臺灣處在颱風侵擾頻繁的區域，若能提升對劇烈天氣的掌握程度，對於經濟、人身安全等都有非常大的幫助。然而現有的觀測手段，還遠不足以使我們完整掌握颱風從海洋深處誕生到靠近陸地的資訊，使得現有科技對於颱風的預報仍具有較大的不確定性。預計在2022年發射的獵風者衛星，能提供重要的海平面風場觀測資訊，進一步提升我們對颱風的強度及路徑預測研究。
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<h2>展現MIT自主研製衛星實力</h2>
一顆衛星從計畫誕生到發射，往往需要數年的開發時間。獵風者衛星計畫主持人林辰宗描述：「從一開始的定義任務、測試構想、設計酬載，還沒進入實際製作階段，大約就要花費一至兩年，不斷進行討論以及修正構想。實際製作衛星系統、開發任務酬載，大約又要再兩年。」歷經縝密的準備、開發階段後，為了確保衛星在太空中可以順利執行任務，太空中心會進行擬真環境測試。待各項測試通過之後，一顆衛星才能搭上火箭，前往設定的軌道開始執行任務。
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獵風者衛星原本屬於福衛七號任務的一部分。在最初的規劃中，福衛七號共有13顆衛星，前面12顆由臺灣與美國共同開發。由於希望在臺美合作過程中，進一步促進技術上的交流，因此規畫第13顆衛星交由臺灣自主研發。後來由於福衛計畫的演變，雙方只共同發射了前6顆衛星。這第13顆衛星，太空中心決定將其獨立出來，從衛星本體設計、運行的控制軟體到任務酬載，皆為臺灣團隊自行開發、製作。
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這第13顆衛星的主要目的是觀測海表面風場的分布，因此被命名為：「獵風者」。這個名稱是由國家太空中心透過公開遴選脫穎而得。而它的英文名稱「Triton」則是由前國家太空中心主任林俊良根據古希臘神話提出。林俊良教授說道，原先擬命名波賽頓(Poseidon)，也就是海神，但他發覺這個名稱已被1992年法國發射的衛星用掉了，而1972年著名的美國災難電影也以其命名片中郵輪，郵輪最後卻翻覆了，實在不吉利，因此想到了Triton。國立中央大學地球科學學院水文與海洋科學研究所錢樺教授分享道：「Triton是希臘神話中海神波賽頓的兒子，他是人身魚尾的形象。除了繼承象徵海神的三叉戟，還有一個海螺，每當他出巡時，便會吹起海螺揚起風浪。這個控制風浪的能力，便是獵風者衛星英文名稱的由來。」
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目前全球用來觀測風場的衛星，造價大約都至少是獵風者的數十倍。這些衛星配置微波發射與接收器，藉由比對發射與反射的訊號差異推知海面的訊息。但發射訊號是需要耗費能量的，而且技術較為複雜，因此衛星體積通常較大。那獵風者衛星便宜的祕密在哪？既然主要的開銷在於衛星上攜帶的微波發射器，那有沒有可能不要攜帶發射器，而是接收已經存在的訊號？答案是肯定的。其實在日常生活中，我們都籠罩在這樣的訊號之下。那便是GPS訊號，或者更準確來說是「全球定位衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）訊號」。獵風者衛星便是透過接收GNSS的反射訊號，來推估海面風速、風場的狀況。
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一顆衛星從計畫誕生到發射，往往需要數年的開發時間。從一開始的定義任務、測試構想、設計酬載，到進入實際製作階段，需要不斷進行討論以及修正構想。
國家太空中心「獵風者衛星」計畫主持人林辰宗
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<h2>GNSS訊號的資料處理與應用</h2>
GNSS訊號是由位於地表約2萬公里高的衛星星系所發射，生活中常見的應用是藉由直接接收數顆衛星的訊號，進行手機、汽車等工具的定位與導航，而GNSS訊號還可以被用在大氣研究。當GNSS訊號通過大氣時，由於不同地方大氣層性質不同，這些訊號會受到影響而折射。藉由比對折射與直射的訊號，便能回推大氣層的性質。這個技術被稱為「無線電掩星（radio occultation）技術」，是福衛3號跟福衛7號任務酬載所使用的技術。除了直射與折射，這些訊號也有可能打到地面後反射，經過比對反射訊號與直射訊號，便能回推反射面的性質，因此這個技術被稱為「GNSS-R（reflectometry）」。
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<h2>從導航訊號取得海面資訊</h2>
GNSS-R訊號的原理，可以從兩個生活經驗來理解：當我們在山谷吶喊，會聽到回聲。若山壁離我們愈遠，由於聲音走的路徑變長，回聲與發出聲音的時間間隔會加長。因此，我們知道反射面的距離，會影響訊號抵達時間的快慢；那如果反射面在移動呢？這時訊號會發生「都卜勒效應」（Doppler effect），又稱為「都卜勒偏移」，意指與波源具有相對速度的觀察者，觀察到的波動之頻率產生了變化。例如，當救護車通過我們身旁時，聲音感覺愈來愈尖；遠離時，聲音聽起來則逐漸低沉。其原理即為訊號源的運動情況，會改變訊號的頻率。GNSS-R訊號也是如此，以反射自海面的訊號為例，經過比較反射與直射訊號後，可以發現海面的高度會影響訊號的延時（delay），海面的波浪則影響都卜勒頻率偏移。這個處理過後的訊號，可以生成一張圖（map），每一個點代表不同位置海面的性質。因此這個結果被稱為「延遲-都卜勒映射」（delay-Doppler map, DDM）訊號。
