證 迨 自 主 關 鍵 元 件 完 成, 第 三 階 段 將 電 力 控 制 與 配 置 單 元 和 指 令 與 資 料 管 理 單 元 換 成 工 程 體, 配 合 新 版 飛 行 軟 體 與 資 料 庫, 執 行 電 力 控 制 演 算 法 驗 證 與 姿 態 控 制 安 全 模 式 演 算 法 驗 證, 其 間, 為 使 日 後 飛 行 體 整 合 測 試 順 利, 加 入 飛 行 體 測 試 所 需 之 測 試 程 序 於 工 程 驗 證 體 演 練, 事 先 除 錯, 省 卻 飛 行 體 測 試 除 錯 時 間 第 四 階 段 整 合 第 二 套 指 令 與 資 料 管 理 單 元 工 程 體, 使 工 程 驗 證 體 具 備 系 統 交 叉 備 援 功 能, 更 新 飛 行 軟 體 與 資 料 庫, 同 時 進 行 姿 態 控 制 正 常 模 式 演 算 法 驗 證 與 熱 傳 控 制 演 算 法 驗 證 第 五 階 段 再 更 新 飛 行 軟 體 與 資 料 庫, 進 行 姿 態 控 制 軌 道 轉 換 模 式 演 算 法 驗 證, 衛 星 本 體 系 統 失 效 與 恢 復 機 制 的 驗 證 也 在 階 段 五 測 試 第 六 階 段 預 備 進 行 傳 導 電 磁 相 容 測 試 第 七 階 段 將 遙 測 酬 載 儀 器 與 科 學 酬 載 儀 器 工 程 體 整 合, 執 行 相 關 指 令 與 遙 傳 資 料 庫 測 試, 利 用 預 存 的 影 像 檔, 執 行 衛 星 影 像 下 傳 測 試, 與 酬 載 儀 器 相 關 之 系 統 失 效 與 恢 復 機 制 也 在 階 段 七 驗 證 至 此, 工 程 驗 證 體 算 是 完 成, 最 後 第 八 階 段 執 行 衛 星 任 務 驗 證 與 確 認 整 合 型 測 試 發 展 流 程 與 整 合 順 序 參 考 福 衛 一 號 EDM 組 裝 規 劃 (McBride, 1996) 3. 驗 證 測 試 內 容 福 衛 五 號 系 統 驗 證 與 確 認 工 程 由 各 次 系 統 先 針 對 本 身 的 設 計 做 驗 證, 系 統 驗 證 項 目 再 根 據 次 系 統 驗 證 結 果 發 展, 測 試 過 程 會 不 斷 反 覆 修 正 錯 誤 介 面 不 匹 配 之 處, 同 時 提 供 系 統 驗 證 適 當 方 法, 福 衛 五 號 衛 星 操 作 手 冊 也 因 此 得 以 建 立 基 本 驗 證 測 試 內 容 分 別 如 表 1 表 測 試 驗 證 最 早 由 飛 行 軟 體 架 構 底 層 開 展 至 上 層, 表 1 與 表 驗 證 飛 行 軟 體 底 層 服 務 功 能 和 指 令 與 資 料 管 理 單 元 硬 體 整 合

27 90 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 Phase 0 - Preparation Phase I -CDMU/PCDU/GESE Integration Phase II - CDH & TM/TC Phase III - ACS/EPS CDMU/PCDU EM /EGSE integration Phase IV - ACS/TCS CDMU EM Integration EDM Preparation CDMU/PCDU EBB /EGSE integration FSW CDH & TM/TC Test ACS ASH Test EPS Test ACS NM Test SC TMTC Test AIP ISD Test TCS Test Phase V - ACS/FDIR Phase VI - Conducted EMC Phase VII - Payload/FDIR Phase VIII - Formal Qualification Test CDMU EM Integration ACS OCM Test Mission/FDIR Test Conducted EMC Test RSI Test AIP Test Mission/FDIR Test (Payload) FQT 圖 3 工 程 驗 證 體 發 展 流 程 表 1 飛 行 軟 體 服 務 驗 證 測 試 標 題 內 容 描 述 Telemetry Function 驗 證 衛 星 遙 傳 數 據 下 鏈 與 資 料 封 包 調 整 功 能 Telecommand Function 檢 驗 定 時 指 令 管 理 機 制 On Board Time 檢 驗 衛 星 電 腦 時 間 運 算 時 間 同 步 機 制 SPW IO execution list 檢 驗 Spacewire 循 環 輸 出 與 輸 入 執 行 序 列 Device Telecommand 測 試 SpaceWire 非 同 步 與 序 列 元 件 裝 置 指 令 Monitoring Library 飛 行 軟 體 執 行 監 控 資 料 庫 指 令 測 試 Mission Plan Queues 測 試 任 務 相 對 時 間 指 令 執 行 Memory Management 測 試 飛 行 軟 體 記 憶 空 間 資 料 下 載 貼 上 與 清 除 功 能 Report Buffers Management 測 試 飛 行 軟 體 事 件 報 告 機 制 ARO Procedure 測 試 衛 星 自 動 安 全 模 式 程 序 測 試 衛 星 各 元 件 次 系 統 與 酬 載 之 飛 行 軟 體 即 時 程 序 Software TC 指 令 驗 證 飛 行 軟 體 控 制 衛 星 在 不 同 系 統 操 作 模 式 間 轉 Mode Transition and Entrance Test 換 進 入 地 面 測 試 模 式 Restart Deployment Sequence Test 測 試 飛 行 軟 體 啟 動 太 陽 能 板 展 開 程 序 On Orbit FSW Upload Test 飛 行 軟 體 上 載 程 序 驗 證

28 葉 嘉 靖 何 佩 怡 : 福 衛 五 號 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 91 表 指 令 與 料 管 理 驗 證 內 容 測 試 標 題 內 容 描 述 HPC Test 檢 查 所 有 最 高 優 先 度 硬 體 指 令 執 行 動 作 藉 由 指 令 與 資 料 管 理 單 元 模 組 解 譯, 驗 證 單 元 模 組 與 相 關 硬 體 切 換 ARO Validation Test 驗 證 衛 星 進 入 自 動 安 全 模 式 啟 動 機 制 Two CDMU Configuration Test 檢 查 兩 組 指 令 與 資 料 管 理 單 元 之 間 相 互 切 換 與 搭 配 之 操 作 組 合 CDMU TC/TM Test 檢 查 指 令 與 資 料 管 理 單 元 所 有 指 令 與 遙 傳 資 料 庫 表 3 電 力 控 制 系 統 驗 證 內 容 測 試 標 題 內 容 描 述 PCDU Discrete Command Check 檢 查 電 力 控 制 與 配 置 單 元 個 別 控 制 指 令 驗 證 飛 行 軟 體 演 算 法, 衛 星 主 電 壓 之 低 電 壓 保 護 機 Bus Under Voltage Test 制, 確 認 飛 行 軟 體 可 執 行 偵 測 並 作 系 統 恢 復 驗 證 飛 行 軟 體 演 算 法, 電 力 次 系 統 感 測 器 失 效 反 應, EPS Sensor Failure Test 確 認 飛 行 軟 體 可 偵 測 失 效 做 失 效 隔 離 並 做 系 統 恢 復 驗 證 飛 行 軟 體 演 算 法, 針 對 衛 星 電 池 作 充 電 放 電 控 EPS Charge Algorithm Validation 制 與 監 測 EPS Mode Test 驗 證 飛 行 軟 體 演 算 法, 電 力 控 制 操 作 模 式 轉 換 Battery Ampere-Hour Integration 驗 證 飛 行 軟 體 演 算 法, 衛 星 電 池 充 電 狀 態 之 計 量 Validation 驗 證 飛 行 軟 體 演 算 法, 檢 查 其 與 電 力 控 制 單 元 對 衛 星 Battery Protection Function Test 電 池 充 電 放 電 保 護 機 制 表 4 姿 態 控 制 系 統 驗 證 內 容 測 試 標 題 AOCS TM/TC Test ASH Mode Test Normal Mode Test Maneuver Test Orbit Control Mode Test 內 容 描 述 驗 證 姿 態 控 制 系 統 地 面 測 試 設 備, 檢 查 其 與 指 令 與 資 料 管 理 單 元 之 間 指 令 與 遙 傳 通 訊 協 議 驗 證 飛 行 軟 體 姿 態 控 制 演 算 法, 確 認 姿 態 安 全 模 式 控 制 此 為 福 衛 五 號 緊 急 狀 態 姿 態 驗 證 飛 行 軟 體 姿 態 控 制 演 算 法, 確 認 姿 態 正 常 模 式 控 制 此 為 福 衛 五 號 衛 星 任 務 正 常 姿 態 驗 證 飛 行 軟 體 姿 態 控 制 演 算 法, 確 認 姿 態 調 整 轉 換 控 制 此 為 福 衛 五 號 衛 星 任 務 正 常 姿 態 轉 換 驗 證 飛 行 軟 體 姿 態 控 制 演 算 法, 確 認 福 衛 五 號 軌 道 轉 換 姿 態 模 式 控 制

29 9 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 表 5 熱 傳 控 制 系 統 驗 證 測 試 標 題 內 容 描 述 驗 證 飛 行 軟 體 熱 傳 控 制 演 算 法, 確 認 各 溫 度 感 測 器 與 Thermal Function Test 加 熱 器 之 間 指 令 與 監 控 的 關 係 符 合 溫 控 標 準 TCS FDIR Test 驗 證 飛 行 軟 體 熱 傳 控 制 演 算 法 失 效 保 護 機 制 表 3 至 表 5 列 舉 飛 行 軟 體 上 層 應 用 對 象 的 各 次 系 統 驗 證 項 目, 內 容 著 重 於 演 算 法 確 認, 姿 態 控 制 演 算 模 式 驗 證 採 用 多 階 段 漸 進 程 序 來 達 成, 首 先 由 Acquisition and Safe Hold mode (ASH) 開 始, 第 二 步 進 行 Normal Mode 驗 證 (Berger et al., 1998), 再 來 進 行 Orbit Control Mode (OCM) 驗 證 演 算 法 屬 次 系 統 設 計, 由 各 次 系 統 依 系 統 需 求 與 使 用 元 件 硬 體 規 格 發 展 而 來 福 衛 五 號 系 統 驗 證 與 確 認 利 用 各 演 算 法 在 飛 行 軟 體 中 的 架 構 位 置 分 別 驗 證 確 認 可 符 合 系 統 需 求, 最 後 再 設 計 全 系 統 測 試 方 案, 藉 由 一 個 或 連 續 多 個 軌 道 情 節 確 認 系 統 穩 定 性, 也 可 由 發 射 分 離 連 續 執 行 至 衛 星 進 入 正 常 模 式 來 檢 驗 不 同 操 作 模 式 之 間 的 轉 換 與 運 作 除 上 述 衛 星 本 體 次 系 統 本 身 的 驗 證 外, 進 入 系 統 層 次 的 驗 證,EDM 因 為 是 航 電 系 統 加 上 軟 體 模 擬 衛 星 動 態 與 衛 星 環 境, 在 某 些 測 試 狀 況 更 為 便 利, 如 Failure Detection, Isolation and Recovery (FDIR) 與 Automatic Recovery Order (ARO) 測 試, 可 迅 速 加 入 錯 誤 因 子 或 錯 誤 因 素 重 現, 不 必 等 待 所 有 硬 體 真 正 反 應 時 間 不 必 等 待 硬 體 恢 復, 在 短 時 間 內 可 重 置 重 測, 驗 證 時 其 航 電 系 統 是 真 正 硬 體, 無 論 CPU 的 運 算 介 面 傳 輸 衛 星 電 力 的 開 關 或 切 換 皆 是 真 正 衛 星 的 反 應, 可 確 保 衛 星 關 鍵 操 作 的 真 實 性 另 一 個 衛 星 關 鍵 操 作 的 狀 況 是 早 期 軌 道, 若 以 純 軟 體 模 擬 有 其 侷 限 性, 透 過 EDM 設 定 發 射 與 早 期 軌 道 環 境 作 系 統 驗 證, 確 保 衛 星 發 射 與 初 期 軌 道 存 活 性, 是 衛 星 發 射 前 必 須 確 認 的 環 節 影 像 模 擬 與 測 試 是 為 檢 查 自 主 發 展 的 遙 測 酬 載 電 子 系 統 與 衛 星 本 體 X 頻 段 發 射 器 之 間 的 資 料 傳 輸, 大 量 的 遙 測 影 像 資 料 必 須 靠 高 速 傳 輸 才 能 在 不 超 過 8 分 鐘 內 傳 輸 完 畢, 資 料 傳 輸 率 高 達 150Mbps, 兩 次 系 統 之 間 時 脈 設 定 的 些 微 差 異 即 可 造 成 遙 測 影 像 下 傳 地 面 錯 誤, 遙 測 酬 載 電 子 系 統 的 太 空 規 格 可 程 式 邏 輯 閘 變 換 程 式 不 易,EDM 利 用 模 擬 的 影 像 可 預 先 檢 查 點 對 點 影 像 傳 輸 是 否 符 合 最 小 錯 誤 率 要 求, 使 遙 測 酬 載 電 子 系 統 可 進 入 飛 行 體 生 產 階 段 4. 初 步 測 試 結 果 福 衛 五 號 系 統 驗 證 與 確 認 已 開 始 執 行, 現 進 行 至 第 四 階 段 測 試, 執 行 過 程 主 要 還 是 在 飛 行 軟 體 的 修 正 與 衛 星 指 令 / 遙 傳 資 料 庫 的 建 立, 期 間 亦 執 行 部 分 衛 星 飛 行 體 測 試 演 練, 姿 態 控 制 安 全 模 式 和 電 力 控 制 已 驗 證 確 認 完 成 圖 4 顯 示 福 衛 五 號 衛 星 姿 態 控 制 在 安 全 模 式 (ASH Mode)0000 秒 內, 各 軸 轉 動 速 度 的 收 斂 情 形, 由 於 衛 星 軌 道 周 期 約 5900 秒, 可 看 出 發 射 飛 離 7000 秒 後 衛 星 本 體 三 軸 皆 已 收 斂, 姿 態 模 式 轉 換 指 標 亦 規 律 變 換, 此 結 果 顯 示 安 全 模 式 下 的 各 軸 姿 態 皆 可 在 福 衛 五 號 發 射 分 離 後 圈 任 務 軌 道 內 完 成 收 斂, 與 預 期 結 果 近 似 圖 5 顯 示 衛 星 電 力 控 制 系 統 的 電 池 充 電 電 流 保 護, 藉 由 調 整 充 電 電 流 上 限 值 (EBATILIM) 使 當 時 的 電 池 實 際 電 流 超 過 或 低 於 上 限 值 來 觀 察 電 池 充 電 調 節 器 的 變 化, 並 觀 察 實 際 衛 星 電 池 充 電 電 流 是 否 不 超 過 其 設 定 之 電 流 上 限 值 觀 察 結 果 顯 示 電 池 充 電 調 節 值 (ECRW) 會 隨 電 池 電 流 超 過 上 限 而 下 降 低 於 上 限 而 升 高, 且 實 際 衛 星 電 池 電 流 從 未 超 過 其 充 電 上 限 值, 達 成 系 統 對 衛 星 電 池 的 需 求 於 測 試 過 程 中, 也 陸 續 發 現 其 餘 飛 行 軟 體

30 葉 嘉 靖 何 佩 怡 : 福 衛 五 號 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 93 指 令 / 健 康 數 據 遙 傳 資 料 庫 指 令 與 資 料 管 理 單 元 硬 體 與 序 列 通 訊 間 匹 配 問 題 無 論 是 修 改 製 造 中 的 硬 體 或 軟 體 資 料 庫, 早 期 發 現 問 題, 及 早 因 應 修 改, 對 福 衛 五 號 完 整 有 極 為 正 向 助 益 5. 結 語 衛 星 為 一 複 雜 之 系 統 整 合 工 程, 從 設 計 開 始 至 發 射 升 空, 除 各 階 段 性 設 計 審 查 外, 測 試 驗 證 尤 其 重 要, 系 統 驗 證 便 被 賦 予 最 後 整 合 的 把 關 角 色 福 衛 五 號 EDM 工 程 驗 證 體 做 為 太 空 中 心 第 一 枚 自 主 衛 星 系 統 驗 證 之 用, 所 有 軟 硬 體 皆 由 無 到 有, 克 服 各 種 障 礙, 衛 星 模 擬 的 演 算 法 也 開 發 完 整 的 原 始 碼, 已 藉 由 第 三 人 確 認 模 擬 結 果, 整 合 驗 證 過 程 雖 比 預 期 的 時 間 延 長, 但 藉 由 此 系 統 驗 證 與 確 認, 發 現 設 計 過 程 無 法 找 到 的 問 題,PCDU 單 機 測 試 無 法 發 現 其 與 系 統 整 合 測 試 之 差 異, 在 EDM 驗 證 中 曾 成 功 找 到 僅 0.5V 的 過 電 壓 保 護 差 異 現 象, 並 分 析 出 其 原 因 EDM 最 重 要 的 就 是 及 早 發 現 衛 星 問 題, 協 助 衛 星 飛 行 體 縮 短 測 試 時 間, 減 少 測 試 風 險, 並 確 認 衛 星 在 軌 道 上 之 操 作 可 與 地 面 驗 證 結 果 相 同 目 前 福 衛 五 號 系 統 驗 證 與 確 認 正 於 工 程 驗 證 體 上 分 階 段 整 合 執 行, 已 出 現 顯 著 成 效, 幫 助 飛 行 體 製 造 整 合, 減 少 飛 行 體 錯 誤 發 生 率, 且 藉 由 逐 步 整 合, 衛 星 操 作 資 料 庫 亦 逐 步 建 立 與 修 正, 在 可 預 見 之 未 來, 可 幫 助 飛 行 體 全 功 能 測 試 順 利 進 行, 達 成 衛 星 發 射 入 軌 操 作 之 目 標 圖 4 姿 態 控 制 安 全 模 式 測 試 於 衛 星 發 射 分 離 後 0000 秒 內 ( 超 過 3 圈 軌 道 ) 結 果 衛 星 Z 軸 可 在 7000 秒 後 ( 圈 軌 道 內 ) 達 到 收 斂, 姿 態 判 斷 模 式 (ASH Mode) 亦 可 在 5000 秒 (1 圈 軌 道 ) 後 隨 日 照 與 日 陰 影 正 確 變 換

