剖析臺灣太空中心

李嫣 徐強

制定太空科技計劃

與大陸科學家一樣，同屬中華民族的臺灣科學家也心懷飛天的夢想。早在上世紀70年代初，即中國大陸發(fā)射升空第一顆“東方紅”人造衛(wèi)星后不久，就曾有島內(nèi)專家學者向臺當局建議研制人造地球衛(wèi)星，一些高校內(nèi)的研究機構甚至還開始了探空火箭技術及衛(wèi)星研制方案的研討。但此建議一直遭到臺當局的擱置，因為以當時臺灣全年的科研預算，也不夠制造一顆小型衛(wèi)星。

到上世紀80年代，臺灣經(jīng)濟快速騰飛，能夠為科技發(fā)展提供良好的資金支持。同時面對大陸航天事業(yè)的突飛猛進，包括新建成的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心和太原衛(wèi)星發(fā)射中心，以及“長征”系列大功率運載火箭多次成功發(fā)射自行設計研制的返回式遙感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和技術試驗衛(wèi)星，并開始為國外一些部門提供搭載服務和國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務，這無疑給臺當局帶來極大刺激。

如今，世界各國越來越重視太空科技對于增強綜合國力、帶動高新技術群發(fā)展以及實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面的巨大牽引作用，紛紛確立和調(diào)整太空技術發(fā)展戰(zhàn)略，以此給各個方面的發(fā)展帶來新的機遇和變革。這種形勢使得臺當局逐漸產(chǎn)生希望通過太空科技的發(fā)展來全面提升島內(nèi)的科技水平，竭盡全力積極謀求自主研發(fā)衛(wèi)星的能力的想法。

80年代中期，臺當局先后提出了“五年衛(wèi)星發(fā)展計劃”、“發(fā)射衛(wèi)星計劃”、“太空衛(wèi)星計劃”、“通信衛(wèi)星發(fā)展計劃”等，但最后都因遇到各種各樣無法解決的困難而不了了之。80年代末，臺當局行政主管部門專門成立了“太空科技規(guī)劃委員會”，特地請美國TRW航天與電子系統(tǒng)公司太空技術部總裁戈爾登（Dan Goldin，后任美國航空航天局局長）來臺，要求其協(xié)助臺灣發(fā)展太空科技。

1989年，臺灣科技主管部門根據(jù)與戈爾登商討的結果，制定了為期15年的“太空科技發(fā)展長程計劃”，規(guī)劃一期工程到2006年結束，共投入150億元新臺幣，采用自主或合作方式研制并發(fā)射3顆“中華”系列人造地球衛(wèi)星，同時在臺灣中山科學院和中研院內(nèi)設立航空太空研究所，在“國防”大學、中央大學、成功大學、淡江大學、逢甲大學等設立與太空科技有關的院、系、所。

從1990年到1991年，臺灣“太空科技規(guī)劃委員會”與外商舉行多次會議，決定以6年的時間完成第1顆小型科學實驗衛(wèi)星的研發(fā)，但不涉及運載火箭研發(fā)及發(fā)射。此計劃一方面可結合那時在島內(nèi)已開展的太空科學研究計劃，另一方面可與國際太空科學研究接軌，以減低對外合作的阻力。1991年底，該計劃獲得臺灣行政主管部門批準。1992年開始設立太空計劃室籌備處，由徐佳銘擔任太空計劃室主任，美籍華裔科學家戴廣勛任科技顧問，邀請原在德國普朗克研究所工作的葉永烜回臺擔任太空計劃室首席科學家，主持第一顆衛(wèi)星的設計工作。此后，還陸續(xù)聘請20余位海外太空專業(yè)人才，分別在該籌備處擔任總工程師及總系統(tǒng)工程師等職務。這其中便包括曾在美國航空航天局戈達德太空飛行中心擔任研究員，后在阿拉斯加州立大學物理系及地球物理研究所任教，1995年回臺灣任成功大學理學院院長，1997年兼任太空計劃室首席科學家，2001年任太空計劃室主任的李羅權。

1994年12月，太空計劃室籌備處遷入新竹科學園區(qū)展業(yè)一路新址；1996年10月，衛(wèi)星整測廠房建設完工，開始設計研制“中華衛(wèi)星1號”，同時選拔多名島內(nèi)優(yōu)秀年輕科技人才，送到美、法太空科技機構進行培訓。

