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逆風而上 展翅再飛!福衛五號光學遙測酬載自主研製完成

福衛五號遙測取像儀正進行例行性結構檢查。

光學遙測酬載是福爾摩沙衛星五號(簡稱福衛五號)的主要任務酬載,將於720公里高的太陽同步軌道對地球表面取像,可提供地面解析度2公尺註1的黑白影像,以及解析度4公尺的彩色影像。取得之高解析度影像可應用於國土安全、環境監控、防災勘災、科技外交、科學研究等政府施政與民生用途。

為了擺脫國際的出口管制、提升我國衛星科技自主能量及掌握遙測衛星關鍵技術,國家實驗研究院太空中心於2010年整合同屬國研院之儀器科技研究中心與晶片系統設計中心,以及國家中山科學研究院、漢翔航空工業公司、微像科技公司與鑫豪科技公司等產學研單位,成立福衛五號光學遙測酬載團隊,決心自主發展福衛五號光學遙測酬載。

光學遙測酬載主要由「遙測取像儀」、「聚焦面組合件」與「電子單元」等三個次系統所組成。遙測取像儀是一顆大型太空級望遠鏡頭,使用的光學架構為折反射式的卡賽格林式望遠鏡(Cassegrain telescope),其中最大的主鏡片直徑達45公分,是國內所製造之最大型非球面鏡片。光學遙測酬載於720公里高的任務軌道上,地表所反射的太陽光進入遙測取像儀,依序被主鏡與次鏡反射後穿過修正透鏡,最後聚焦成像於聚焦面組合件的影像感測器上,再轉換成數位電子訊號。

福衛五號光學遙測酬載由遙測取像儀、聚焦面組合件與電子單元等三個次系統所組成。

聚焦面組合件的核心為一互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)影像感測器註2,由國研院太空中心與微像科技合作研發設計,長寬分別為12公分與2.4公分,含有5條長達12公分的線型感測器列,搭配多光譜濾光片後,可以同時感測5個不同光譜波段的影像,產生各種光譜的組合,以滿足遙測不同的應用,是全球第一顆應用於太空對地遙測的線型CMOS影像感測器。光學遙測酬載的電子單元則負責擷取聚焦面組合件拍攝的數位影像,進行影像壓縮、儲存和加密後,透過X波段通訊系統下傳至地面接收站。

由國研院太空中心與微像科技合作研發設計,全球第一顆應用於太空對地遙測的線型CMOS影像感測器,長12公分寬2.4公分。

前瞻整合科技 頂尖工藝成就

光學遙測酬載將在太空中執行任務,有別於一般於地面使用的數位相機,必須能夠承受運載火箭發射時的劇烈震動及太空中的極端溫度環境,且能維持極精密的光學成像品質。國研院太空中心在過去20年所累積太空科技的深厚基礎上,結合國內產學研單位,整合光學、結構、熱控與電子等專業技術,跨領域進行光學遙測酬載的分析、設計、製造、組裝、整合與測試,完成首枚100%台灣製造的光學遙測酬載。

福衛五號光學遙測酬載完成多層絕熱膜包覆。

光學遙測酬載的結構大量使用碳纖維複合材料與鈦合金等特殊材料以減輕重量,並採用特殊之膠合技術,使其能承受火箭發射時最大值為25G的加速度,且進入太空的任務軌道後,仍能保持所有光學組件極精確的定位,確保光學成像品質。

光學遙測酬載外表包覆著特殊的多層絕熱膜,以抵擋太空中極端的溫度變化;內部配備著多達51顆溫度感測器及39片加熱片,用以調控內部溫度於20±2℃的最佳操作溫度,確保光學成像品質與電子電路系統的安全運作。

國研院太空中心的福衛五號光學遙測酬載自製團隊於2010年1月成軍,經歷重重難關與技術瓶頸,於2012年7月完成光學鏡片的製造與驗證,2014年1月完成遙測取像儀的組裝、光學調校與測試,2015年3月完成聚焦面組合件與電子單元的組裝與校準,並通過全部的光學性能測試。至此,光學遙測酬載終於全部完工,現已組裝於福衛五號衛星本體上。

左:工作人員進行光學遙測酬載吊掛準備與與衛星本體組合;右:光學遙測酬載與福衛五號結合。

福衛五號目前正在進行最後階段的系統測試工作,預定於2015年底完成所有衛星測試作業,隨即啟程運往美國加州范登堡空軍基地,預定於2016年第一季發射升空,執行觀照全球、守護台灣的任務。

福衛五號光學遙測酬載的研發完成,顯示國研院太空中心已掌握了太空級光學系統與CMOS影像感測器等多項關鍵衛星技術,奠定了我國自主發展光學遙測酬載的技術能量,除充分展現我國產學研界跨領域的整合能量外,更落實運用台灣產業優勢加值太空計畫的願景目標。展望未來,太空中心將秉持逆風而上展翅再飛的精神,持續勇於面對挑戰,結合國內產學研界,厚植我國太空科技創新與技術升級之研發能量,為下一階段的任務努力以赴。

備註:

【註1】解析度2公尺的定義是,在遙測影像中,一個數位影像的像素,對應地表上2公尺x 2公尺大小的面積。
【註2】為何國研院太空中心要採用CMOS,取代傳統用於遙測酬載的電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)?

答:太空遙測用的CCD技術完全掌握在外國企業手上,不僅採購單價高,還有輸出許可的限制,這對國研院太空中心自主發展遙測技術而言,是必須從根本上打破的藩籬。太空中心的目標不只是要突破外購的困境,更要積極掌握技術自主權,在這前提下,與其跟隨在外國技術腳步之後,不如結合台灣半導體優勢,採取不同策略。

CCD已在數位影像感測領域使用30年,相關技術非常成熟;然而隨著半導體技術的發展,商用CMOS市場逐年擴大。CMOS具有成本低、省電、訊號傳輸快速的優點,缺點則是雜訊較高。一般認為,未來除了極少數特殊需求外,CMOS將取代CCD成為主流。

可是在太空遙測領域,目前國際上卻僅有少量、低解析度的CMOS影像感測器,主因應是以CCD為主的外國企業,背負著成熟技術和傳統使用者需求的包袱,無法立即有效地轉換跑道。這讓太空中心有機會結合台灣堅強的半導體工業,研製出領先國際的太空遙測用CMOS影像感測器。以福衛五號黑白2公尺、彩色4公尺的解析度而言,CMOS的效果已幾乎不遜於CCD,未來在太空市場具有相當高的競爭力。

整體而言,太空中心採用CMOS技術是在策略、技術、未來性與競爭性各方面綜合考量的結果。突破困境、技術自主的目標固然不是一蹴可及,但太空中心全體同仁相信,只要努力,就一定會有收穫。

更新日期:2015 年 5 月 19 日