31 94 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 14 CC_OC_Test 40 A :57: :57: :58: :58: :58: :59: :59: :59: :00: :00: :00: :00: :01:15.79 Time :01: :01: :0: :0: :0: :03: EBATI EBATILIM ECRW Charge Weighting 圖 5 衛 星 電 池 電 流 保 護 測 試 結 果,ECRW 代 表 電 池 充 電 電 流 調 節 比 例 ( 右 軸 ),36 是 滿 刻 度 (100%), EBATILIM 代 表 衛 星 電 池 充 電 電 流 上 限,EBATI 代 表 衛 星 電 池 實 際 電 流 實 測 結 果 顯 示 衛 星 電 池 電 流 一 直 限 制 在 電 流 上 限 之 下 參 考 文 獻 Observation, Berlin, Germany, IAA-B Ann Weichbrod and Lesley McBride, ROCSAT-1 EDM Configuration Management Plan, TRW internal document, D960 Dean Hawes, 003. ROCSAT-3 EDU Spacecraft Integration and Test Plan and Procedures, Orbital internal document, S57-PP6500 G. Berger, L. Dribault and P. Damilano, August LEOSTAR Development and Validation, 1th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Logan, Utah, SSC98-V-3 Ho-Pen Chang, Guey-Shin Chang, Jer Ling and Tony Tsai, 01. Remote Sensing Satellite FORMOSAT-5, 63rd International Astronautical Conference, Naples, Italy, IAC-1-B4.4.8 Lesley McBride, ROCSAT-1 EDM Electrical Integration Test Plan, TRW internal document, D3954 Shui-Lin Weng, Jer Ling and Tung-Hung Tsai, 007. Indigenous Mission of Satellite Development Program in Taiwan, 6th IAA Symposium on Small Satellite for Earth

32 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume 19, No.4, February FORMOSAT-5 Satellite Verification and Validation Jia-Jing Yeh 1* Pei-Yi Ho ABSTRACT Satellite is a hardware-software system with multi-function, containing various power, sensing and digital signals, where each subsystem develops its functions following system requirements and interface definitions. Within the system, each element in the satellite, including sensors and actuators, has to be verified and validated against system requirements and interfaces. In addition, flight software validation assures flight control algorithm, developed by cognized engineers, are compatible with hardware equipment. Such a course does not require expensive flight hardware in the validation process. Instead, engineering model, with the same function, of each hardware is more adequate to be employed. Moreover, to detect any conformity issue within the system in early state is a critical task in satellite project, especially for the new-developed components, e.g. On-Board Computer and flight software. System compatibility issue oftentimes takes place after integrating them to the spacecraft system and that ought to be dealt with. Keywords: Verification and Validation, System Requirements, Engineering Development Model 1 Principal Engineer, National Applied Research Laboratories, National Space Organization Received Date: Jul. 8, 013 Associate Researcher, National Applied Research Laboratories, National Space Organization Revised Date: Dec. 31, Research fellow, National Space Organi Accepted Date: Jan. 07, 014 *. Corresponding Author, Phone: ext. 950, [email protected]

33 96 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月

34 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 4 期 第 頁 民 國 104 年 0 月 97 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume19, No4, February 015, pp DOI: /JPRS (4).4 福 衛 二 號 立 體 取 像 與 影 像 精 度 周 士 傑 1* 劉 蒨 蒨 摘 要 立 體 影 像 為 利 用 感 測 器 針 對 同 一 目 標 物, 進 行 多 次 拍 攝, 因 其 拍 攝 視 角 不 同 而 導 致 不 同 視 差, 可 藉 由 其 相 對 幾 何 關 係 得 到 目 標 物 的 高 程 資 訊, 在 一 般 航 空 攝 影 中, 基 高 比 (B/H ratio) 為 度 量 所 產 製 的 影 像 其 高 程 資 訊 所 可 得 到 的 理 論 精 確 度, 然 而 對 遙 測 衛 星 而 言, 其 飛 行 高 度 相 對 於 地 球 半 徑 並 非 不 可 忽 略, 同 時 所 拍 攝 的 目 標 物 並 不 一 定 在 軌 道 下 方, 因 此 單 純 基 高 比 並 不 足 以 做 為 憑 斷 立 體 影 像 精 度 的 指 標, 本 文 將 以 福 衛 二 號 拍 攝 之 立 體 影 像 為 例 子, 分 析 其 拍 攝 方 式 與 其 精 度 的 關 係 關 鍵 詞 : 福 衛 二 號 立 體 對 取 像 排 程 數 值 高 程 模 型 1. 衛 星 立 體 取 像 人 造 衛 星 依 照 其 任 務 設 計, 在 距 離 地 表 400 到 1000 公 里 高 度 的 軌 道 上 運 行 執 行 任 務, 並 且 現 行 高 解 析 力 人 造 衛 星 大 部 分 具 備 俯 仰 角 以 及 滾 轉 角 轉 動 的 能 力, 因 此 可 以 對 座 落 於 視 角 範 圍 內 的 任 意 目 標 物 進 行 取 像 ; 以 福 衛 二 號 為 例, 自 004 年 發 射 升 空 開 始 執 行 拍 攝 任 務 以 來, 到 目 前 為 止, 其 拍 攝 地 面 資 料 範 圍 已 經 超 過 全 球 陸 地 的 45%, 然 而 其 中 大 部 份 的 資 料 均 為 經 由 轉 動 衛 星 本 體 所 拍 攝 產 生 之 斜 照 影 像, 這 些 資 料 雖 然 不 可 避 免 的 造 成 幾 何 對 位 上 的 困 難 上, 但 另 一 方 面, 若 在 後 序 資 料 處 理 上 加 入 相 關 拍 攝 資 訊, 則 在 詮 釋 資 料 本 身 方 面 卻 可 帶 來 一 些 益 處 衛 星 本 體 在 相 距 一 特 定 距 離, 以 不 同 姿 態 拍 攝 目 標 區 域 時, 則 稱 為 立 體 對 取 像, 而 經 由 多 次 取 像 間 所 產 生 的 視 差, 則 可 以 得 到 目 標 區 域 的 高 程 資 訊 一 般 被 動 式 感 測 器 不 管 其 類 型 如 何, 若 為 單 一 次 取 像, 所 取 得 之 資 訊 僅 具 備 目 標 物 的 二 維 資 訊 ; 然 而 若 可 針 對 同 一 目 標 物, 進 行 多 次 拍 攝, 因 其 拍 攝 視 角 不 同 而 導 致 不 同 視 差, 可 藉 由 其 相 對 幾 何 關 係 得 到 目 標 物 的 高 程 資 訊, 此 即 為 立 體 對 拍 攝 對 於 遙 測 衛 星 而 言, 因 為 其 軌 道 穩 定 且 可 預 測, 利 用 衛 星 本 身 機 動 性 可 於 不 同 位 置, 針 對 同 一 地 點 進 行 沿 軌 及 跨 軌 拍 攝 ; 一 般 而 言, 使 用 愈 大 的 視 角 拍 攝 將 會 導 致 愈 大 的 視 差, 由 基 本 的 三 角 測 量 法 得 知, 地 物 高 程 資 訊 (DEM) 的 誤 差 反 比 於 兩 次 拍 攝 感 測 器 間 的 距 離, 而 正 比 於 與 感 測 器 與 目 標 物 間 的 距 離 (K. Jacobsen, 003), 如 圖 1 所 示 圖 1 測 量 高 度 與 視 差 間 的 關 係 利 用 光 學 遙 測 立 體 影 像 取 像 所 得 到 之 地 形 DEM 其 精 度 理 論 值 為 (Mitshuharu, 1996): DEM 精 度 = ( 影 像 地 面 解 析 度 )/ ( 取 像 基 高 比 ) * ( 匹 配 精 度 ) (1) 由 式 (1) 可 知, 取 像 基 高 比 為 衛 照 與 航 照 在 拍 1 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 助 理 研 究 員 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 助 理 技 術 師 * 通 訊 作 者, 電 話 : , [email protected] 收 到 日 期 : 民 國 10 年 08 月 31 日 修 改 日 期 : 民 國 103 年 03 月 15 日 接 受 日 期 : 民 國 103 年 1 月 日

35 98 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 攝 前, 評 估 所 萃 取 DEM 精 度 時 的 重 要 參 數 為 了 精 確 計 算 基 高 比, 我 們 可 參 照 圖 所 示 之 三 維 卡 氏 座 標, 若 將 拍 攝 目 標 物 設 於 原 點 上, 衛 星 方 向 可 以 用 兩 個 參 數 來 表 示, 分 別 為 方 位 角 Az 以 及 入 射 角 β; 方 位 角 為 正 北 方 向 為 起 始 點, 順 時 針 方 向 到 目 標 方 向 的 水 平 夾 角, 仰 角 則 是 視 線 與 水 平 面 的 夾 角, 入 射 角 為 其 補 角 這 些 參 數 可 在 包 含 福 衛 二 號 在 內 的 許 多 衛 星 影 像 標 準 產 品 的 詮 釋 檔 中 找 到 圖 三 維 卡 氏 座 標, 拍 攝 目 標 物 設 於 原 點 上 圖 3 立 體 對 取 像 的 幾 何 關 係 然 而 就 衛 照 而 言, 因 人 造 衛 星 高 度 較 高, 除 了 必 須 考 慮 地 球 曲 率 外 : 兩 次 拍 攝 位 置 對 於 拍 攝 地 物 並 不 一 定 呈 現 對 稱 的 幾 何 形 態 ; 並 且 拍 攝 目 標 物 不 一 定 位 於 軌 道 下 方 ; 因 此 一 般 而 言, 除 了 基 高 比 外, 我 們 亦 需 要 考 慮 下 另 四 個 參 數 :roll angle (RA) asymmetry angle (AA) convergence angle (CA) bisector elevation angle (BIE) ; 其 幾 何 關 係 如 圖 4 所 示 (J Malcolm Cain 1989) 同 時, 衛 星 與 地 面 目 標 物 的 距 離 可 表 示 為 : S = (R + H) sin(η φ) sin η () 其 中 R 為 地 球 半 徑, H 為 衛 星 水 平 高 度,α 為 衛 星 視 角 ; 以 福 衛 二 號 為 例,H=891 km 因 此 衛 星 位 置 向 量 可 以 表 示 為 式 (3) S sin(η) sin (A z )X S = [ S sin(η) cos (A z )A z Y ] (3) S cos(η) Z 以 沿 軌 立 體 像 對 而 言, 假 設 目 標 物 位 於 軌 道 正 下 方, 如 圖 3 所 示 為 衛 星 立 體 對 取 像 幾 何 關 係, 假 設 衛 星 於 時 間 t 1 位 置 S 1 時, 以 視 角 度 φ 1 取 得 第 一 張 影 像 ; 於 時 間 t 位 置 S 時, 以 視 角 度 φ 取 得 第 二 張 影 像 因 此 兩 取 像 點 的 距 離 為 B = S (t 1 ) S (t ) = S 1 S (4) 因 此 基 高 比 可 定 義 為 : B H = S S ( + ) (5) 圖 4 立 體 取 像 的 幾 何 模 型 在 圖 4 中, 取 像 目 標 物 與 其 在 兩 像 平 面 位 置 上 的 投 影 點 所 形 成 的 一 假 想 平 面 稱 為 核 面 (epipolar plan), 核 面 與 衛 星 軌 道 面 所 形 成 的 夾 角 稱 為 Roll angle (RA) Ω;convergence angle (CA) γ 為 目 標 點 與 取 像 點 兩 向 量 所 形 成 的 夾 角, 其 代 表 相 對 於 目 標 物 而 言, 兩 取 像 位 置 的 視 角 差 ; bisector ray 定 義 為 在 核 面 上 convergence angle γ 的 角 平 分 線, normal ray N 定 義 為 在 核 面 上 與 核 面 及 目 標 平 面 交 線 垂 直 的 直 線 ;asymmetry angle α 定 義 為 bisector 與 normal ray N 之 夾 角 ;bisector elevation angle (BIE) β 為 bisector ray 與 拍 攝 目 標 物 所 在 地 平 面 所 形 成 的 夾 角 由 圖 3 所 定 義 的 位 置 向 量, 各 幾

36 周 士 傑 劉 蒨 蒨 : 福 衛 二 號 立 體 取 像 與 影 像 精 度 99 何 參 數 及 其 關 係 可 表 示 為 : β = sin 1 [( S 1 S 1 + S S ) Z ] (6) (S 1 S ) (Z ) N = 0 (7) 執 行 立 體 對 拍 攝 任 務 時,convergence angle γ 建 議 保 持 在 30 到 60 度 間,asymmetry angleα 應 小 於 0 度, BIE β 應 該 介 於 60 到 90 度 間 (GEOIMAGE, 010) Ω = sin 1 [ S 1 S S 1 S Z Z ] (8) α = cos 1 [ S 1+S N ] (9) S 1 +S γ = cos 1 [ S 1 S ] = η 1 + η (10) S 1 S 所 有 這 些 拍 攝 參 數 彼 此 存 在 相 互 的 幾 何 關 係, 由 圖 4 可 知 asymmetry angle α roll angle Ω 與 convergence angle γ 可 決 定 唯 一 的 取 像 幾 何 型 態 如 同 基 高 比 於 傳 統 航 空 攝 影 的 角 色,bisector elevation angle (BIE) β 與 convergence angle γ 代 表 遙 測 衛 星 立 體 影 像 匹 配 與 數 值 高 程 模 型 精 度 指 標 交 會 角 γ 代 表 水 平 方 向 的 視 差, 當 立 體 對 影 像 取 像 時, 若 交 會 角 γ 較 大, 對 於 高 程 定 位 時 效 果 會 較 好 ; 然 而, 若 交 會 角 γ 過 大 時, 兩 張 影 像 的 差 異 性 亦 較 大 則 不 利 於 影 像 匹 配 另 一 方 面 BIE β 值 可 視 為 在 交 會 角 γ 固 定 下, 兩 張 影 像 因 垂 直 方 向 視 角 不 同 所 造 成 視 差 的 指 標, 當 β=0 時 即 表 示 到 拍 攝 目 標 位 於 軌 道 面 上, 同 時 兩 次 取 像 相 對 於 目 標 物 呈 現 對 稱 幾 何 關 係, 另 一 方 面 BIE β 值 可 由 roll angle Ω 以 及 asymmetry angle α 決 定, 其 關 係 如 圖 5 所 示, 圖 5 的 等 值 線 顯 示 不 同 的 roll angle Ω 以 及 asymmetry angle α 組 合 亦 可 得 到 相 同 的 BIE 值, 其 變 化 曲 線 以 水 平 對 角 線 對 稱 我 們 可 藉 由 β-γ 值 作 為 量 度 立 體 對 取 像 的 指 標, 其 值 通 常 藉 於 最 大 值 90 度 到 一 最 小 值 X 之 間,β-γ 值 越 小, 兩 張 影 像 視 差 越 大,X 值 可 視 為 一 指 標, 代 表 可 完 成 影 像 匹 配 之 兩 影 像 最 大 視 差 (J Malcolm Cain,1989) 90 β γ X (11) 同 時 為 了 成 功 取 得 數 值 高 程 模 型, 當 遙 測 衛 星 圖 5 bisector elevation angle (BIE). 福 衛 二 號 立 體 對 取 像 實 例 福 衛 二 號 從 004 年 開 始 執 行 拍 攝 任 務 以 來, 可 利 用 衛 星 姿 態 控 制 能 力, 執 行 多 次 沿 軌 或 跨 軌 的 立 體 影 像 拍 攝 本 研 究 共 蒐 集 八 組 福 衛 二 號 立 體 對 影 像 之 相 關 文 獻 回 顧, 如 表 1 所 示 其 中 五 組 為 台 灣 地 區 的 立 體 對 影 像, 另 外 三 組 則 為 位 於 北 極 圈 內, 格 陵 蘭 島 的 Kangerdlugssuaq 冰 川 表 1 所 列 之 文 獻, 皆 為 利 用 福 衛 二 號 立 體 對 影 像, 經 由 幾 何 糾 正 影 像 匹 配 後 所 產 生 的 數 值 地 表 模 型 (DSM), 台 灣 地 區 可 利 用 航 測 所 得 的 DSM 資 料, 進 行 數 值 地 表 模 型 (DSM) 精 度 評 估 與 檢 核 ; 透 過 精 度 評 估 可 了 解 福 衛 二 號 於 不 同 地 形 環 境 的 高 程 誤 差, 評 估 福 衛 二 號 於 各 地 形 環 境 中 所 萃 取 的 高 程 資 料 適 用 性 與 影 像 品 質 地 面 控 制 點 是 衛 星 立 體 對 影 像 產 製 數 值 地 表 模 型 (DSM) 的 重 要 根 據, 而 表 所 列 的 資 料 內 容, 可 看 出 參 考 台 灣 的 研 究 區 域 影 像 是 參 考 已 知 的 地 面 控 制 點 資 料 產 製, 因 此 各 研 究 中 所 求 得 的 數 值 地 表 模 型 (DSM) 之 均 方 根 誤 差 (RMSE) 的 差 異 不 大, 不 過 福 衛 二 號 立 體 對 影 像 所 產 製 的 數 值 地 表 模 型 (DSM) 仍 受 到 地 形 坡 度 影 響 其 精 度 而 研 究 區 域 影 像 位 於 北 極 圈 格 陵 蘭 島 的 Kangerdlugssuaq 冰 川 由 於 地 面 控 制 點 取 得 不 易, 該 研 究 利 用 第 一 天 的 影 像