臺灣首次研制的“中華衛(wèi)星1號”為低軌道科學實驗衛(wèi)星，以地表遙測與高層大氣科學研究為主，載有電離層等離子及電動效應儀、海洋水色照相儀和Ka波段通訊實驗設備，分別進行三項實驗，其圖像分辨率為800米，設計壽命為2年。1994年4月，臺灣科技主管部門與美國TRW公司簽訂衛(wèi)星本體（也稱儀器平臺）制造協(xié)議；同年12月，與美國聯(lián)合訊號工程公司簽訂地面系統(tǒng)協(xié)議；1995年5月，與島內(nèi)科研機構及廠商簽訂5項臺灣自產(chǎn)元件協(xié)議。1997年5月，“中華衛(wèi)星1號”本體自洛杉磯運抵島內(nèi)進行整體測試，同年10月完成衛(wèi)星本體與三項載荷性能測試，1998年1月完成衛(wèi)星系統(tǒng)整合測試。

1999年11月27日，臺灣參與設計、制造和測試的第一顆人造衛(wèi)星在美國卡納維拉爾角發(fā)射升空。但由于配套的地面接收系統(tǒng)遲遲未取得美國核發(fā)的“高科技輸出許可證”，衛(wèi)星在太空軌道漫無目的地運行了3個多月。隨后，衛(wèi)星又出現(xiàn)了系統(tǒng)天線幾何精度不符合設計需求、零部件故障導致地面訊號無法傳送到衛(wèi)星等一系列棘手狀況。因各種故障不斷，且發(fā)生故障的地面設備動輒就要送回美國原廠檢修，所以直到2000年6月衛(wèi)星升空近一年半時，其地面通訊實驗系統(tǒng)仍未完成最后驗收，最后因電力耗盡而變成太空垃圾。

再接再厲

盡管“中華衛(wèi)星1號”計劃完成得并不理想，臺當局仍決意按著1991年出臺的長程計劃繼續(xù)走下去。根據(jù)“太空科技發(fā)展長程計劃”，再次研制的“中華衛(wèi)星2號”衛(wèi)星由太空計劃室與國外有經(jīng)驗的人造衛(wèi)星廠商合作，共同研制，并進行組裝測試，而島內(nèi)廠商也參與研制其中部分元件。該衛(wèi)星將以氣象及太空大氣觀測為主。除了擔負太陽物理科學探測任務外，也肩負海洋水色的探測以及衛(wèi)星通信的實驗任務。

這一時期，臺灣科技主管部門給予太空計劃室的經(jīng)費支出約每年24億元新臺幣，相關研發(fā)人員約160人，參加“任務導向研究計劃”的島內(nèi)大學和研究機構有10余家。1999年初，“國科會”與德國一家公司簽約，后者原本答應為其提供“中華衛(wèi)星2號”的平臺及配套的高清晰度太空攝像機。但因高清晰度太空攝像機被視為軍事敏感技術，僅僅半年后，德國聯(lián)邦安全會議就決定暫緩核發(fā)“中華衛(wèi)星2號”有關設備的高科技輸出許可證。

無奈之下，臺灣科技主管部門只有另尋賣主。1999年12月，法國的馬特拉公司答應了臺灣科技主管部門的請求，決定承接“中華衛(wèi)星2號”的技術出口合同，并取得了法國政府的高科技輸出許可證。因此，臺灣“中華衛(wèi)星2號”上便可以裝有由歐洲的阿斯特留姆（Astrium）公司制造的高清晰度太空攝像機，可從太空中拍攝地球陸地和海洋的衛(wèi)星影像，其圖像解析度要比法國“斯波特”（Spot）民用觀測衛(wèi)星高5倍。此外，衛(wèi)星上的高空大氣閃電探測儀由臺灣和美國大學大氣研究聯(lián)盟（UCAR）合作研制，衛(wèi)星上的太陽傳感器、S波段天線等由臺灣6家公司利用阿斯特留姆公司轉(zhuǎn)讓的技術設計制造，整星在臺灣進行組裝和測試。2004年5月，經(jīng)過數(shù)度延期發(fā)射的“中華衛(wèi)星2號”（2005年臺灣陳水扁當局為突出臺獨色彩，將其改名“福爾摩沙衛(wèi)星2號”，簡稱“福衛(wèi)2號”）發(fā)射升空，共耗資46億元新臺幣。