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除了延時以及頻率的變化，反射面的粗糙程度也會影響反射訊號的強弱。國立成功大學電機系莊智清教授舉例道：「如同一道光打在光滑的鏡子與一片毛玻璃，反射回來的光強度明顯不一樣。」海面的粗糙程度，除了受到風浪影響，還會與海水的鹽度、導電性，甚至是海水中水珠、空氣分布不同等因素都有關。因此DDM訊號其實包含了非常多的內容，錢樺教授的團隊便要想辦法從中挖掘出更多資訊。
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<h2>搭載GNSS-R執行氣象科學任務</h2>
獵風者衛星其中一個重要任務，是提升臺灣對於極端氣候（如颱風）的預報能力。但獵風者衛星和現存其他測量風場的方式有什麼地方不一樣呢？目前主流觀測風場的方式有雲導風、散度計等。雲導風的概念是透過衛星觀測雲帶的運動，回推該處的風速、風向大小。這個方法對於中高層的大氣移動來說十分好用，但劇烈天氣由於雲況較為複雜，資料掌握有限。散度計則是利用衛星發射微波，透過分析海面反射訊號，以推算海面風場，概念與GNSS-R十分類似，但由於散度計使用的電磁波波段容易被水氣吸收，因此當下大雨時，訊號會較為不足。由於以上因素，傳統的遙測方式在劇烈天氣下獲取資訊的手段有限，要將偵測器直接放入颱風中又有損壞的風險。獵風者衛星因使用的電磁波段不同，具有較好的雲雨穿透性，使得它在劇烈天氣下也能獲得海表面的風場，這些可貴的資訊便能改善我們天氣預報的能力。
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此外，我們在看氣象預報常聽到的「雷達回波」，也是一種推測雲雨分布常見的遙測手段。它是利用設在地面上的雷達，向外發射訊號，藉由反射訊號來得知發射方向上水氣的分布。但由於雷達掃描角度的限制，較難獲得低海面的資訊；也由於訊號發射距離的限制，這種方式最多用於獲得2、300公里內的資訊。但對於颱風來說，遠海的資訊對於預測其發展、路徑十分重要，因此獵風者衛星提供的遠海表面風場資訊便能與傳統遙測手段互補。
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<h2>海面反射訊號在氣象數值的應用</h2>
氣象預報的進行方式，會從一組初始值出發，並藉由各種建構好的數值模型，使用超級電腦計算這些變數如何變化。就如同大家在國中時所學習的拋物線運動，在知道物體的初始高度、速度等資訊後，便能透過牛頓運動定律，對物體未來的軌跡進行準確描述。然而，天氣系統相當複雜，任何起始資訊的些微誤差，都會隨著預報時間的增長而迅速放大。這也是為何愈長期的預報，愈難準確。
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理論上來說，若能夠獲得愈多觀測資訊，當作數值模型的初始值，後續的預測便能更加準確。但是，觀測資料並不一定可以直接使用，還需要經過一個「資料同化」的過程，在觀測資訊與預報模型中搭上一個橋梁。國立中央大學大氣科學系楊舒芝教授比喻道：「氣象觀測結果可能是顆蘋果，數值模式輸出像是橘子。資料同化做的就是把蘋果捏一捏，塑型成橘子的樣子，才能夠互相比較，用觀測結果修正數值模型。」
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而獵風者衛星只獲得了海表面的風場資訊，是否就只能改善關於風向的預報？答案是：遠遠不只如此。由於氣象系統中，各種因素錯綜複雜，溫度、濕度等各式各樣的條件，都可能會對風速造成影響，導致預報的複雜性；但反過來說，當我們獲得了風速資料，也能夠回頭去修正氣溫、濕度這些資訊。甚至，即使獵風者號有時軌道沒有直接通過臺灣，只觀測到附近的風場，這些準確的數據，也能夠透過數值模式的這種特性，傳遞到臺灣的預報上。「所以，對於做氣象預報的人來說，任何觀測資料可以說『滴滴皆珍貴』。」楊舒芝教授如此解釋。
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<h2>獵風者衛星未來的展望</h2>
獵風者衛星主要設計的目標是偵測風場，改善我們對極端天氣的預報能力，但其實它所能做的遠不僅如此。若是GNSS訊號打到地面上，一樣會被反射，可以用來推算土壤裡面的含水量，因此也可以用在乾旱、灌溉等研究；打在冰原上，可以了解極地冰原面積的消長等，有許多潛在的可能應用。錢樺教授總結道，「獵風者衛星一個重要的目標，便是透過這一個小小的投資，使臺灣團隊可以取得第一手資料，將不同領域的人聚集在一起，在科學、各式應用上都能有所貢獻。」
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（客座總編輯 <a href="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/">|國立中興大學電機工程學系講座教授 林俊良教授</a>；研究顧問團隊 | 國立成功大學航空太空工程研究所特聘教授 苗君易、國家實驗研究院國家太空中心 黃楓台、中央研究院物理研究所 張元翰、國立中央大學太空工程與科學系所長 趙吉光；責任編輯 | 段芊卉、葉于甄）

獵風者衛星構型圖。圖片來源／國家太空中心

將整顆衛星放入大型熱真空測試艙，模擬太空真空且溫差變化劇烈的環境。圖片來源／國家太空中心