37 300 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 作 為 基 礎, 與 第 二 天 與 第 三 天 之 影 像 進 行 比 較, 僅 能 看 出 極 區 冰 川 快 速 變 化 之 情 況 ( 鄭 鈺 雯,008), 無 法 確 切 得 知 福 衛 二 號 立 體 對 影 像 所 產 製 的 數 值 地 表 模 型 (DSM) 與 實 際 地 表 高 程 之 差 異 數 值 地 表 模 型 (DSM) 主 要 萃 取 拍 攝 影 像 當 日 的 地 表 高 程, 根 據 研 究 顯 示 造 成 福 衛 二 號 衛 星 立 體 對 之 高 程 誤 差 較 大 的 原 因 包 含 下 列 : (1) 取 像 當 日 之 雲 覆 率 及 陰 影 () 土 地 利 用 開 發 影 響 與 環 境 變 化 (3) 人 為 建 物 較 多 的 區 域 (4) 山 脊 山 谷 與 坡 度 較 大 之 地 形 區 域 由 於 研 究 區 域 的 不 同, 因 此 各 研 究 中 所 使 用 的 地 面 控 制 點 資 料 的 精 度 與 標 準 不 同, 造 成 福 衛 二 號 立 體 對 影 像 於 不 同 研 究 區 域 內 的 高 程 精 度 亦 不 盡 相 同 ( 表 ) 然 而, 研 究 發 現 福 衛 二 號 之 立 體 對 影 像 對 於 丘 陵 區 與 山 區 邊 坡 的 大 規 模 崩 塌 量 檢 測 上 是 有 所 幫 助 的 ; 即 便 使 用 不 同 日 的 影 像 所 組 成 之 立 體 像 對, 其 所 產 製 的 數 值 地 表 模 型 (DSM) 仍 可 將 道 路 橋 樑 河 道 特 徵 等 萃 取 出 來, 顯 見 福 衛 二 號 於 不 同 日 期 取 像 之 立 體 像 對 亦 具 有 相 當 應 用 價 值 在 實 作 上, 精 度 大 小 同 時 受 到 不 同 因 數 的 影 響, 除 了 取 像 參 數 的 限 制 外, 包 含 地 貌 使 用 GCP 的 數 量 與 品 質 影 像 輻 射 條 件 等 都 與 產 製 數 值 地 表 模 型 (DSM) 的 精 確 度 息 息 相 關 表 列 出 表 1 立 體 對 影 像 的 各 項 拍 攝 參 數, 及 其 實 作 誤 差 範 例 1 範 例 4 範 例 5 是 屬 於 同 一 研 究, 其 研 究 之 RMSE 誤 差 總 值 為 5.6~19.9, 因 為 研 究 地 區 之 地 形 包 含 平 原 與 山 區, 所 以 RMSE 誤 差 範 圍 較 大 而 範 例 與 範 例 3 由 於 研 究 地 區 地 形 起 伏 相 較 之 下 沒 這 麼 大, 因 此 RMSE 誤 差 範 圍 較 小 ; 由 各 研 究 中 顯 示, 地 形 亦 是 RMSE 的 重 要 影 響 因 素 之 一 一 般 而 言, B/H BIE CA 均 為 拍 攝 幾 何 關 係 的 參 考 指 標 ; B/H 值 越 大,GCP 使 用 數 量 越 多, 可 以 有 較 小 的 誤 差 ; 但 另 一 方 面, 由 範 例 4 中 可 以 看 出, 雖 然 其 B/H 不 佳, 但 其 BIE 值 較 低, 可 以 提 供 兩 張 影 像 好 的 視 差 條 件, 加 上 適 當 的 控 制 點 使 用, 仍 然 可 以 有 好 的 精 度 表 現 另 外, 範 例 中 可 知, 其 β-γ 數 值 可 以 到 達 37.01, 其 值 亦 可 以 做 為 往 後 福 衛 二 號 立 體 取 像 的 參 考 指 標 表 1 福 衛 二 號 立 體 對 影 像 資 訊 範 例 日 期 文 獻 來 源 拍 攝 地 點 經 緯 度 高 度 拍 攝 時 間 1 005/1/6 陳 柏 澧,009 高 屏 溪 007//6 莊 宗 達,008 通 霄 鎮, 苗 栗 3 004/11/5 陳 世 師,006 台 灣 北 部 , , , m 0m 193m 衛 星 滾 轉 角 衛 星 俯 仰 角 01:45: :47: :03: :05: :4: :44: /1/ , 0:03: 陳 柏 澧,009 曾 文 水 庫 10m 007/1/ :0: /1/ , 0:03: 陳 柏 澧,009 濁 水 溪 30m 007/1/ :04: /8/17 鄭 鈺 雯,008 Kangerdlugssuaq, Greenland 7 007/8/18 鄭 鈺 雯,008 Kangerdlugssuaq, Greenland 8 007/8/19 鄭 鈺 雯,008 Kangerdlugssuaq, Greenland , , , m 676m 676m 13:54: :56: :54: :56: :55: :56:

38 周 士 傑 劉 蒨 蒨 : 福 衛 二 號 立 體 取 像 與 影 像 精 度 301 表 拍 攝 參 數 與 誤 差 範 例 CAγ AA α BIE β RA Ω B/H RMSE_X(m) RMSE_Y(m) RMSE_Z(m) 使 用 GCP 數 量 β-γ 範 圍 :4.19~ 範 圍 :PAN : 6.~9.4 範 圍 :MS : 7.7~ 基 準 基 準 基 準 結 論 將 遙 測 衛 星 於 不 同 時 間 拍 攝 的 影 像, 利 用 其 拍 攝 角 度 不 同 而 產 生 視 差 的 關 係, 萃 取 出 數 值 高 程 模 型, 而 數 值 高 程 模 型 的 精 度 除 了 與 影 像 後 處 理 方 法 及 控 制 點 使 用 數 量 有 關, 亦 與 取 像 的 幾 何 模 型 息 息 相 關 ; 取 像 的 幾 何 參 數 往 往 決 定 後 續 高 程 資 料 的 精 度 及 適 用 性 ; 因 此 在 排 程 可 行 性 評 估 作 業 中, 分 析 其 拍 攝 的 幾 何 關 係, 實 為 一 重 要 工 作 ; 太 空 中 心 目 前 正 極 力 發 展 福 衛 五 號 衛 星 系 統, 預 定 016 年 發 射 執 行 拍 攝 任 務, 屆 時 將 與 福 衛 二 號 形 成 星 系, 可 利 用 兩 顆 衛 星 的 軌 道 特 性, 對 同 一 地 點 進 行 拍 攝, 形 成 立 體 影 像 ; 福 衛 二 號 從 004 年 開 始 執 行 拍 攝 任 務 以 來, 憑 藉 其 靈 活 的 姿 態 變 化 能 力, 累 積 許 多 以 不 同 視 角 對 不 同 地 形 地 貌 拍 攝 的 影 像 資 料, 經 由 對 排 程 取 像 的 分 析 結 果 以 及 歷 年 利 用 福 二 影 像 產 製 高 程 模 型 的 經 驗, 將 對 未 來 結 合 不 同 衛 星 資 料 的 相 關 應 用 發 展 有 所 助 益 參 考 文 獻 學 地 理 學 系 陳 世 師,006, 碩 士 論 文, 福 爾 摩 沙 衛 星 二 號 立 體 像 對 產 生 數 值 地 形 模 型 之 精 度 研 究, 國 立 台 灣 大 學 地 理 環 境 資 源 學 研 究 所 陳 柏 澧,009, 碩 士 論 文, 福 爾 摩 沙 二 號 衛 星 數 值 地 表 模 型 與 正 射 影 像 產 品 之 產 製 與 精 度 評 估, 國 立 成 功 大 學 衛 星 資 訊 暨 地 球 環 境 研 究 所 鄭 鈺 雯,008, 碩 士 論 文, 福 衛 二 號 影 像 求 定 極 地 地 區 物 點 點 位 之 品 質 評 估, 國 立 成 功 大 學 測 量 及 空 間 資 訊 學 系 GEOIMAGE, 010, Digital Elevation Models from satellite Imagery. dfs/geoimage_dem_brochure_oct10_lr.pdf Joel Malcolm Cain, 1989, Stereomodel Acquisition Geometry, Ph.D. thesis, U.C. Berkeley. K Jacobsen, 003, DEM Generation from Satellite Data, EARSeL Ghent 003, Remote Sensing in Transition, Millpress ISBN , T Mitshuharu, and H Seiich, 1996, DEM accuracy derived from ASTER data, ACRS, Geoscience/DTM 莊 宗 達,008, 碩 士 論 文, 福 衛 二 號 立 體 像 對 產 製 數 值 地 表 模 型 之 適 用 性 分 析, 國 立 台 灣 師 範 大

39 30 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume 19, No.4, February 015 FORMOSAT- Stereo Acquisition Geometry and Image Geometric Accuracy Shih-Chieh Chou 1* Chian-Chian Liou ABSTRACT For the remote sensing satellite, it is a practical scheme where two images acquired at different time from either same orbit or different orbit. Due to the stable and predicted satellite orbit, the same location area usually detected with different perspective by different predefined attitude. It induced the displacement in the image plane of optical system. The higher the elevation, the large the parallax induced. In aerial photography, elevation accuracy is greatly influenced by the base-height ratio. However, considering the acquisition geometry of satellite stereo pair, it is obvious that not only base-height ratio but also other parameters have great impacts on performance of geometric accuracy. In this article, the analysis of acquisition geometry of stereo model was given. Furthermore, we also present various case studies regarding FORMOSAT- stereo images in pass few years and analyze the acquisition geometry parameters. Keywords: FORMOSAT- satellite, stereo images, digital elevation model 1 Assistant Researcher, National Applied Research Laboratories, National Space Organization Received Date: Aug. 31, 013 Assistant Technologist, National Applied Research Laboratories, National Space Organization Revised Date: Mar. 15, Research fellow, National Space Organi Accepted Date: Dec., 014 *. Corresponding Author, Phone: , [email protected]

40 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 4 期 第 頁 民 國 104 年 0 月 303 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume19, No4, February 014, pp DOI: /JPRS (4).5 衛 星 影 像 巨 量 資 料 儲 存 與 應 用 平 台 建 置 顏 伸 運 1* 陳 靜 盈 摘 要 福 爾 摩 沙 衛 星 二 號, 簡 稱 福 衛 二 號, 004 年 5 月 1 日 衛 星 於 美 國 加 州 范 登 堡 發 射 場 成 功 發 射 (Launch), 004 年 6 月 日 完 成 衛 星 早 期 軌 道 操 作 進 入 任 務 軌 道 (Mission Orbit) 004 年 6 月 4 日 遙 測 照 相 儀 拍 攝 到 第 一 張 遙 測 影 像 福 衛 二 號 選 取 高 度 為 891 公 里 之 太 陽 同 步 軌 道, 為 當 今 唯 一 對 同 一 地 區 能 夠 每 日 拍 攝 之 遙 測 衛 星, 且 軌 道 夠 高, 亦 可 拍 到 南 緯 90 度 地 區 影 像 處 理 系 統 (Image Processing System, IPS) 自 主 發 展 是 基 於 認 知 此 為 連 接 衛 星 至 使 用 者 之 關 鍵 技 術 IPS 是 團 隊 自 己 設 計 的, 隨 時 可 針 對 特 別 情 況 修 改, 加 上 對 衛 星 能 力 及 使 用 者 需 求 都 非 常 清 楚, 以 致 衛 星 操 作 團 隊 可 以 精 確 無 誤 快 速 反 應 營 運 目 標 原 訂 以 國 內 應 用 為 主 要 導 向, 後 來 也 有 國 外 案 例 的 應 用 反 而 大 放 異 彩 另 外, 太 空 中 心 與 International Charter UNOSAT SPOT Image 合 作, 提 供 緊 急 與 災 區 影 像, 協 助 國 際 人 道 救 援 福 衛 二 號 自 發 設 以 來 至 今 所 累 積 的 影 像 資 料 龐 大, 這 些 寶 貴 的 歷 史 影 像 資 料 對 於 災 害 研 究 及 後 續 營 運 皆 有 其 重 要 性 因 此, 適 切 的 規 劃 進 行 資 料 儲 存 的 媒 體 轉 換, 以 持 續 不 斷 提 供 資 料 給 使 用 者 為 當 前 重 要 課 題, 未 來 將 研 究 以 雲 端 技 術 取 代 傳 統 儲 存 管 理 系 統 之 可 能 性 關 鍵 詞 : 福 衛 二 號 巨 量 資 料 異 地 備 援 媒 體 轉 換 1.1 緣 起 1. 緒 論 颱 風 地 震 豪 雨 山 崩 土 石 流 等 為 台 灣 常 見 的 災 害 類 型 對 於 人 類 居 住 環 境 帶 來 巨 大 的 破 壞 與 災 害, 這 些 破 壞 包 含 了 生 命 損 失 房 屋 毀 壞 農 作 物 受 災 等 等 由 於 有 些 災 害 受 限 於 通 訊 中 斷 及 地 形 因 素, 對 於 災 後 第 一 時 間 的 救 助, 還 有 後 續 的 重 建 及 復 原 的 行 動 中, 常 常 因 為 無 法 掌 握 災 害 的 發 源 地 範 圍 以 及 受 災 程 度 而 造 成 前 述 各 項 行 動 的 成 效 大 打 折 扣 使 用 各 種 遙 測 技 術 勘 災, 相 對 於 使 用 傳 統 的 人 力 勘 災, 具 備 了 範 圍 廣 泛 空 間 解 析 度 高 反 應 時 間 快 不 受 地 形 限 制 沒 有 生 命 安 全 的 威 脅 以 現 今 遙 測 技 術 而 論, 這 些 系 統 對 地 面 施 行 拍 攝 後 儲 存 成 影 像 相 關 的 格 式, 之 後 再 進 一 步 使 用 和 分 析 福 衛 二 號 自 004 年 升 空 以 來, 以 累 積 了 無 數 的 巨 量 衛 星 影 像 資 料, 所 累 積 的 影 像 磁 帶 資 料 數 量 與 像 及 營 運 系 統 平 台 上, 提 供 給 研 究 單 位 及 使 用 者 進 行 資 料 申 請 及 購 買 1. 福 衛 二 號 影 像 介 紹 由 國 家 太 空 中 心 規 劃 之 我 國 自 主 擁 有 的 第 一 枚 遙 測 衛 星 福 爾 摩 沙 衛 星 二 號 於 004 年 5 月 1 日 成 功 發 射, 進 入 距 地 球 表 面 891 公 里 的 太 陽 同 步 軌 道 飛 行, 福 衛 二 號 之 任 務 係 對 台 灣 及 全 球 陸 地 及 海 域 進 行 近 實 時 之 遙 測 作 業, 它 在 白 晝 地 區 拍 攝 的 影 像 資 料 可 應 用 於 國 土 規 劃 資 源 探 勘 環 境 保 護 防 災 救 災 等 福 衛 二 號 影 像 處 理 系 統 (Image Processing System, IPS) 是 由 國 家 太 空 中 心 自 行 發 展 成 功, 計 1 3 * 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 副 研 究 員 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 助 理 研 究 員 國 立 成 功 大 學 地 球 科 學 系 通 訊 作 者, 電 話 : ext.1581, [email protected] 收 到 日 期 : 民 國 10 年 08 月 19 日 修 改 日 期 : 民 國 10 年 1 月 31 日 接 受 日 期 : 民 國 103 年 1 月 4 日