“福衛(wèi)”2號的技術全部來自法國公司，但主要部件中有一部分由臺灣島內(nèi)研究機構和企業(yè)生產(chǎn)。衛(wèi)星形狀為六角柱形，高2.4米，外徑約1.6米（太陽電能板未展開時），質(zhì)量為760千克（包括載荷及燃料），軌道傾角45度，繞行地球軌道周期為103分鐘，衛(wèi)星位于太陽同步軌道，軌道高度為891公里，每日通過臺灣上空兩次。衛(wèi)星攜帶的遙測照相儀，對地面遙感圖像分辨率最高可達2米，影像拍攝刈幅為24公里，側(cè)視角范圍為45度，可進行立體攝影。另一科學載荷大氣閃電探測儀，共觀測到高空短暫發(fā)光現(xiàn)象1萬多次。

“福衛(wèi)3號”（原名“中華衛(wèi)星3號”）不是單一衛(wèi)星，而是由6顆微衛(wèi)星組成，每顆重約62千克，外型呈扁圓柱形，在近地軌道構成一個星座，也稱“氣象、電離層及氣候觀測星系”。由于臺灣周圍被海洋包圍，氣象復雜多變，且對氣象氣候的地基觀測非常有限，因此臺當局希望能夠發(fā)展天基觀測手段，建立全球氣候?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)。

該衛(wèi)星由臺灣太空中心（即原太空計劃室）與美國大學大氣研究聯(lián)盟（UCAR）合作研制，項目總經(jīng)費約1億美元，其中臺灣出資約8000萬美元，美方出資約2000萬美元。臺方主要負責系統(tǒng)工程、衛(wèi)星集成與測試、地面系統(tǒng)以及任務操作等，美國UCAR負責有效載荷控制中心和基準網(wǎng)工作的建設以及研制主要衛(wèi)星載荷等。

“福衛(wèi)3號”衛(wèi)星的有效載荷有3個，它們分別是全球定位系統(tǒng)氣象測量儀、小型電離層光度計和三頻段信標儀，負責接收美國GPS衛(wèi)星的L1及L2頻段信號，然后利用無線電掩星觀測技術，由信號電波傳播電離層和大氣層的影響發(fā)生的傳播時延，來推算給出電離層和大氣層的相關資料，進行天氣預報和氣候監(jiān)測；此外，還可接收電離層中激發(fā)態(tài)的氧原子與自由電子結合時所輻射出的電磁波強度，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后可以得到衛(wèi)星對地方向的電離層電子密度總量，并可推算電離層電子密度場和總電子含量。

2006年4月15日，美國軌道科學公司（OSC）利用“金牛座”火箭從范登堡空軍基地將“福衛(wèi)3號”星座發(fā)射升空，分布在距地面700～800千米高處的72度傾角軌道上，可接收美國GPS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)出的信號。該衛(wèi)星系統(tǒng)設計壽命5年，前2年進行氣象科學實驗，后3年提供即時氣象預報資料?！案Ｐl(wèi)三號”衛(wèi)星的觀測范圍包括全球大氣層及電離層，每天提供均勻分布全球的2500個觀測點的實時氣象數(shù)據(jù)，約每3小時即可完成全球氣象資料的搜集及計算分析，約每100分鐘更新數(shù)據(jù)1次。

然而發(fā)射后不到一年就又出現(xiàn)異常，其中1顆微衛(wèi)星突然失聯(lián)，歷經(jīng)月余搶救無效后被宣告“死亡”只是時間問題，另外兩顆也因電力系統(tǒng)受損而影響正常運作。

成立太空中心

2002年12月，臺當局批準了科技主管部門制定的“第二期太空科技發(fā)展長程計劃”（2004—2018年），全程為15年，包括次軌道科學實驗計劃、尖端衛(wèi)星科技研發(fā)計劃、寬帶通訊衛(wèi)星計劃、遙測衛(wèi)星計劃、自主發(fā)展微衛(wèi)星計劃及國際合作計劃等6個分項計劃，由太空中心負責衛(wèi)星本體主承包商的責任，并整合島內(nèi)研究團隊，執(zhí)行尖端衛(wèi)星科學研究計劃，建立自主研發(fā)衛(wèi)星先進技術及酬載儀器的能力，及協(xié)助島內(nèi)大專院校研究機構設計自制邊長10厘米的立方體、總重約843克的微型衛(wèi)星（蕃薯衛(wèi)星）等，計劃發(fā)射5顆微衛(wèi)星和10至15枚探空火箭。