41 304 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 畫 性 之 拍 照 需 求 排 定 衛 星 取 像 時 程, 取 像 後 之 影 像 資 料 經 X 頻 天 線 下 傳, 接 著 進 行 前 處 理, 包 括 輻 射 及 幾 何 系 統 處 理 後 歸 檔, 並 依 客 戶 之 訂 單 製 作 產 品 遞 交, 此 處 理 架 構 如 圖 1 所 示 影 像 處 理 系 統 為 國 家 太 空 中 心 所 主 導 的 重 要 研 發 計 畫 之 一, 自 000 年 起 在 本 中 心 同 仁 及 合 作 廠 商 的 共 同 努 力 下, 於 003 年 11 月 順 利 完 成 福 衛 二 號 影 像 處 理 系 統 發 展 作 業, 並 於 004 年 06 月 04 日 由 福 衛 二 號 傳 回 第 一 張 影 像 資 料 處, 影 像 處 理 系 統 即 於 當 晚 處 理 成 清 晰 高 解 析 影 像, 證 明 研 發 過 程 嚴 謹 完 善 福 爾 摩 沙 衛 星 二 號 之 地 表 遙 測 任 務 是 拍 攝 衛 星 影 像 資 料, 以 滿 足 台 灣 民 生 之 需 求, 其 影 像 資 料 可 用 來 監 控 台 灣 本 島 離 島 台 灣 海 峽 及 附 近 海 域 之 環 境 及 資 源 此 外, 在 國 際 合 作 的 協 議 下, 福 爾 摩 沙 衛 星 二 號 也 在 其 它 區 域 拍 攝 地 表 影 像 福 爾 摩 沙 衛 星 二 號 的 遙 測 任 務 以 滿 足 臺 灣 地 區 之 需 求 為 主, 衛 星 再 訪 頻 率 與 適 時 性 的 獨 特 設 計 全 島 大 面 積 拍 攝 以 及 低 價 位 影 像 的 提 供, 是 福 爾 摩 沙 衛 星 二 號 優 於 其 他 國 際 商 業 遙 測 衛 星 的 地 方, 其 遙 測 應 用 實 例 包 括 : 土 地 利 用 農 林 規 劃 環 境 監 控 災 害 評 估 及 科 學 研 究 與 教 育 1.3 巨 量 資 料 介 紹 巨 量 資 料 (Big Data) 顧 明 思 義 即 是 有 很 多 大 量 的 資 料, 其 規 模 已 達 到 無 法 用 傳 統 一 般 資 料 庫 管 理 工 具 所 能 分 析 使 用, 亦 即 無 法 在 合 理 的 時 間 內 完 成 資 料 存 取 應 用 等 隨 著 網 路 技 術 的 成 熟, 如 何 把 雜 散 的 資 料 透 過 系 統 性 分 析, 整 理 成 有 用 的 資 訊, 運 用 在 行 銷 分 析 保 全 等 各 方 面, 成 為 熱 門 顯 學 在 這 個 從 分 散 式 管 理 重 新 回 到 集 中 式 管 理 的 運 算 革 命 過 程 中, 許 多 資 料 運 算 儲 存 等 工 作 都 從 個 人 電 腦 搬 回 雲 端, 也 使 伺 服 器 (Server) 儲 存 設 備 (Storage) 交 換 器 (Switch ) 等 3S 設 備 的 需 求 大 增 福 衛 二 號 自 004 年 發 射 至 今 已 累 積 635TB 巨 量 影 像 資 料, 隨 著 未 來 福 衛 五 號 的 發 射, 影 像 資 料 只 會 越 來 越 多, 如 何 將 這 些 巨 量 影 像 資 料 做 有 效 儲 存 管 理 運 用 與 分 析 將 會 是 重 要 課 題 圖 為 福 衛 二 號 所 拍 得 得 的 台 灣 地 區 地 面 影 像 圖 1 福 衛 二 號 資 料 通 訊 處 理 架 構 ( 圖 1 英 文 縮 寫 註 記 : XAS(X-Band Antenna System) RTS(Receiving & Transmission Station) TT&C Stations(Telemetry,Tracking and Command Stations) MMC(Mission Control Center))

42 顏 伸 運 陳 靜 盈 : 衛 星 影 像 巨 量 資 料 儲 存 與 應 用 平 台 建 置 305 圖 福 衛 二 號 台 灣 地 區 衛 星 影 像. 福 衛 二 號 影 像 巨 量 資 料 儲 存 架 構 圖.1 系 統 簡 介 福 衛 二 號 依 其 涵 蓋 範 圍 將 全 球 分 為 14 軌, 自 台 灣 起 始 為 第 1 軌 向 左 依 序 遞 增 軌 道 數, 可 大 致 分 為 第 3 4 軌 涵 蓋 亞 洲 區 域 ; 第 5 6 軌 涵 蓋 歐 洲 區 域 ; 第 軌 涵 蓋 美 洲 區 域 ; 第 軌 涵 蓋 太 平 洋 區 域 等 ( 如 圖 3 所 示,Latitude 為 緯 度,Longitude 為 經 度 ) 由 於 福 衛 二 號 衛 星 範 圍 可 涵 蓋 全 球, 礙 於 衛 星 上 內 存 記 憶 體 有 限, 無 法 於 繞 行 全 球 一 週 後 才 將 拍 照 資 料 下 載 並 回 傳 於 台 灣, 為 提 高 衛 星 拍 攝 之 利 用 度, 故 將 衛 星 接 收 站 除 了 台 灣 外, 另 外 亦 設 置 了 挪 威 與 瑞 典 兩 個 海 外 接 收 站, 如 此 一 來, 衛 星 即 可 達 到 隨 拍 隨 下 載 或 於 當 軌 拍 攝 次 軌 下 載 的 高 效 率 一 旦 發 生 緊 急 災 難 需 求, 即 可 馬 上 拍 攝 並 安 排 接 收, 透 過 系 統 快 速 影 像 處 理, 緊 急 提 供 給 相 關 災 防 單 位 做 為 救 災 及 災 後 重 建 輔 助 資 料 使 用 為 了 達 到 衛 星 資 料 的 完 整 與 可 靠 性, 台 灣 除 了 新 竹 太 空 中 心 設 置 X 頻 段 天 線 接 收 站 外, 同 時 於 中 壢 中 央 大 學 太 遙 中 心 亦 有 接 收 站 設 備, 做 為 太 空 中 心 之 接 收 備 援 使 用. 處 理 流 程 當 每 日 衛 星 資 料 自 兩 個 海 外 站 ( 瑞 典 Kiruna 及 挪 威 Svalbard) 接 收 後, 海 外 影 像 處 理 系 統 會 先 產 生 影 像 快 覽 圖 資 料 (Catalog Update Files,CUF), 這 些 檔 案 因 為 已 經 過 壓 縮 處 理, 資 料 量 極 小, 藉 由 FTP 方 式 可 快 速 回 傳 至 太 空 中 心 CUF 檔 案 可 於 第 一 時 間 提 供 線 上 人 員 進 行 影 像 接 收 品 質 研 判 雲 覆 率 狀 況 瞭 解 及 後 續 拍 攝 的 參 考 依 據 接 著, 海 外 站 影 像 處 理 系 統 將 接 收 後 的 原 始 影 像 資 料 儲 存 於 磁 帶 中, 累 積 到 依 約 定 的 數 量 後 再 寄 送 回 台 灣, 由 太 空 中 心 進 行 集 中 式 資 料 管 理 和 保 存, 以 利 資 料 可 集 中 調 度 和 重 複 性 使 用 圖 4 為 福 衛 二 號 海 內 外 接 收 站 及 備 援 站 示 意 圖 太 空 中 心 針 對 台 灣 下 載 的 福 衛 二 號 影 像 資 料 有 完 善 的 儲 存 機 制, 將 儲 存 架 構 分 為 on-line 端 near-line 端 與 off-line 端 等 三 層 式 架 構 ; 影 像 資 料 最 終 存 於 AIT-3 磁 帶 中 保 存 ; 當 影 像 資 料 儲 存 時 首 先 會 存 放 於 on-line 端 的 磁 碟 陣 列 機 (diskarray) 中, 待 到 達 一 定 數 量 與 大 小 後, 會 將 磁 碟 陣 列 機 中 的 資 料 搬 移 至 near-line 端 的 磁 帶 櫃 (tape library) 中 儲 存, 每 一 磁 帶 可 儲 存 100GB 容 量 的 未 壓 縮 影 像, 太 空 中 心 之 磁 帶 櫃 最 多 可 儲 存 50 卷 線 上 磁 帶 可 供 使 用 者 存 取 使 用 ; 待 當 影 像 資 料 儲 存 超 過 50 卷 磁 帶

43 306 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 容 量 後, 才 會 手 動 將 較 舊 日 期 且 已 裝 滿 的 磁 帶 off-line 卸 載 存 放, 以 備 當 有 archive 產 品 訂 單 需 求 時 可 再 次 掛 載 於 磁 帶 櫃 中 使 用 ; 太 空 中 心 自 005 年 發 射 至 今 已 儲 存 上 千 捲 磁 帶 等 巨 量 資 料, 幸 虧 有 完 善 的 儲 存 架 購 才 能 於 緊 急 救 災 時 可 快 速 製 作 並 遞 交 影 像 產 品 福 衛 二 號 衛 星 影 像 資 料 於 台 灣 接 收 後, 除 了 於 太 空 中 心 內 存 放 外, 中 心 為 免 重 要 影 像 資 料 發 生 不 可 抗 拒 之 因 素 或 人 為 疏 失 造 成 資 料 遺 失, 同 時 建 置 了 異 地 備 援 機 制, 每 日 將 接 收 後 的 影 像 資 料 自 動 儲 存 於 新 竹 國 網 中 心, 待 儲 存 一 定 數 量 後, 新 竹 國 網 中 心 亦 會 自 動 將 資 料 備 份 至 台 南 國 網 中 心 存 放 圖 3 福 衛 二 號 全 球 取 像 範 圍 圖 4 福 衛 二 號 海 內 外 接 收 站 及 備 援 站 示 意 圖

44 顏 伸 運 陳 靜 盈 : 衛 星 影 像 巨 量 資 料 儲 存 與 應 用 平 台 建 置 儲 存 媒 體 轉 換 3.1 磁 帶 資 料 轉 換 需 求 與 潛 在 問 題 福 衛 二 號 每 日 運 行 地 球 14 個 整 數 圈, 通 過 三 個 地 面 站 ( 挪 威 接 收 站 瑞 典 接 收 站 及 國 內 接 收 站 ) 將 資 料 進 行 下 載 國 內 地 面 站 於 國 家 太 空 中 心 接 收 站 (NSPO) 中 央 大 學 太 空 及 遙 測 中 心 備 援 接 收 站 (NCU) 皆 設 有 X 頻 段 天 線 站 可 用 來 接 收 福 衛 二 號 影 像 資 料 福 衛 二 號 選 取 高 度 為 891 公 里 之 太 陽 同 步 軌 道, 為 當 今 唯 一 對 同 一 地 區 能 夠 每 日 拍 攝 之 遙 測 衛 星, 且 軌 道 夠 高, 亦 可 拍 到 南 緯 90 度 地 區 因 此, 海 外 站 則 於 瑞 典 基 努 那 (Kiruna) 接 收 站 與 挪 威 思 瓦 爾 巴 (Svalbard) 接 收 站 兩 地 面 站 進 行 資 料 下 載 圖 5 為 挪 威 及 瑞 典 接 收 站 的 地 理 位 置 示 意 圖 首 先 國 內 地 面 站 影 像 資 料 下 載 後, 經 由 地 面 站 影 像 處 理 系 統 進 行 資 料 擷 取 影 像 處 理 及 影 像 儲 存 後, 使 用 AIT-3 (Advanced Intelligent Tape) 磁 帶 將 資 料 進 行 永 久 性 保 存 影 像 處 理 系 統 在 001 開 始 建 置 時, 即 規 劃 採 用 AIT-3 磁 帶, 該 磁 帶 在 當 時 為 日 本 索 尼 (Sony) 所 研 發 與 製 造 生 產, 儲 存 容 量 為 100GB, 相 較 於 同 期 磁 帶 DDS 及 DAT 等, 容 量 實 為 大 的 許 多, 因 此 當 時 選 擇 採 用 大 廠 牌 及 高 容 量 等 需 求 的 磁 帶 進 行 資 料 儲 存 圖 6 為 AIT-3 磁 帶 及 外 接 式 磁 帶 機 外 觀 圖 5 挪 威 及 瑞 典 接 收 站 的 地 理 位 置 示 意 圖 圖 6 AIT-3 外 接 式 磁 帶 機 及 儲 存 磁 帶

45 308 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 福 衛 二 號 於 海 外 站 接 收 下 載 後, 經 兩 站 地 面 站 影 像 處 理 系 統 處 理 後, 採 用 AIT-3 磁 帶 機 將 資 料 進 行 儲 存, 並 定 期 將 磁 帶 經 國 際 快 遞 運 送 回 太 空 中 心 進 行 統 一 保 存 及 管 理, 以 達 到 資 料 集 中 化 管 理 的 目 的 兩 個 海 外 站 所 回 傳 的 磁 帶 初 步 皆 會 進 行 數 量 點 收 收 納 管 理 及 門 禁 限 制, 以 確 保 磁 帶 完 整, 可 用 及 安 全 性 福 衛 二 號 衛 星 影 像 AIT-3 磁 帶 資 料 數 量 與 資 料 量 目 前 具 一 定 的 規 模, 統 計 至 013 年 5 月 31 日 為 止, 國 內 站 AIT-3 磁 帶 有 958 捲, 資 料 量 約 4.9TB 國 外 站 AIT-3 磁 帶 有 8604 捲, 資 料 量 約 593TB 如 此 龐 大 的 資 料 量 因 面 臨 了 一 些 潛 在 問 題, 因 此 需 要 進 行 媒 體 轉 換, 使 得 資 料 得 以 符 合 潮 流 媒 體 繼 續 保 存 及 被 使 用 潛 在 的 問 題 包 含 了 有 : (1)AIT-3 磁 帶 機 已 停 產, 需 於 有 限 的 時 間 及 設 備 下, 儘 速 完 成 媒 體 轉 換 處 理 ;() 磁 帶 數 量 日 益 增 加, 保 存 空 間 的 需 求 將 持 續 增 加 ; (3)AIT-3 磁 帶 機 讀 寫 速 率 每 秒 最 大 1MB, 將 磁 帶 讀 入 所 需 耗 費 的 時 間 可 想 而 知, 僅 能 依 賴 用 較 多 的 磁 帶 機 能 提 昇 轉 換 效 率, 但 同 時 仍 面 臨 磁 帶 機 現 貨 日 益 減 少 的 問 題 (4) 國 內 站 磁 帶 由 封 閉 式 Amass 系 統 備 份 程 式 搭 配 ADIC Scalar 1000 大 型 磁 帶 櫃 機 制 進 行 儲 存, 影 像 資 料 難 以 使 用 現 存 市 面 任 一 轉 檔 機 制 將 資 料 讀 出, 仍 需 仰 賴 透 過 Amass 軟 體 將 磁 帶 資 料 讀 出 3. 磁 帶 資 料 轉 換 系 統 架 構 與 工 作 流 程 為 了 讓 磁 帶 資 料 轉 換 工 作 能 順 利 進 行, 因 此 規 劃 與 建 置 磁 帶 資 料 轉 換 系 統, 以 利 完 成 磁 帶 資 料 轉 換, 其 系 統 架 構 如 圖 7 所 示 此 系 統 主 要 功 能 包 含 有 : 將 現 有 AIT-3 磁 帶 轉 為 標 準 LTO-4 磁 帶 或 存 入 到 磁 碟 陣 列 機 可 與 未 來 福 衛 五 號 系 統 整 合 界 接 具 有 資 料 管 理 查 詢 系 統 及 具 有 集 中 管 理 IT 架 構 國 內 站 系 統 因 使 用 ADIC Scalar 1000 磁 帶 櫃 及 Amass 備 份 軟 體, 因 此 設 計 了 資 料 儲 存 轉 換 程 式, 提 供 人 機 介 面, 安 裝 於 UNIX 主 機 上, 使 主 機 能 夠 自 動 讀 取 磁 帶 櫃 內 的 磁 帶 轉 入 到 LTO-4 磁 帶 或 指 定 的 儲 存 設 施 海 外 站 的 系 統 則 因 使 用 AIT-3 獨 立 式 外 接 磁 帶 機, 進 行 明 碼 儲 存, 不 受 限 於 備 份 軟 體 的 加 密 因 素 因 此 另 外 設 計 了 有 別 於 國 內 站 的 資 料 儲 存 轉 換 程 式, 亦 提 供 人 機 介 面, 安 裝 於 一 般 電 腦 上, 搭 配 上 外 接 式 磁 帶 機 即 可 將 磁 帶 上 資 料 讀 入 資 料 轉 入 到 LTO-4 磁 帶 後, 系 統 將 提 供 AIT-3 及 LTO-4 磁 帶 轉 換 對 應 資 訊 查 詢, 利 用 人 機 介 面, 可 用 影 像 資 料 檔 名 關 鍵 字 進 行 查 詢 圖 7 磁 帶 資 料 轉 換 系 統 3.3 磁 帶 讀 取 與 轉 換 成 果 目 前 福 衛 二 號 已 轉 換 的 AIT-3 磁 帶 數 量 約 計 已 超 950 捲, 資 料 量 約 為 57TB 而 這 些 已 轉 出 資 料 同 時 匯 入 及 整 合 至 福 衛 五 號 系 統 內, 可 供 未 來 使 用 者 可 同 時 查 詢 及 訂 購 兩 種 衛 星 影 像 資 料 這 些 轉 出 的 資 料 也 已 分 別 匯 進 到 新 系 統 的 磁 碟 陣 列 機 及 新 的 儲 存 磁 帶 媒 體 內, 達 到 資 料 延 續 及 可 用 性 的 處 理 完 成 的 AIT-3 磁 帶 轉 換 數 量 雖 然 僅 約 總 數 的 九 分 之 一, 由 於 龐 大 的 影 像 資 料 是 寶 貴 資 產, 因 此 仍 持 續 進 行 磁 帶 轉 換, 讓 歷 史 寶 貴 資 料 得 以 持 續 保 存 4. 海 外 站 資 料 回 傳 4.1 海 外 站 建 置 瑞 典 航 太 公 司 (Swedish Space Corporation,SSC) 與 國 家 太 空 中 心 的 合 作 關 係, 開 始 於 00 年 經 公 開 徵 選 後, 瑞 典 航 太 公 司 做 為

46 顏 伸 運 陳 靜 盈 : 衛 星 影 像 巨 量 資 料 儲 存 與 應 用 平 台 建 置 309 福 衛 二 號 海 外 緊 急 追 蹤 服 務 的 提 供 者, 每 年 提 供 太 空 中 心 超 過 500 軌 的 影 像 資 料 下 載 服 務 瑞 典 航 太 公 司 為 衛 星 操 控 服 務 市 場 的 主 要 領 導 廠 商 之 ㄧ, 其 已 具 有 的 全 球 衛 星 地 面 站 網 絡 的 優 越 地 理 位 置 與 分 佈, 對 於 尋 求 合 作 夥 伴 及 進 行 國 際 衛 星 操 控 服 務 市 場, 均 是 一 個 具 關 鍵 角 色 的 廠 商 挪 威 Kongsberg Satellite Services(KSAT) 由 挪 威 最 大 商 業 集 團 Kongbergs Group 與 挪 威 政 府 共 同 合 資 成 立 其 最 大 的 特 色 為 擁 有 位 於 北 緯 78 度 Svalbard 島 上 的 衛 星 地 面 站, 此 地 面 站 為 全 球 最 高 緯 度 的 衛 星 地 面 站 設 施, 對 於 極 軌 道 衛 星 可 以 有 完 全 的 涵 蓋 在 挪 威 本 土 北 緯 69 度 的 特 羅 姆 瑟 (Tromso) 地 區, 可 進 行 影 像 資 料 分 類 查 詢 管 理 與 影 像 產 品 製 作 Kongsberg Satellite Services (KSAT) 是 一 個 全 球 領 先 的 商 業 衛 星 中 心, 在 特 羅 姆 瑟 及 斯 瓦 巴 群 島 皆 設 有 地 面 站 KSAT 支 援 福 衛 二 號 影 像 接 收 原 始 資 料 及 影 像 產 品 處 理, 而 系 統 設 備 維 護 和 檢 修 則 由 本 中 心 和 維 護 商 負 責 圖 9 為 挪 威 站 影 像 處 理 終 端 機 系 統 架 構 圖 4. 海 外 站 系 統 架 構 及 運 作 福 衛 二 號 自 004 年 升 空 後 短 短 一 年 已 做 出 多 項 重 大 貢 獻, 包 括 台 灣 的 七 二 水 災 艾 利 颱 風 及 納 坦 颱 風 等, 國 外 的 南 亞 海 嘯 等, 均 提 供 即 時 清 晰 的 高 解 析 度 衛 星 影 像, 對 災 害 研 判 及 救 災 工 作 發 揮 莫 大 助 益, 獲 得 國 際 上 相 當 的 重 視 與 肯 定 在 國 外 市 場 方 面, 與 SpotImage 簽 署 獨 家 經 銷 合 約, 並 在 北 極 建 置 接 收 站 瑞 典 kiruna 接 收 站 已 於 5 月 1 日 正 式 加 入 營 運 的 行 列, 今 後 衛 星 影 像 資 料 除 在 台 灣 下 傳 外, 亦 可 在 北 極 接 收 站 下 傳, 大 幅 提 升 福 衛 二 號 全 球 營 運 的 能 力, 如 圖 8 所 示 圖 8 瑞 典 接 收 站 影 像 資 料 回 示 意 圖 太 空 中 心 在 挪 威 95 年 完 成 設 置 福 衛 二 號 北 極 第 二 接 收 站 (FKSAT), 以 因 應 福 衛 二 號 全 球 營 運 的 需 求 此 接 收 站 系 統 採 用 分 散 式 架 構, 接 收 天 線 及 前 端 處 理 器 系 統 (Data Ingestion System, DIS) 設 置 在 北 緯 78 度 的 斯 瓦 巴 群 島 (Svalbard) 上, 可 進 行 影 像 資 料 擷 取 而 影 像 處 理 終 端 機 (IFT) 則 設 置 圖 9 挪 威 站 影 像 處 理 終 端 機 系 統 架 構 圖 4.3 資 料 回 傳 及 未 來 規 劃 有 鑒 於 海 外 站 下 載 後 的 影 像 資 料 需 經 由 磁 帶 儲 存 後, 再 經 由 郵 寄 方 式 送 回 太 空 中 心 雖 然 太 空 中 心 可 對 海 外 站 影 像 處 理 系 統 進 行 遠 端 資 料 處 理 和 操 作, 但 對 於 大 量 及 緊 急 事 件 的 影 像 需 求 而 言, 時 間 刻 不 容 緩, 因 此 需 要 規 劃 更 有 效 率 的 方 式, 縮 短 影 像 取 得 及 製 作 時 間 福 衛 二 號 影 像 產 品 產 製 過 程 須 經 過 取 像 影 像 資 料 傳 送 回 地 面 接 收 站 影 像 後 製 做 處 理 輸 出 等 作 業 程 序 福 衛 二 號 衛 星 與 挪 威 KSAT 公 司 配 置 地 面 衛 星 接 收 站, 當 衛 星 繞 行 至 此 地 面 站 之 通 訊 涵 蓋 範 圍 時, 福 衛 二 號 攝 取 之 影 像 始 得 以 傳 回 地 面, 受 限 於 地 面 接 收 站 通 訊 函 蓋 範 圍 之 限 制 與 配 合 地 面 工 作 人 員 上 班 時 間 之 考 量, 臺 灣 以 西 之 影 像 得 等 到 隔 天 上 午 10 時 衛 星 通 過 臺 灣 上 空 時, 方 能 下 載 至 地 面, 進 行 後 製 處 理 遇 重 大 事 件 時, 雖 可 安 排 地 勤 人 員 於 夜 間 接 收 衛 星 資 料, 但 影 像 畫 面 取 得 時 間 也 是 1 小 時 之 後 由 於 位 在 北 歐 KSAT 的 地 面 接 收 站 距 離 衛 星 經 過 台 灣 上 空 的 時 間, 只 有 兩 個 小 時 至 兩 個 半 小 時

47 310 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 之 間 原 先 資 料 接 收 後, 經 由 一 般 網 際 網 路 頻 寬 回 傳 檔 案, 傳 送 速 率 比 學 術 網 路 來 得 慢 若 經 由 學 術 網 路 傳 回 台 灣, 可 縮 短 資 料 回 傳 時 間, 將 可 大 幅 提 升 影 像 產 出 之 時 效 性 與 市 場 價 值, 同 時 可 提 高 災 害 影 像 供 應 效 率 5. 巨 量 資 料 應 用 於 影 像 災 防 與 營 運 系 統 5.1 系 統 簡 介 福 衛 二 號 自 005 年 發 設 至 今 已 累 計 相 當 龐 大 的 巨 量 影 像 資 料, 這 些 archive 儲 存 的 資 料 除 了 提 供 客 戶 針 對 歷 史 影 像 訂 購 產 品 訂 單 或 是 緊 急 救 災 時 可 快 速 提 供 災 前 災 後 影 像 比 對 外, 目 前 尚 無 任 何 用 途 ; 加 上 原 本 太 空 中 心 規 劃 影 像 產 品 訂 單 時, 國 外 客 戶 統 一 由 法 國 廠 商 進 行 銷 售, 國 內 客 戶 統 一 由 四 個 分 送 中 心 ( 台 灣 大 學 師 範 大 學 中 央 大 學 與 成 功 大 學 ) 進 行 銷 售 處 理, 但 是 隨 著 時 代 朝 流 變 遷, 太 空 中 心 之 經 營 策 略 已 由 過 去 銷 售 模 式 漸 漸 將 改 為 中 心 自 行 營 運 銷 售, 除 了 既 有 的 代 理 商 策 略 外, 亦 自 行 發 展 營 運 模 式 為 達 成 太 空 中 心 自 行 影 像 營 運 銷 售 策 略, 首 先 中 心 需 具 備 有 可 對 外 自 行 銷 售 的 能 量, 首 要 之 務 即 是 建 置 對 外 影 像 查 詢 系 統 與 銷 售 系 統 等 可 供 民 眾 自 動 化 查 詢 與 訂 購 5. 處 理 流 程 圖 10 自 動 化 影 像 處 理 系 統 流 程 示 意 圖 建 置 對 外 影 像 查 詢 系 統 與 銷 售 另 一 部 分 為, 將 上 述 的 自 動 化 影 像 後 處 系 統 完 成 後, 將 影 像 產 品 的 詮 釋 資 料 與 快 覽 圖 匯 入 台 灣 災 防 與 影 像 銷 售 資 料 庫, 再 透 過 另 行 建 置 的 影 像 查 詢 系 統 查 詢 影 像 產 品 或 正 射 影 像 資 料, 使 用 者 經 過 授 權 後 即 可 即 時 查 詢 最 新 影 像 資 料, 並 將 有 興 趣 的 影 像 產 品 經 由 檔 案 配 送 等 相 關 功 能 進 行 訂 購 服 務, 如 圖 11 所 示 影 像 查 詢 系 統 整 體 流 程 使 用 者 查 詢 系 統 開 始 登 入 系 統 建 置 對 外 影 像 查 詢 系 統 與 銷 售, 共 分 為 兩 部 分 進 行, 其 一 為 將 目 前 福 衛 二 號 既 有 影 像 處 理 系 統 作 查 詢 影 像 業 流 程 精 進, 使 其 能 自 每 日 衛 星 影 像 接 收 後 便 能 進 行 自 動 化 影 像 後 處 理 作 業, 以 取 代 原 本 繁 瑣 需 人 工 介 入 操 作 作 業 流 程, 如 此 一 來, 當 客 戶 有 緊 急 需 求 或 是 災 害 發 生 期 間, 影 像 後 處 理 的 作 業 效 率 將 影 響 防 救 災 的 即 時 性, 如 圖 10 所 示 選 擇 執 行 功 能 選 擇 產 品 快 覽 圖 下 載 選 擇 瀏 覽 WMS 選 擇 產 品 / 正 射 影 像 配 送 提 供 下 載 jpg 或 KML 檔 開 啟 WMS 並 提 供 WMS URL 執 行 產 品 打 包 & 傳 送 檔 案 Windows Service 圖 11 影 像 查 詢 系 統 整 體 流 程

48 顏 伸 運 陳 靜 盈 : 衛 星 影 像 巨 量 資 料 儲 存 與 應 用 平 台 建 置 成 果 與 應 用 當 每 日 福 衛 二 號 影 像 自 台 灣 接 收 後, 即 可 自 動 化 進 行 影 像 後 處 理, 並 將 結 果 匯 入 至 台 灣 災 防 與 影 像 銷 售 資 料 庫, 除 了 可 讓 使 用 者 利 用 影 像 查 詢 系 統 即 時 查 詢 產 品 與 正 射 資 料 外, 亦 可 提 供 當 災 害 發 生 時 災 防 單 位 進 行 相 關 的 災 害 防 救 災 工 作, 而 災 後 亦 能 提 供 相 關 研 究 單 位 進 行 災 害 分 析 與 研 判 ; 目 前 該 系 統 已 建 置 完 成, 但 使 用 者 現 階 段 為 太 空 中 心 內 部 人 員 使 用, 待 對 外 服 務 政 策 與 相 關 配 套 措 施 如 資 訊 安 全 或 網 路 架 構 建 置 完 善 後 即 可 進 行 對 外 銷 售 服 務, 如 此 一 來 針 對 太 空 服 務 又 增 添 了 多 元 性 6.1 結 論 6. 結 論 與 未 來 工 作 004 年 福 衛 二 號 發 射 後 至 今, 對 於 平 均 每 月 發 生 一 次 之 國 際 大 型 災 害 事 件, 幾 乎 每 次 都 以 第 一 時 間 拍 攝 到 影 像 例 如 : 004 年 南 亞 海 嘯 006 年 吉 尼 號 漏 油 年 支 援 國 際 極 區 年 (International Polar Year, IPY) 進 行 極 區 影 像 拍 攝 007 年 美 國 南 加 州 大 火 008 年 威 爾 金 斯 冰 架 崩 解 008 年 四 川 強 震 及 011 年 日 本 強 震, 反 映 了 福 衛 二 號 這 許 多 來 所 拍 攝 的 影 像 在 國 內 外 造 成 衝 擊 的 事 件 及 成 效 福 衛 二 號 在 全 球 發 生 重 大 災 害 時, 第 一 時 間 提 供 受 災 地 區 緊 急 影 像 拍 攝 服 務 及 資 料, 為 臺 灣 在 國 際 人 道 救 援 上 盡 一 分 心 力 衛 星 影 像 可 以 配 合 勘 災 賑 災 重 建 等 作 業, 而 操 作 團 隊 間 首 重 互 相 學 習 交 換 訊 息 建 立 默 契 福 衛 二 號 災 後 取 像 總 是 快 速 反 應, 透 過 這 些 整 合 後 的 巨 量 資 料 運 算 平 台, 更 能 有 效 地 提 供 最 新 及 歷 史 影 像 資 料 供 研 究 分 析 經 由 運 用 此 應 用 平 台, 海 外 接 收 站 回 傳 檔 案 經 由 學 術 網 路 可 縮 短 大 檔 案 傳 送 的 時 間, 並 結 合 自 動 化 的 影 像 處 理 系 統, 更 可 大 幅 縮 短 資 料 的 處 理 可 於 最 影 像 下 載 後 約 4 小 時 之 內 可 提 供 給 使 用 者 影 像 資 料, 尤 其 在 提 供 災 害 等 相 關 事 件 影 像, 更 是 分 秒 必 爭 太 空 中 心 參 與 國 家 災 防 中 心 召 集 的 空 間 情 報 任 務 小 組, 經 常 支 援 國 內 災 害 的 拍 攝 與 資 料 提 供, 例 如 : 颱 風 汛 期 地 震 及 高 雄 氣 爆 等 事 件 顯 示 使 用 此 應 用 平 台 所 帶 來 的 影 像 加 速 處 理, 對 災 害 救 援 及 後 期 建 置 有 實 質 的 時 效 性 助 益 6. 未 來 工 作 近 年 來 迅 速 發 展 的 雲 端 運 算 技 術 係 利 用 電 腦 網 絡 群 集, 具 備 快 速 儲 存 處 理 巨 量 資 料 的 能 力, 這 種 技 術 可 以 集 合 使 用 數 以 百 萬 計 的 電 腦 各 種 資 源, 包 括 硬 體 軟 體 以 及 資 訊 資 源, 不 論 是 在 虛 擬 化 或 是 平 行 運 算, 都 比 過 去 有 著 更 低 成 本 及 更 高 效 能 的 特 性, 同 時 可 解 決 短 時 間 產 生 的 巨 量 資 料 帶 來 的 諸 多 問 題 在 將 福 衛 二 號 衛 星 影 像 有 系 統 的 統 整 儲 存 規 劃 後, 未 來 將 研 究 進 行 雲 端 分 散 式 運 算 技 術 評 估 取 代 傳 統 的 儲 存 方 式 的 可 能 性, 希 冀 藉 由 雲 端 系 統 的 可 行 性 評 估 研 究, 了 解 如 何 運 用 雲 端 技 術 對 巨 量 影 像 資 料 進 行 有 效 的 儲 存 與 管 理, 規 劃 福 衛 二 號 衛 星 影 像 私 有 雲 之 軟 硬 體 架 構 與 大 量 影 像 資 料 儲 存 管 理 分 析 以 及 提 供 線 上 服 務, 並 為 未 來 福 衛 五 號 之 儲 存 管 理 機 制 預 先 準 備, 以 作 為 預 備 日 後 進 一 步 導 入 雲 端 技 術 參 考 文 獻 顏 君 毅, 張 中 白, 007, 遙 測 影 像 技 術 與 勘 災 / 防 災 應 用, 國 土 資 訊 系 統 通 訊 第 六 十 一 期 期 刊 周 士 傑, 01, 以 雲 端 分 散 式 運 算 技 術 儲 存 福 衛 二 號 巨 量 影 像 之 可 行 性 研 究, 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 陳 靜 盈, 01, 影 像 處 理 系 統 流 程 自 動 化 及 台 灣 災 防 影 像 查 詢 系 統 技 術 報 告, 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心