2003年，原附屬臺灣科技主管部門的太空計劃室改制為財團法人“國研院”所屬太空中心，主要任務為建立臺灣自主太空科技實力，滿足社會民生的需求，推動尖端太空科學研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，該中心迄今已經(jīng)建立完成完整的太空科技發(fā)展基礎設施，包括衛(wèi)星整測廠房、地面操控系統(tǒng)、影像處理系統(tǒng)和衛(wèi)星研發(fā)實驗室等核心設施，并且籍由衛(wèi)星計劃的推動與執(zhí)行，成為臺灣產(chǎn)學界發(fā)展太空科技的整合平臺。

該中心現(xiàn)有3個行政功能組，以及“福衛(wèi)5號”計劃室、“福衛(wèi)7號”計劃室、綜合計劃室，以及衛(wèi)星影像組、衛(wèi)星操控組、飛行控制組、衛(wèi)星機械組、衛(wèi)星電機組、品質(zhì)保證組、系統(tǒng)工程組等7個技術功能組，共有工作人員194人，研究方向包括：衛(wèi)星系統(tǒng)工程、衛(wèi)星本體技術、光學遙測酬載、衛(wèi)星任務操作、遙測影像處理技術，年收入約13億元新臺幣。

由于各種原因，研制“福衛(wèi)4號”和“福衛(wèi)6號”的工作最終取消，近年來該中心主要開展“福衛(wèi)5號”對地光學遙測衛(wèi)星的自主研制工作，并與“國研院”儀科中心、晶片中心及島內(nèi)研究機構和企業(yè)共同合作開發(fā)解析度黑白2米、彩色4米的遙測關鍵技術及元件，自主完成衛(wèi)星電腦（CDMU）及電力控制與分配單元（PCDU）工程體的功能與環(huán)境測試、飛行軟件新版本設計發(fā)展與驗證、衛(wèi)星工程發(fā)展體的電力次系統(tǒng)控制功能驗證等工作。

目前，“福衛(wèi)5號”已完成元件制造測試和組裝階段。該衛(wèi)星重450千克（含載荷及燃料），形狀為八角柱形，高2.8米，外徑約1.6米，儀器載荷包括CMOS光學遙測酬載和先進電離層探測儀，其圖像分辨率為黑白2米、彩色4米，影像拍攝刈幅為24公里，側(cè)視角范圍為45度，將接替“福衛(wèi)2號”的探測任務，位于距地720公里高的軌道，每兩日通過臺灣上空一次，設計壽命5年以上。原本按照計劃，在2016年2月發(fā)射升空，后因故推遲到下半年。

此外，臺灣太空中心還與美國方面合作研制“福衛(wèi)7號”全球氣象衛(wèi)星，包括美國提供的12顆衛(wèi)星及1顆臺灣自主研制的衛(wèi)星，用于接替“福衛(wèi)3號”星系的任務。由該中心負責系統(tǒng)整合、衛(wèi)星本體、任務操作等，美方則由美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）作為代表，負責提供任務載荷、發(fā)射載具、地面站、資料處理等。目前已完成“福衛(wèi)7號”星座任務系統(tǒng)設計及衛(wèi)星系統(tǒng)設計，并開始自主研制關鍵導控元件，如太空級光纖陀螺儀、GPS導航接收機雛形體、衛(wèi)星電腦及電力控制與分配單元工程體等。同時，成立一個由太空中心、臺洪中心與島內(nèi)研究機構共同所組成的GPS掩星資料處理團隊，開展系統(tǒng)分析與先期工作。

該中心自主設計、制造、組裝及測試的臺灣首個太空級全球定位系統(tǒng)導航接收機，可在極短時間內(nèi)鎖定衛(wèi)星訊號、提供導航資料，位置精度優(yōu)于8米，速度精度優(yōu)于0.05米/秒且訊號追蹤回路具備高動態(tài)特性，適用于高精度、長時間操作的整合型慣性導航系統(tǒng)。此接收機將搭載于臺灣自主研制的“福衛(wèi)7號”衛(wèi)星，因性能優(yōu)異且成本不高，具備進軍國際太空元件市場的潛力。