49 31 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume 19, No.4, February 015 The Application of Big Satellite Image Data Platform Sheng-Yun Yan 1* Chin-Yin Chen ABSTRACT FORMOSAT- satellite was launched from Vandenberg California, United States on May 1, 004. The satellite joined mission orbit on June, 004 and photo the first image on June 4, 004. FORMOSAT- satellite has the higher orbit and more viewer, so FORMOSAT- images the same places on the surface of the earth at the same time every day. Image Processing System (IPS) is independent research and development on NSPO. The system is modified for special case and is known clear how to verify user requirement. There are the big image data on FORMOSAT- satellite from 004 to present. It is important how to plan, store and reuse to media conversion for these big date. Keywords: FORMOSAT- satellite Big Data Remote Backup Media Conversion 1 Associate Research Fellow, National Space Organization, National Applied Received Date: Aug. 19, 013 Research Laboratories Revised Date: Dec. 31, 013 Assistant Researcher, National Space Organization, National Applied Research Laboratories Accepted Date: Dec. 4, 014 *. Corresponding Author, Phone: ext.1581, [email protected]

50 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 4 期 第 頁 民 國 104 年 0 月 313 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume19, No4, February 015, pp DOI: /JPRS (4).6 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略 鄭 竣 吉 1* 林 辰 宗 陳 宗 麟 3 摘 要 與 傳 統 的 硬 體 導 航 接 收 機 平 台 (Hardware GPSR) 相 比, 軟 體 導 航 接 收 機 (Software GPSR) 平 台 更 適 合 在 研 究 和 開 發 其 原 因 在 於 的 軟 體 導 航 接 收 機 可 以 在 不 需 要 修 改 硬 體 設 計 的 狀 況 下 動 態 地 透 過 程 式 的 修 改 程 式 碼 以 進 行 演 算 法 的 更 新 或 者 是 相 關 的 功 能 或 介 面 然 而, 新 增 的 功 能 或 者 是 更 新 的 演 算 法 是 否 能 即 時 的 處 理, 取 決 於 硬 體 的 計 算 能 力 而 使 用 高 性 能 的 數 位 信 號 處 理 裝 置 是 軟 體 導 航 接 收 機 的 設 計 重 點 之 一 太 空 用 導 航 接 收 機 或 者 電 子 元 件 因 為 需 要 存 活 在 嚴 苛 的 太 空 環 境 中, 尤 其 是 游 離 輻 射 環 境 與 是 高 能 粒 子 輻 射 環 境, 所 以 需 要 特 殊 的 高 可 靠 度 電 子 零 件, 一 般 常 用 的 解 決 方 式 是 使 用 經 過 大 量 測 試 驗 證 的 太 空 等 級 的 電 子 零 件, 不 過, 大 部 分 高 性 能 的 電 子 零 件 並 沒 有 通 過 太 空 等 級 的 驗 證 在 這 篇 研 究 報 告 中 提 出 了 使 用 兩 種 使 用 商 用 現 成 (Commercial off-the-shelf /COTS) 電 子 零 件 的 衛 星 導 航 接 收 機 設 計, 並 透 過 游 離 輻 射 驗 證 以 及 減 緩 高 能 粒 子 效 應 電 路 設 計, 証 明 其 存 活 在 太 空 的 可 行 性, 而 這 兩 種 方 案 的 COTS 零 件 都 包 含 射 頻 前 端 模 組 (RF Front-end/RFFE) 和 數 位 信 號 處 理 器 (Digital Signal Processor/DSP), 主 要 是 因 為 其 對 於 導 航 接 收 機 的 性 能 尺 寸 重 量 和 交 貨 時 間 上 都 比 使 用 太 空 等 級 零 件 的 導 航 接 收 機 更 具 優 勢 關 鍵 詞 : 硬 體 導 航 接 收 機 軟 體 導 航 接 收 機 商 用 現 成 射 頻 前 端 數 位 信 號 處 理 器 1. 簡 介 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 ( National SPace Orgination/NSPO) 針 對 不 同 的 任 務 需 求 設 計 並 製 作 了 兩 個 版 本 的 衛 星 導 航 接 收 機, 全 商 用 現 成 電 子 零 件 版 本 (All COTS Version GPSR) 以 及 太 空 等 級 版 本 (Space-qualified GPSR) 全 商 用 現 成 電 子 零 件 版 本 主 要 是 提 供 導 航 接 收 機 初 步 設 計 的 驗 證, 由 於 軟 體 幾 乎 相 同, 故 也 可 操 作 在 高 動 態 的 環 境 至 於 太 空 等 級 版 本 的 導 航 接 收 機, 透 過 更 嚴 謹 的 設 計 以 及 使 用 更 高 的 可 靠 度 的 電 子 零 件 策 略, 用 於 惡 劣 的 太 空 環 境 下 進 行 長 期 的 操 作, 當 然 也 包 含 惡 劣 的 輻 射 環 境 1.1 全 商 用 現 成 電 子 零 件 版 本 GPSR(All COTS Version GPSR) 一 般 來 說, 在 GPSR 可 分 成 三 個 模 組, 射 頻 前 端 模 組 (RFFE) 數 位 信 號 處 理 模 組 (DSP Module) 和 電 源 模 組 (Power Module) All COTS Version GPSR 如 圖 1 所 示, 在 經 過 GPS 天 線 接 收 到 GPS 衛 星 發 射 的 射 頻 信 號 後, 射 頻 前 端 模 組 (RFFE) 將 射 頻 信 號 轉 成 中 頻 信 號 後 並 進 行 數 位 化 的 工 作 而 數 位 信 號 處 理 模 組 (DSP Module) 主 要 由 FPGA 與 DSP 所 構 成,FPGA 主 要 負 責 介 面 控 制 部 分, 例 如 中 頻 信 號 的 資 料 擷 取 RS-4 介 面 以 及 時 脈 1 3 * 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 飛 行 控 制 組 副 研 究 員 國 立 交 通 大 學 機 械 工 程 系 收 到 日 期 : 民 國 10 年 08 月 0 日 國 家 實 驗 研 究 院 國 家 太 空 中 心 飛 行 控 制 組 正 工 程 師 修 改 日 期 : 民 國 103 年 04 月 17 日 國 立 交 通 大 學 機 械 工 程 系 教 授 接 受 日 期 : 民 國 103 年 04 月 9 日 通 訊 作 者, 電 話 : ext. 65, [email protected]

51 314 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 訊 號 (Pulse Per Second/PPS) 信 號 的 產 生, 而 DSP 則 是 將 蒐 集 到 的 中 頻 (IF) 信 號 進 行 信 號 處 理 與 解 碼 的 處 理, 包 含 導 航 信 號 的 捕 獲 (Acquisition) 追 蹤 (Tracking) 以 及 後 續 的 導 航 訊 息 處 理 至 於 電 源 模 組 (Power Module) 設 計 主 要 是 提 供 穩 定 的 電 源 供 系 統 操 作,All COTS Version 需 要 +3.3 V 直 流 電 源 供 電, 在 一 般 操 作 下 消 耗 功 率 約 在 1.6W 另 外, 這 個 版 本 也 保 留 電 磁 干 擾 (EMI) 濾 波 器 以 及 DC-DC 轉 換 器 的 空 間, 適 用 於 各 種 直 流 電 源 範 圍 輸 入 潛 在 的 輻 射 敏 感 的 電 子 零 件 列 表 如 表 1 所 示 圖 1 商 用 現 成 電 子 零 件 版 本 ( 左 圖 ) 與 太 空 等 級 版 本 之 導 航 接 收 機 ( 右 圖 ) 表 1 All COTS 版 本 GPSR 潛 在 輻 射 敏 感 電 子 零 件 模 組 # 功 能 料 號 製 造 商 / 開 發 商 1 Adjustable Low Dropout Regulator ADP3334AR Analog Devices 電 源 模 組 3 Input Non-Isolated Wide-Output Adjust Power Module Input Non-Isolated Wide-Output Adjust Power Module PTH03000WAH PTH03000WAH Texas Instrument Texas Instrument 4 Ultra Low Noise, 100 ma Linear Regulator for RF LP National Semiconductor(now Texas Instrument) 信 號 處 理 器 5 Fixed-point Digital Signal Processors TMS30C6415 Texas Instrument FPGA 6 Antifuse Field Programmable Gate Array AX50-PQ08I Actel RF 模 組 7 RFFE Module RFFE V5 NSPO 8 Low Voltage EEPROM AT8LV010-0TU Atmel 介 面 / 記 憶 體 9 RS-4 Receiver MAX3093EESE MAXIM 10 RS-4 Transmitters MAX3030EESE MAXIM 11 Single Supply Comparator AD8561 Analog Devices

52 鄭 竣 吉 林 辰 宗 陳 宗 麟 : 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 315 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略 1. 太 空 等 級 版 本 導 航 接 收 機 (Space-qualified GPSR) Space-qualified GPSR 使 用 了 接 腳 相 容 或 者 是 功 能 相 容 的 太 空 等 級 零 件 取 代 原 有 的 商 規 料 件, 例 如 使 用 在 介 面 控 制 的 場 可 程 式 邏 輯 陣 列 (FPGA) 以 及 在 RS-4 介 面 中 負 責 傳 送 / 接 收 的 電 子 零 件 等, 不 過, 射 頻 前 端 模 組 以 及 數 位 信 號 處 理 器 目 前 並 沒 有 相 對 的 太 空 等 級 同 等 品 可 以 取 代, 另 外, 就 體 積 重 量 性 能 與 功 耗 的 觀 點 看 來, 商 規 零 件 也 相 當 具 有 優 勢 因 此 此 兩 個 零 件 沿 用 了 All COTS Version 等 級 的 商 規 料 件 為 了 增 加 可 靠 度,Space-qualified GPSR 提 供 了 單 粒 子 事 件 效 應 (Single Event Effect/SEE) 效 應 的 保 護 機 制, 例 如 新 增 太 空 等 級 外 部 記 憶 體 預 防 單 粒 子 栓 鎖 效 應 (Single Event Latchup/SEL) 效 應 的 電 流 保 護 電 路 以 及 看 門 狗 (Watch Dog Timer/WDT) 機 制 太 空 等 級 版 本 導 航 接 收 機 電 子 零 件 中 潛 在 的 輻 射 敏 感 的 電 子 零 件 列 表 如 表 所 示, 兩 個 版 本 的 比 較 表 如 表 3 所 示 表 太 空 等 級 版 本 GPSR 潛 在 輻 射 敏 感 電 子 零 件 模 組 # 功 能 料 號 製 造 商 / 開 發 商 信 號 處 理 器 1 Fixed-point Digital Signal Processors SMJ30C6415 Texas Instrument RF 模 組 RFFE Module RFFE V5 NSPO 表 3 All COTS 版 本 與 太 空 等 級 版 本 GPSR 潛 在 輻 射 敏 感 電 子 零 件 比 較 表 All COTS 版 本 太 空 等 級 版 本 模 組 # 功 能 料 號 製 造 商 / 開 發 商 料 號 製 造 商 / 開 發 商 備 註 1 Adjustable Low Dropout Regulator ADP3334AR Analog Device 電 源 模 組 3 Input Non-Isolated Wide-Output Adjust Power Module Input Non-Isolated Wide-Output Adjust Power Module PTH03000WA H PTH03000WA H Texas Instrument Texas Instrument RHFL4913A ST Microelectronics Functional Compatible 4 Ultra Low Noise, 100 ma Linear Regulator for RF LP National Semiconductor(now Texas Instrument) 信 號 處 理 器 5 Fixed-point Digital Signal Processors TMS30C6415 Texas Instrument SMJ30C6415 Texas Instrument Functional Compatible FPGA 6 RF 模 組 介 面 / 記 憶 體 Antifuse Field Programmable Gate Array AX50-PQ08I Actel RTAX50-PQ08 1 Actel 7 RFFE Module RFFE V5 NSPO RFFE V6 NSPO 8 Low Voltage EEPROM 9 RS-4 Receiver AT8LV010-0TU MAX3093EES E Atmel 74LV0408 Maxwell Technologies MAXIM HS9-6CLV3RH -8 HS9-6CLV31RH -8 Intersil 10 RS-4 Transmitters MAX3030EES MAXIM Intersil E Single Supply 11 AD8561 Analog Device AD8561S Analog Devices Comparator Pin Compatible Pin Compatible Functional Compatible Functional Compatible Functional Compatible Functional Compatible

53 316 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月. 游 離 輻 射 測 試 (TID Testing) 由 表 3 中 可 以 看 到, 兩 個 導 航 接 收 機 版 本 都 使 用 相 同 的 非 太 空 規 射 頻 前 端 模 組 (RFFE) 以 及 數 位 信 號 處 理 器 (DSP), 所 以 在 設 計 上 必 須 特 別 注 意 這 兩 個 零 件 在 輻 射 環 境 下 的 特 性 在 表 3 的 比 較 表 中 可 以 看 出, 兩 個 版 本 GPSR 的 RFFE 與 DSP 都 使 用 COTS 零 件, 所 以 DSP 與 RFFE 兩 項 COTS 零 件 在 輻 射 環 境 下 的 變 化 情 形 以 及 是 否 能 夠 存 活 是 相 當 重 要 的 在 參 考 相 關 的 研 究 中 提 到, 在 低 地 球 軌 道 (LEO) 的 衛 星 任 務 每 年 的 總 輻 射 量 約 在 數 krad 到 數 十 krad 等 級 的 範 圍 (Avery, et al., 011)(NASA, 1996) 若 以 FORMOSAT- 的 條 件 進 行 模 擬,GPSR 的 外 殼 為 鋁, 厚 度 為 4mm 的 條 件 下, 其 五 年 的 輻 射 量 約 在 6 krad, 若 考 量 在 任 務 是 低 軌 道 且 為 五 年 衛 星 壽 命 的 設 計 條 件 並 增 加 一 定 的 安 全 係 數 後,50krad 的 測 試 條 件 應 該 是 足 夠 的 由 於 Space-qualified GPSR 大 部 分 的 零 件 均 有 抗 輻 射 的 能 力, 所 以 在 游 離 輻 射 測 試 設 計 中 大 膽 的 使 用 了 All COTS Version 的 GPSR 版 本 進 行 實 驗, 另 外, 由 於 兩 個 版 本 的 GPSR 皆 使 用 COTS 的 射 頻 前 端 模 組, 所 以 測 試 中 也 針 對 COTS 的 射 頻 前 端 模 組 進 行 獨 立 的 測 試, 觀 察 其 在 輻 射 環 境 下 的 變 化 情 形, 由 於 這 兩 個 零 件 非 常 的 複 雜, 在 測 試 場 地 與 設 備 的 考 量 下, 測 試 劇 本 是 直 接 使 用 飛 行 條 件 下 的 設 定, 並 觀 察 其 變 化 情 形 在 相 關 的 文 獻 中 也 討 論 到 電 子 零 件 對 於 劑 量 率 的 變 化 也 會 有 不 同 的 測 試 結 果 (Bogorad, et al., 008),ESA 與 MIL-STD 對 於 劑 量 率 的 定 義 如 圖 所 示 在 參 考 了 標 準 測 試 規 範 (Department of Defense, Dec. 1996)(ESA,Oct. 010) 的 後 進 行 測 試 的 設 計, 測 試 分 別 有 低 劑 量 率 (Low Rate) 以 及 標 準 劑 量 率 (Standard Rate), 累 積 游 離 輻 射 量 至 少 在 50 krad 的 等 級, 測 試 條 件 請 參 考 表 4 圖 游 離 輻 射 劑 量 率 定 義 表 1 GPSR 與 RFFE 的 TID 條 件 測 試 條 件 劑 量 率 劑 量 率 總 劑 量 執 行 時 間 輻 射 源 (rad/sec) (rad/h) (krad) (h) (9000Ci/1000Ci) 距 離 待 測 件 RFFE 低 劑 量 率 Ci 50 公 分 01~05 GPSR V Ci 45 公 分 GPSR V5- 標 準 劑 量 率 Ci 30 公 分 RFFE 06~07

54 鄭 竣 吉 林 辰 宗 陳 宗 麟 : 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 317 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略.1 游 離 輻 射 測 試 說 明 (TID Test Setup Description) 游 離 輻 射 測 試 場 位 於 國 立 清 華 大 學, 測 試 場 地 配 置 如 圖 3 所 示, 主 要 可 以 分 為 三 個 部 分 : 導 航 信 號 模 擬 系 統 游 離 輻 射 照 射 場 以 及 遠 端 監 控 設 備 GPS 信 號 模 擬 系 統 主 要 是 由 GPS 模 擬 器 以 及 低 衰 減 的 RF Cable 所 組 成, 測 試 藉 由 GPS 模 擬 器 內 建 的 信 號 放 大 器 來 補 償 線 路 衰 減, 並 設 定 在 固 定 劇 本 (Static Scenario), 解 出 的 GPS 導 航 資 訊 位 置 資 訊 (Px, Py, Pz) 為 ( , 0, 0), 速 度 資 訊 (Vx, Vy, Vz) 為 (0, 0, 0), 這 樣 的 設 定 方 便 後 續 進 行 測 試 資 料 的 比 對 清 大 的 輻 射 測 試 場 地 提 供 了 二 支 鈷 六 十 射 源 棒 ( 二 者 強 度 比 約 為 30), 射 源 為 地 下 乾 式 貯 存, 可 以 分 別 以 氣 送 式 升 降, 照 射 樣 品 可 接 受 100 rads/hr 至 500 krads/hr 間 的 劑 量 率 曝 露, 並 得 到 精 確 的 照 射 劑 量 遠 端 資 料 監 控 系 統 主 要 是 由 多 通 道 電 源 供 應 器 具 有 RS-4 介 面 的 遠 端 控 制 工 作 站 以 及 頻 率 計 數 器 所 組 成, 監 控 系 統 透 過 LabVIEW 進 行 系 統 的 整 合, 並 提 供 網 路 監 控 的 功 能, 使 用 者 除 了 可 以 在 控 制 室 進 行 資 料 的 監 控 外, 也 可 以 透 過 網 路 在 外 部 進 行 遠 端 監 控 另 外, 在 場 地 的 限 制 下, 電 源 供 應 器 必 須 安 裝 在 約 15 米 ~0 米 外 的 區 域, 為 了 確 保 量 測 信 號 的 準 確 性, 我 們 將 電 源 供 應 器 的 回 授 信 號 也 同 時 連 接 到 待 測 件 上, 減 少 因 距 離 過 長 產 生 的 誤 差 RFFE GPSR 圖 3 清 華 大 學 輻 射 測 試 場

55 318 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月. 全 商 用 現 成 電 子 零 件 版 本 測 試 結 果 (All COTS Version GPSR Test Result) All COTS Version GPSR 經 過 了 兩 次 不 同 輻 射 劑 量 率 但 是 相 同 總 劑 量 的 測 試, 第 一 次 約 185 小 時 的 低 劑 量 率 總 劑 量 為 50 krad 的 條 件 下 功 率 變 化 百 分 比 如 圖 4 所 示, 測 試 結 果 顯 示, 其 功 率 變 化 率 會 隨 著 輻 射 劑 量 的 增 加 而 增 加, 另 外, 在 完 成 這 個 測 試 後, 雖 然 效 率 有 變 差, 不 過 仍 然 能 提 供 正 常 的 電 源, 而 相 同 的 樣 品 以 4 小 時 的 標 準 劑 量 率, 總 計 量 為 50krad 再 次 進 行 測 試, 其 功 率 變 化 率 如 圖 5 所 示 另 外, 我 們 就 GPSR 透 過 RS-4 傳 送 出 來 的 導 航 資 訊 進 行 分 析, 不 論 是 第 一 次 的 低 劑 量 率 或 者 是 接 下 來 的 標 準 劑 量 率 的 輻 射 測 試 條 件 下,GPSR 都 能 夠 正 確 的 解 出 導 航, 第 一 次 的 測 試 在 測 試 前 5krad 時 以 及 測 試 後 取 100 筆 資 訊 進 行 統 計, 平 均 位 置 誤 差 分 別 為 1.5m.19m.4m, 平 均 速 度 誤 差 為 0.03m/s 0.04m/s 0.037m/s, 而 接 下 來 的 標 準 劑 量 率 測 試 時, 其 平 均 位 置 誤 差 為 1.51 m, 平 均 速 度 誤 差 在 0.06m/s, 標 準 劑 量 的 位 置 誤 差 與 速 度 誤 差 請 參 考 圖 6 與 圖 7 由 於 兩 次 測 試 的 時 間 間 隔 過 長, 不 適 合 定 義 為 連 續 的 測 試, 也 就 是 說 測 試 結 果 不 能 保 證 All COTS Version GPSR 能 夠 在 100 krad 下 存 活 保 守 的 由 測 試 結 果 判 斷, 在 50 krad 的 輻 射 劑 量 下 不 論 是 低 劑 量 率 或 者 是 標 準 劑 量 率 的 測 試 條 件 下,GPSR 都 能 夠 正 常 的 工 作 而 沒 有 明 顯 的 性 能 衰 減 圖 4 低 劑 量 率 下 GPSR 的 功 率 變 化 情 形 圖 5 標 準 劑 量 率 下 GPSR 的 功 率 變 化 情 形

56 鄭 竣 吉 林 辰 宗 陳 宗 麟 : 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 319 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略 表 5 低 劑 量 率 條 件 下 GPSR 的 位 置 與 速 度 平 均 誤 差 參 數 劑 量 率 平 均 位 置 誤 差 ( 米 ) 平 均 速 度 誤 差 ( 米 / 秒 ) 0 krad krad krad 圖 6 標 準 劑 量 率 條 件 下 GPSR 的 位 置 誤 差 ( 最 大 誤 差 為 3.14 m) 圖 7 標 準 劑 量 率 條 件 下 GPSR 的 速 度 誤 差 ( 最 大 誤 差 為 m/s)

57 30 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月.3 商 用 現 成 射 頻 前 端 模 組 測 試 結 果 (COTS RFFE Test Result) 由 於 RFFE 使 用 的 是 COTS 零 件, 我 們 把 它 歸 類 在 高 風 險 的 輻 射 敏 感 零 件, 所 以 特 別 將 這 個 項 目 進 行 獨 立 的 驗 證, 而 測 試 樣 品 也 分 別 提 高 到 5 個 與 個, 增 加 可 信 度 並 降 低 GPSR 使 用 RFFE 的 風 險, 由 於 All COTS Version GPSR 使 用 的 也 是 相 同 的 RFFE, 所 以 也 透 過 GPSR 的 測 試 確 認 其 解 碼 能 力, 而 我 們 也 會 在 測 試 前 與 測 試 後 將 RFFE 連 接 到 母 板 進 行 解 碼 功 能 的 測 試 所 以 在 這 個 獨 立 測 試 中, 我 們 只 觀 察 它 的 功 率 變 化 以 及 MHz 的 溫 度 補 償 振 盪 器 (TCXO) 的 頻 率 變 化 情 形, 約 185 小 時 的 低 劑 量 率 且 總 劑 量 在 50 krad 條 件 下 的 5 個 樣 品 的 變 化 並 不 大, 並 在 確 認 動 作 正 常 後, 在 標 準 劑 量 率 的 測 試 中, 大 膽 的 將 總 劑 量 提 高 到 100krad, 並 連 續 的 進 行 測 試 觀 察, 表 6 為 RFFE 的 功 率 變 化 情 形 另 外, 就 TCXO 受 輻 射 測 試 效 應 的 部 分, 受 限 於 硬 體 設 備 與 場 地 的 限 制, 我 們 只 能 挑 選 一 組 RFFE 進 行 連 續 的 觀 察, 使 用 頻 率 計 數 器 在 低 劑 量 率 與 標 準 劑 量 率 分 別 觀 察 樣 品 1 以 及 樣 品 6 的 頻 率 飄 移 情 形, 連 續 的 觀 測 結 果 如 圖 8 與 圖 9 所 示, TCXO 的 頻 率 飄 移 與 測 試 前 後 的 解 碼 情 形 如 表 7 所 示, 其 計 算 方 式 為 頻 率 計 數 器 讀 值 減 去 TCXO 應 該 輸 出 的 理 想 值 (16.368MHz), 測 試 結 果 證 明 不 管 是 50 krad 在 低 劑 量 率 或 者 是 100krad 的 標 準 劑 量 率 下 RFFE 都 可 以 正 常 工 作 表 6 RFFE 功 率 變 化 測 試 條 件 low rate standard rate RFFE S/N 功 率 (mw) 測 試 前 5krad 50krad 100krad 測 試 後 圖 8 低 劑 量 率 下 RFFE 的 頻 率 飄 移 ( 樣 品 S/N:01)

58 鄭 竣 吉 林 辰 宗 陳 宗 麟 : 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 31 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略 圖 9 標 準 劑 量 率 下 RFFE 的 頻 率 飄 移 ( 樣 品 S/N:06) 表 7 RFFE 頻 率 飄 移 與 解 碼 能 力 在 不 同 的 TID 測 試 條 件 比 較 表 輻 射 劑 量 劑 量 率 RFFE S/N 時 脈 飄 移 測 @100krad (rad/sec) (Test Site) (Test Site) (Test Site) (@Test Site) 測 試 後 168 hr 測 試 前 解 碼 功 能 測 試 後 168 hr (@NSPO) (@NSPO) (@NSPO) V5H 通 過 通 過 V5H 通 過 通 過 50krad V5H 通 過 通 過 V5L 通 過 通 過 V5L 通 過 通 過 100krad RFFEV 通 過 通 過 RFFEV 通 過 通 過 3. 減 緩 SEE 效 應 的 設 計 (Single Event Effect Mitigation Design) 由 於 導 航 接 收 機 在 太 空 中 必 須 面 臨 因 高 能 粒 子 輻 射 照 射 在 電 子 零 件 上 可 能 引 發 的 SEE 效 應, 而 SEE 效 應 依 問 題 主 要 可 分 為 單 粒 子 翻 轉 事 件 (Single Event Upset/SEU) 單 粒 子 栓 鎖 事 件 (Single Event Latchup/SEL) 以 及 單 粒 子 功 能 中 斷 事 件 (Single Event Functional Interrupt/SEFI), SEU 效 應 會 發 生 記 憶 體 / 暫 存 器 的 資 料 翻 轉 導 致 資 料 的 錯 誤,SEL 效 應 可 能 會 因 電 路 的 栓 鎖 造 成 高 操 作 電 流, 必 須 透 過 電 源 重 置 解 決, 而 若 其 效 應 導 致 操 作 功 能 異 常 或 終 止, 則 定 義 為 SEFI 效 應 在 Space-qualified GPSR 中, 我 們 針 對 了 SEE 效 應 中 的 SEU SEL 以 及 SEFI 採 用 不 同 的 處 理 方 式, 希 望 藉 此 減 緩 因 為 SEE 造 成 的 問 題, 以 下 為 Space-qualified GPSR 減 緩 SEE 效 應 的 設 計 方 案 :

59 3 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 3.1 減 緩 SEU 效 應 設 計 方 案 (SEU Mitigation Design) 在 Space-qualified GPSR 電 子 零 件 中,DSP 為 主 要 高 潛 在 風 險 的 SEU 元 件 大 部 分 的 DSP 為 了 提 高 其 執 行 效 率, 都 是 將 程 式 與 資 料 儲 存 在 內 部 的 記 憶 體 中, 藉 此 縮 短 介 面 傳 輸 的 時 間, 參 考 許 多 DSP 的 SEE 測 試 報 告 (Iron, 008)(Hiemstra, et al., 005)(Hiemstra, 009), DSP 的 記 憶 體 可 能 因 為 輻 射 的 效 應 導 致 資 料 的 改 變 由 於 我 們 使 用 的 DSP 是 COTS 零 件, 因 為 輻 射 的 效 應 導 致 DSP 內 部 記 憶 體 資 料 的 翻 轉 進 而 影 響 其 功 能 的 風 險 非 常 高, 而 將 程 式 碼 移 到 具 有 抗 輻 射 能 力 的 外 部 記 憶 體 就 是 一 種 改 善 的 方 法 不 過, 如 果 將 全 部 的 資 料 都 移 到 外 部 記 憶 體, 會 導 致 性 能 大 幅 的 降 低 而 無 法 進 行 任 務, 可 行 的 辦 法 是 將 重 要 的 程 式 碼 移 到 外 部 記 憶 體 中, 圖 10 為 All COTS Version GPSR 與 Space-qualified GPSR 針 對 減 緩 SEU 效 應 的 設 計, Space-qualified GPSR 將 程 式 碼 移 到 太 空 等 級 的 外 部 記 憶 體, 而 內 部 記 憶 體 大 部 分 儲 存 的 是 基 頻 取 樣 信 號, 若 基 頻 取 樣 信 號 發 生 資 料 翻 轉 時, 其 只 會 造 成 SNR 稍 微 降 低, 並 沒 有 太 大 影 響 因 此,SEU Sensitive 的 DSP 內 部 記 憶 體 由 原 先 的 104kbyte 降 低 到 64 kbyte, 降 低 SEU 發 生 的 機 率 93.75% 而 使 用 內 建 與 外 部 兩 種 架 構 進 行 實 際 測 試, 處 理 11 顆 衛 星 資 料 的 狀 況 下 其 作 動 時 間 會 由 原 先 的 30% 提 高 到 90%, 接 收 機 仍 能 持 續 正 常 工 作 另 外, 雖 然 我 們 使 用 的 是 太 空 等 級 的 FPGA, 不 過 由 於 其 內 部 也 有 暫 存 器 (Micorsemi, 01), 可 能 也 會 有 SEU 的 問 題 針 對 FPGA 的 SEU 問 題, 在 FPGA 內 重 要 的 暫 存 器 (Register) 可 以 使 用 TMR(Triple Memory Redundancy) 的 機 制 3. 減 緩 SEL 效 應 的 設 計 方 案 (SEL Mitigation Design) 在 Space-qualified GPSR 中, 我 們 使 用 了 SEL Free 的 硬 體 電 路 來 進 行 SEL 的 偵 測 與 電 源 重 置 (Power Recycling) 由 圖 11 的 流 程 圖 中 可 以 看 到, 當 EEE Parts 因 為 輻 射 的 環 境 導 致 SEL 時, 保 護 電 路 會 進 行 作 動, 關 閉 電 源, 並 進 行 重 置 的 動 作 另 外, 因 為 GPSR 內 部 有 許 多 的 旁 路 電 容, 若 關 閉 電 源 的 時 間 過 短 可 能 因 關 閉 不 完 全 導 致 無 法 消 除 SEL 效 應, 所 以 在 電 路 設 計 時 在 電 源 電 壓 低 於 一 定 的 條 件 下 才 會 再 次 啟 動 電 源, 從 圖 1 可 以 看 到 SEL 偵 測 電 路 約 數 百 μs 偵 測 到 SEL 並 觸 發 重 置 的 信 號, 而 圖 13 可 以 看 到 在 重 置 後 電 源 重 新 啟 動 的 狀 態 TMS30C6415 數 位 信 號 處 理 器 104K Byte SRAM Code Data SMJ30C6415 數 位 信 號 處 理 器 104K Byte SRAM Non-Critical Data 64K Cache DMA EMIF A Space Qualified SRAM Critical Data Code All COTS Version GPSR Flight Version GPSR 圖 10 減 緩 SEU 效 應 的 設 計

60 鄭 竣 吉 林 辰 宗 陳 宗 麟 : 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 33 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略 電 源 模 組 3.0V 3.0 V RFFE SEL 偵 測 電 路 PWR 5V 3.3V 1.4V 3.3V 1.4V DSP SEL 偵 測 電 路 RST 電 源 重 製 電 路 CLR 3.3V 3.3V Interface SEL 偵 測 電 路 圖 11 減 緩 SEL 效 應 的 設 計 圖 1 SEL 電 路 做 動 時 序 圖 3.3 減 緩 SEFI 效 應 的 設 計 方 案 (SEFI Mitigation Design) SEFI 大 部 分 是 因 為 在 SEU 發 生 後 導 致 程 式 擷 取 錯 誤 的 資 訊 而 發 生 當 機 的 現 象, 而 潛 在 的 高 風 險 元 件 就 是 COTS 的 DSP 與 RFFE 在 Space-qualified GPSR 中, 雖 然 DSP 大 部 份 的 程 式 碼 已 經 移 到 高 可 靠 度 的 外 部 SRAM 中, 仍 有 部 分 程 式 碼 在 內 部 執 行 另 外,COTS RFFE 內 部 也 有 設 定 其 動 作 方 式 的 記 憶 體 所 以, 系 統 針 對 DSP 與 RFFE 增 加 了 三 個 Watch Dog Timer 的 輸 入, 並 由 FPGA 進 行 監 控, 系 統 示 意 圖 如 圖 14 所 示 當 發 生 SEFI 時, 系 統 會 進 行 電 源 重 置 (Power Recycling) Watch Dog Timer 輸 入 部 分 分 別 針 對 DSP 的 動 作 情 形 RFFE 的 動 作 情 形 以 及 RFFE 的 參 考 時 脈 輸 出 進 行 監 控 另 外,Space-qualified GPSR 有 雙 RFFE 的 設 計, 若 SEFI 發 生 在 RFFE 時, 系 統 在 下 次 開 機 時 會 自 動 切 換 到 另 外 一 個 圖 13 SEL 信 號 偵 測 與 電 源 重 置 時 序 圖 RFFE 4. 結 論 游 離 輻 射 測 試 結 果 驗 證 了 射 頻 前 端 模 組 在 游 離 輻 射 累 積 劑 量 在 50 krad 低 劑 量 率 以 及 游 離 輻 射 累 積 劑 量 在 100 krad 標 準 劑 量 率 的 的 這 兩 個 測 試 條 件 下,COTS 的 射 頻 前 端 模 組 能 順 利 的 存 活, 而 DSP 不 論 是 低 劑 量 率 或 者 是 標 準 劑 量 率 的 測 試 條 件, 游 離 輻 射 累 積 劑 量 在 50 krad 時, 其 功 能 並 無 明 顯 的 退 化 另 外, 在 Space-qualified GPSR 中, 使 用 高 可 靠 度 的 外 部 SRAM 雖 然 增 加 了 硬 體 處 理 時 間, 不 過 確 有 效 的 減 緩 SEU 效 應, 而 針 對 減 緩 SEL 與 SEFI 的 效 應, 也 提 供 了 對 應 的 設 計 方 案 來 減 緩 太 空 中 高 能 粒 子 輻 射 環 境 對 於 GPSR 的 影 響, 進 而 保 證 在 嚴 苛 的 輻 射 環 境 下, 使 用 部 分 COTS 電 子 零 件 的 Space-qualified GPSR 架 構 能 夠 應 用 在 長 時 間 的 低 軌 道 衛 星 任 務