其他任務

早期臺灣太空科技計劃本不包括發(fā)展運載火箭技術，但在1997年4月臺灣成功大學召開“太空探空科學與技術發(fā)展座談會”后，開始啟動探空火箭計劃。同年9月，“太空計劃室”委托“中山科學院”研發(fā)“探空1號”探空火箭，于1998年12月試飛成功，未搭載任何載荷。2001年10月，搭載科學載荷的“探空2號”火箭發(fā)射后，因二級火箭在空中出現(xiàn)故障而失敗。隨后，“探空3號”和“探空4號”分別于2003年和2004年12月發(fā)射成功，尤其“探空4號”是臺灣地區(qū)第一枚搭載商業(yè)載荷的探空火箭，也是臺灣首枚完全自主研發(fā)制造的火箭。

2011年，太空中心先后進行了兩次探空火箭飛行試驗，成功挑戰(zhàn)1.3萬米新高及驗證通訊傳輸能力，完成探空科學研究、太空規(guī)格元件驗證及火箭科技提升等計劃目標。2013年6月“探空8號”火箭在南部九鵬基地發(fā)射升空，完成過氧化氫單基推進器、科學儀器回收艙2項實驗。其中，過氧化氫推進器采用由島內(nèi)自主研發(fā)的推進技術，經(jīng)此次試飛驗證成功后，將運用于“福衛(wèi)7號”自主衛(wèi)星，使臺灣突破外國技術管制的限制，掌握關鍵推進系統(tǒng)技術，縮短開發(fā)時程與節(jié)省經(jīng)費。

臺灣的衛(wèi)星配套設施主要包括衛(wèi)星影像接收站和衛(wèi)星影像處理系統(tǒng)。目前臺灣軍、民用衛(wèi)星影像接收站主要有3處：中央大學衛(wèi)星影像接收站是臺灣最早設立的衛(wèi)星影像接收站，歸屬于中央大學太空及遙測中心；“國防部”林口衛(wèi)星影像接收站，已于2003年啟用；臺灣太空中心新竹衛(wèi)星影像接收站，系位于新竹科學園區(qū)的一座X波段天線系統(tǒng)。

此外，該中心還在利用“福衛(wèi)2號”衛(wèi)星遙測影像資料，對島內(nèi)外災害事件如2011年南瑪督臺風、艾莉臺風、蘇花公路崩塌、日本311大地震、泰國水災及美國新墨斯哥州山火等進行調(diào)查，協(xié)助相關部門全力開展救防災決策與相關工作。

臺灣科學研究團隊利用“福衛(wèi)3號”的電離層觀測資料，首次完整觀測全球電離層電子濃度三維結構與變化，建立世界第一個全球電離層天氣監(jiān)測與預報同化模式。經(jīng)過計算，使用“福衛(wèi)3號”的同化資料，可以改善衛(wèi)星定位誤差4%，相當于高度修正量達12厘米，水平修正量達數(shù)十米，未來可應用于通訊、定位、導航的品質(zhì)與準確度的評估和改善。由于惡劣太空天氣會造成電離層電波強度和傳播路徑的急劇改變，該研究團隊也首次建立完整全球閃爍指數(shù)經(jīng)驗模式，可對全球惡劣太空天氣提出預警。

總體而言，太空事業(yè)的發(fā)展是臺當局及科技主管部門近年來十分重視的領域，目前正在努力通過其在太空領域的對外合作擴大國際影響，謀求與其他國家建立密切關系。其中，“福衛(wèi)”系列衛(wèi)星是島內(nèi)科技計劃中最引人注目的項目，它們都由美國為其發(fā)射，并且還得到了日本、德國、法國等國家的幫助，其目的是把維持與美國的軍事合作視為抗拒統(tǒng)一、穩(wěn)定政權的“靠山”，同時還把與其它“非邦交國”的太空科技合作視為打破所謂“外交壁壘”的重要工具。

此外，太空科技的發(fā)展是全面提升島內(nèi)科技水平的重要龍頭，臺當局正試圖通過與其他國家聯(lián)合研發(fā)衛(wèi)星系統(tǒng)，謀求獨立研制和發(fā)射衛(wèi)星的能力，擺脫太空技術受制于人的局面，并希望進一步帶動相關高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。