61 34 航 測 及 遙 測 學 刊 第 十 九 卷 第 四 期 民 國 104 年 0 月 FPGA 數 位 信 號 處 理 器 WDT 數 位 信 號 處 理 器 SEFI 電 源 重 置 電 路 RST PWR RFFE A RF RST RFFE SEFI PWR RFFE B CLK CLK 時 脈 SEFI PWR PWR 圖 14 減 緩 SEFI 效 應 的 設 計 致 謝 感 謝 國 立 清 華 大 學 原 子 科 學 技 術 發 展 中 心 同 仁 在 此 次 游 離 輻 射 測 試 中 提 供 了 重 要 的 協 助 與 支 援 參 考 資 料 Avery, K., Jeffery Finchel, Jesse Mee, William Kemp, Richard Netzer, Donald Elkins, Brian Zufelt, David Alexande, 011, Total Dose Test Results for CubeSat Electronics, Radiation Effects Data Workshop (REDW), Las Vegas, NV, 5-9 July, 011, 1-8 Bogorad, A.L., Justin J. Likar, Stephen K. Moyer, Audrey J. Ditzler, Graham P. Doorley, and Roman Herschitz, 008, Total Ionizing Dose and Dose Rate Effects in Candidate Spacecraft Electronic Devices, Radiation Effects Data Workshop (REDW) Tucson, AZ, July, 008, Department of Defense, Dec. 1996, Tonizing Radiation(total dose) Test Procesure,MIL-STD-883G Method ESA,Oct. 010, Total Dose Steady-State Irradiation Method, ESCC Basic Specification No. 900 Hiemstra, D.M., 009, Single Event Upset Characterization of the TMS30C6713 Digital Signal Processor Using Proton Irradiation, Radiation Effects Data Workshop, Quebec City, QC, 0-4 July, 009, Hiemstra, D.M., Bojan Miladinovic, and Fayez Chayab, 005, Single Event Upset Characterization of the SMJ30C6701 Digital Signal Processor Using Proton Irradiation, Radiation Effects Data Workshop, Seattle, WA, July, 005, 4-45 Irom, F., 008, Guideline for Ground Radiation Testing of Microprocessors in the Space Radiation Environment, JPL Publication /08. Micorsemi, 01, Using Synplify to Design in Microsemi Radiation-Hardened FPGAs, Microsemi Corporation Application Note AC139 NASA, 1996, space radiation effects on electronic components in low-earth orbit, PRACTICE NO. PD-ED-158

62 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing Volume 19, No.4, February TID Testing and SEE Mitigation Approach of a Long Mission Life GPS Receiver Using COTS Parts Chun-Chi Cheng 1* Lin, Chen-Tsung Chen, Tsung-Lin 3 ABSTRACT Compared to conventional hardware GPS receivers (GPSR), software GPS receivers are more suitable for research and development. Software GPS receivers can be dynamically programmed in software to reconfigure the characteristics of GPS receiver and new algorithms can easily be integrated without changing the design of the hardware. However, the most important issue for this approach is the computational load. It can be solved by using the high performance state-of-art digital signal processor. The harshness of space environment, such as Total Ionizing Dosage (TID), Single Event Effect (SEE), always cast certain thread to GPS receiver intended for space applications. Common resolution to cope with this thread is the robustness of space grade EEE parts toward those effects along with the protection of circuit design. Nevertheless, the most of the state-of-art EEE parts are not space qualified. In this study, certain Commercial Off The Shelf (COTS) parts such as COTS level RF Front-End (RFFE) and Digital Signal Processor (DSP) along with single event effect (SEE) mitigation circuit design, are considered in the proposed GPSR design for their advantages, such as availability, performance, size, weight and lead time, over regular space qualified ones. Keywords: Hardware GPSR Software GPSR COTS RFFE DSP 1 Associate Researcher, Flight Control Division, National SPace Organization Received Date: Aug. 0, 013 Department of Mechanical Engineering Revised Date: Apr. 17, 014 Principal Engineer, Flight Control Division, National SPace Organization Accepted Date: Apr. 9, Professor, Department of Mechanical Engineering, National Chiao Tung University *. Corresponding Author, Phone: ext. 651, [email protected]

63 中 文 稿 件 投 稿 注 意 事 項 ( 英 文 稿 件 請 參 閱 下 頁 Author Guidelines) 本 學 刊 定 期 出 版 攝 影 測 量 及 遙 感 探 測 領 域 之 學 術 論 著 技 術 短 文 及 應 用 性 報 導 所 收 錄 之 稿 件 皆 須 通 過 本 編 輯 委 員 會 安 排 之 專 家 學 者 審 查 程 序, 並 由 通 訊 作 者 簽 署 著 作 權 讓 渡 書 作 者 可 自 行 聲 明 文 稿 屬 學 術 論 著 技 術 短 文 或 應 用 性 報 導 之 類 別, 但 本 編 輯 委 員 會 將 依 據 審 查 委 員 意 見 決 定 收 錄 文 稿 之 類 別 本 學 刊 不 接 受 已 經 刊 載 過 之 文 稿, 於 研 討 會 發 表 過 之 論 文, 經 適 當 增 補 其 內 容 者 為 例 外 投 稿 之 電 子 郵 件 信 箱 地 址 為 [email protected], 請 以 電 子 郵 件 附 件 方 式 寄 送 稿 件 之 WORD 檔 及 PDF 檔 各 一 份 為 便 利 編 審 作 業, 請 於 稿 件 PDF 檔 中 移 除 作 者 之 相 關 資 料 ( 如 姓 名 服 務 機 關 電 話 及 電 子 郵 件 信 箱 等 ) 稿 件 撰 寫 要 點 如 下 : 1. 頁 面 : 採 用 A4 規 格 頁 面. 字 體 :(1) 中 文 均 以 新 細 明 體 橫 式 打 字 ;() 英 文 均 以 Times New Roman 字 體 橫 式 打 字 3. 單 位 : 內 文 圖 表 及 符 號 中 之 度 量 單 位 皆 採 用 SI 公 制 單 位 4. 首 頁 : 首 頁 應 含 內 容 依 次 為 題 目 作 者 姓 名 摘 要 關 鍵 詞 及 作 者 服 務 機 關 及 職 稱 ( 置 於 頁 尾 ), 接 續 文 稿 內 文 5. 末 頁 : 末 頁 應 含 內 容 與 首 頁 相 同, 但 皆 以 英 文 書 寫 6. 題 目 : 論 文 題 目 宜 簡 明, 字 體 大 小 為 0, 英 文 題 目 每 字 第 一 位 字 母 以 大 寫 字 體 打 印 7. 作 者 : 作 者 姓 名 列 於 題 目 之 下 方, 字 體 大 小 為 14, 其 服 務 機 關 及 職 稱 以 尾, 字 體 大 小 為 1 8. 摘 要 : 摘 要 字 數 以 50 字 為 限, 字 體 大 小 為 1 9. 關 鍵 詞 : 列 出 三 至 五 個 關 鍵 詞, 字 體 大 小 為 1 1,, 上 標 編 號 註 記 於 頁 10. 章 節 及 標 題 :(1) 章 節 標 題 置 中, 編 號 一 律 為 阿 拉 伯 數 字, 如 1,,..., 標 題 字 體 大 小 為 18;() 小 節 標 題 靠 左, 編 號 一 律 為 1.1,1.,1.1.1,1.1., 字 體 大 小 為 內 文 : 內 文 之 長 度 ( 含 圖 表 ) 以 不 超 過 5 頁 為 原 則, 各 段 落 第 一 行 應 縮 排, 字 體 大 小 為 1 1. 數 學 式 : 所 有 數 學 式 均 須 標 式 號 於 圓 括 弧 內, 數 學 式 內 所 有 符 號 須 於 符 號 第 一 次 出 現 時, 應 於 數 學 式 下 方 逐 一 加 以 定 義 13. 圖 及 影 像 :(1) 圖 及 影 像 均 須 數 位 化 置 於 文 稿 中 適 當 位 置 ;() 所 有 圖 及 影 像 下 方 須 附 圖 流 水 編 號 及 說 明 ;(3) 本 刊 接 受 彩 色 圖 及 影 像, 但 紙 版 印 刷 一 律 採 灰 階 印 刷 14. 表 格 :(1) 表 格 均 須 數 位 化 置 於 文 稿 中 適 當 位 置 ;() 所 有 表 格 上 方 須 附 表 流 水 編 號 及 說 明 ;(3) 本 刊 接 受 彩 色 表 格, 但 紙 版 印 刷 一 律 採 灰 階 印 刷 15. 參 考 文 獻 :(1) 參 考 文 獻 應 列 於 文 末, 文 稿 中 未 直 接 引 用 者 不 得 列 入 ;() 先 排 列 中 文 參 考 文 獻, 再 排 列 英 文 參 考 文 獻, 其 他 文 字 參 考 文 獻 列 於 英 文 參 考 文 獻 之 後 ;(3) 中 文 參 考 文 獻 以 第 一 作 者 姓 名 筆 劃 順 序 排 列, 英 文 參 考 文 獻 以 第 一 作 者 之 姓 依 英 文 字 母 順 序 排 列 當 作 者 相 同 時, 依 發 表 年 代 排 列, 作 者 及 發 表 年 代 完 全 相 同 時, 依 日 期 在 年 代 後 加 以 a, b, c 順 序 第 一 作 者 姓 名 相 同 時, 先 排 列 單 一 作 者 之 參 考 文 獻, 其 次 為 多 作 者 文 獻 ;(4) 參 考 文 獻 之 格 式 如 下 列 : 期 刊 論 文 : 作 者 姓 名, 年 代 文 章 標 題, 期 刊 名 稱, 卷 數 ( 期 數 ): 起 始 頁 數 結 束 頁 數 書 籍 : 作 者 姓 名, 年 代 書 名, 出 版 者, 出 版 地 論 文 集 : 作 者 姓 名, 年 代 篇 名, 論 文 集 名 稱, 發 表 地 點, 卷 ( 期 ): 起 始 頁 數 結 束 頁 數 16. 參 考 文 獻 引 用 :(1) 作 者 為 一 人 時, 以 作 者 全 名 ( 中 文 文 獻 ) 或 姓 ( 英 文 文 獻 ) 及 發 表 年 代, 如 李 良 輝 (1991) 或 ( 李 良 輝,1991) Jones (1979) 或 (Jones, 1979);() 作 者 為 二 人 時, 以 二 作 者 全 名 ( 中 文 文 獻 ) 或 姓 ( 英 文 文 獻 ) 及 發 表 年 代, 如 施 學 延 及 陳 良 健 (011) 或 ( 施 學 延 及 陳 良 健,011) Jones & Smith (1979) 或 (Jones & Smith, 1979);(3) 作 者 為 多 人 時, 以 第 一 作 者 全 名 ( 中 文 文 獻 ) 或 姓 ( 英 文 文 獻 ), 之 後 加 等 ( 中 文 文 獻 ) 或 et al. ( 英 文 文 獻 ) 及 發 表 年 代, 如 ( 郭 寶 章 等,1976) 或 郭 寶 章 等 (1976) Jones et al. (1979) 或 (Jones et al., 1979);(4) 作 者 及 發 表 年 代 完 全 相 同 時, 依 日 期 在 年 代 後 加 以 a, b, c 引 用, 如 Jones & Smith (1979a) Jones & Smith (1979b)

64 Author Guidelines The Journal of Photogrammetry and Remote Sensing periodically publishes academic articles, technical short papers and application reports addressing topics in photogrammetry and remote sensing. Acceptance of submitted manuscripts for publication is based on a peer-reviewing process arranged by the editorial board. A manuscript will not be formally accepted until a copyright agreement is received. Although authors can indicate their submitted manuscripts belonging to one of the categories of academic articles, technical short papers or application reports, the editorial board will make the final decision based on the suggestions of reviewers. This journal does not accept any paper has ever been published, but a paper only published in conference proceedings and revised appropriately is an exception. The address for manuscript submission is [email protected]. Please send your manuscript in both WORD and PDF formats via attachments. In the WORD file, please provide author information. However, for blind reviewing, please eliminate author information in the PDF file. Instructions for authors to prepare a manuscript are as follows: 1. Typing format: Manuscripts should be typed single-column and double-space on A4 page size using font-type of 1pt Times New Roman. The pages should be numbered.. Units: Manuscripts must use SI (Metric) units in text, figures, or tables. 3. Cover page: The cover page should contain manuscript title, author names, abstract, key words, and author affiliations. 4. End page: The end page contains the same information as the cover page, but in Chinese. 5. Title: The title of the manuscripts should be concise and informative. Please use font size of 0pt and capitalize the initial letter of each word in the title. 6. Authors: Authors names (using font size of 14pt) are listed below the title, affiliations (using font size of 1pt) are listed at the end of the first page marked with 1,, Abstract: The abstract should be shorter than 50 words and typed using font size of 1pt.. 8. Keywords: Keywords (no more than 5 words) should be given and placed below the abstract. 9. Sections and Sub-sections: Section heading (using font size of 18pt) should be centered and numbered in 1, etc. Sub-sections (using font size of 14pt) are justified to the left in 1.1, 1., 1.1.1, 1.1. etc. 10. Paper length: Published papers are limited to 5 pages. 11. Equations: Type formulae and equations clearly in black and numbered in curved brackets. All symbols in equations should be clearly defined when they firstly appear in the manuscripts. 1. Figures and Tables: Figures and tables are numbered and described in short. When papers are accepted, original figures, tables, and photographs are expected for reproduction. Color figures and tables are acceptable in digital version, but they will be printed in gray levels in hard copies. 13. References: Only works cited in the text will be included. References should be cited in the text by giving the last name of the author(s) and the year of publication of the reference, such as Lee and Huang (1979) or (Lee and Huang, 1979). With three or more names use the form Huang et al. (1995) or (Huang et al., 1995) in the text. When two or more references have the same text identification, please distinguish them by appending a, b, etc., to the year of publication. References should include the complete title(s), the number of the volume and the page(s) of the information cited. References should be listed in alphabetical order, according to the last name of the first author, at the end of the paper.

65 Volume 19 No. 4 February 015 Journal of Photogrammetry and Remote Sensing (Special Issue on Remote sensing satellite) CONTENTS Introduction to the Special Issue Remote sensing satellite (Guey-Shin Chang) Regular Issue Papers Taiwan self-developed software Development for FORMOSAT-3 and FORMOSAT-7 (Cheng-Yung Huang, Kun-Lin Chen, Eddy Yang) 67 Assessing attitude effect of FORMOSAT-3/COSMIC satellite on orbit determination (Tzu-Pang Tseng, Kun-Lin Chen, Eddy Yang) 79 FORMOSAT-5 Satellite Verification and Validation (Jia-Jing Yeh, Pei-Yi Ho) 85 FORMOSAT- Stereo Acquisition Geometry and Image Geometric Accuracy (Shih-Chieh Chou, Chian-Chian Liou) 97 The Application of Big Satellite Image Data Platform (Sheng-Yun Yan, Chin-Yin Chen) 303 TID Testing and SEE Mitigation Approach of a Long Mission Life GPS Receiver Using COTS Parts (Chun-Chi Cheng, Lin, Chen-Tsung, Chen, Tsung-Lin) 313

66 第 十 九 卷 第 四 期 中 華 民 國 一 O 四 年 二 月 特 刊 引 言 國 家 太 空 中 心 遙 測 衛 星 II ( 張 桂 祥 ) 航 測 及 遙 測 學 刊 ( 國 家 太 空 中 心 遙 測 衛 星 II 專 刊 ) 目 錄 學 術 論 著 台 灣 福 衛 三 號 及 七 號 掩 星 觀 測 大 氣 參 數 自 主 程 式 發 展 ( 黃 成 勇 陳 坤 林 楊 善 國 ) 67 評 估 福 爾 摩 沙 衛 星 三 號 姿 態 對 軌 道 求 定 之 影 響 ( 曾 子 榜 陳 坤 林 楊 善 國 ) 79 福 衛 五 號 衛 星 系 統 驗 證 與 確 認 ( 葉 嘉 靖 何 佩 怡 ) 85 福 衛 二 號 立 體 取 像 與 影 像 精 度 ( 周 士 傑 劉 蒨 蒨 ) 97 衛 星 影 像 巨 量 資 料 儲 存 與 應 用 平 台 建 置 ( 顏 伸 運 陳 靜 盈 ) 303 使 用 部 分 商 規 零 件 之 長 任 務 周 期 太 空 級 導 航 接 收 機 的 游 離 輻 射 測 試 與 SEE 減 緩 策 略 ( 鄭 竣 吉 林 辰 宗 陳 宗 麟 ) 313