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台海观察:难掩军事野心——透视台湾太空计划

http://jczs.news.sina.com.cn 2004年08月27日 09:56 华夏经纬网

  多次延迟发射的“华卫”2号遥测卫星终于在5月21日于美国加州范登堡空军基地发射场成功发射,6月4日下传第一张影像,再度为台湾太空计划立下一个里程碑。表面上,“华卫”2号升空扩大了台湾太空科学研究领域与能力,不过台面下“华卫”2号也是台湾太空计划跨入军事应用的重要一步,换言之,“华卫”2号已再度为台湾攻占个太空新高地。

  台湾的太空计划

  台湾太空计划开始于1991年10月“行政院院会”通过“国家太空科技发展”,同时成立“国家太空计划室筹备处”,作为台湾15年太空计划的执行单位,目的在借助“太空计划室”业务组织的推展,建立大型高科技系统整合能力,以奠定太空科技发展基础,并塑造未来在国际太空市场及应用产业上有利的竞争资源。

  台湾太空科技展远程计划(简称15年计划),以建立太空科技基础架构和系统工程能力为首要目标,计划以卫星本体及其应用技术的研究为主,带动相关的基础及应用科学研究为辅。预计在15年内发展台湾太空计划所需的组织和技术、培育太空计划所需的人才资源、研制及发射不同任务与轨道的卫星、建立并运用资源卫星接收站,建立具有遥传、追踪及指令能力的地面站,同时提供台湾特定卫星应用,及各种太空科学实验所需的支援,并且建立岛内外太空领域的合作研究关系。

  表面上,太空计划是由“国科会太空计划”主导,与“国防部”、中山科学院等军方单位完全沾不上关系,不过从50年代初期美苏展开太空竞赛至今,太空科技可说就是“军民一体”,甚至“先军后民”,这个现象到今天仍未曾改变。所以太空科技并不会因由“太空计划室”负责,就可完全摆脱军事色彩,“军民科技一线间”在太空科技上更显露无遗,美国全球定位系统(GPS)就是最佳例子,军民根本共用同一系统,差别只在接收的信号精度而已。

  民皮军骨的“华卫”2号

  “华卫”2号主要任务为“遥测”目的在获得台湾陆及附近海域近实时(nerar real-time)的卫星影像资料,即使打着科学研究名义,“华卫”2号仍具有民皮军骨的特性。什么是遥测?用最通俗的字眼解释就是“照相”,换言之,“华卫”2号的主要任务就是从太空对地表拍照,这也是“华卫”2号民皮军骨关键之所在。“华卫”2号从太空拍摄的地表影像,只要包含军事设施,就是“影像情报”因此“华卫”2号具有军事用途,是无庸置疑事实。

  “华卫”2号轨道高891千米,属太阳同步轨道。影像对地解析度全色态(黑白)影像2米,多频谱(彩色)影像8米,对地相幅宽24千米,任务寿命5年。“华卫”2号每日绕地球飞行14圈,地面轨迹将通过澎湖和台湾本岛中间。每天经过台湾两次,第一次为上午10点,可拍摄台湾地区8分钟,第二次为晚上10点,可用来下载资料。

  “华卫”2号虽然黑白影像解析度与军方掌有部分区域控制权的以色列商用影像卫星EROS-A1相当,但它最特别之处是可以改变卫星本体前后仰角(俯仰角上下45度,滚动角左右45度),即具有倾斜摄影能力。由于人造卫星系依循轨道进行周期运动,帮卫星须经一定时间间隔才能返回特定区域上空,进行重复摄影。卫星若具有倾斜摄影能力后,就可在卫星正下方一定距离范围内,选取特别有举的目标区域进行重复摄影。因此就监测应用而言,倾斜摄影能力可有效降低重复摄影的时间间距。此外,当相邻轨迹间距远大于影像幅宽时,倾斜摄影能力可以增进可观测区域范围。

  “华卫”2号在天候许可的情况下,一次经过可拍摄四个紧邻宽24千米的影像条,以涵盖台湾全岛,能得到相当完整的台湾本岛影像。这意味着“华卫”2号影像可以同时涵盖宽度近百千米的大规模区域,因为一般影像就像是一条长带子,地面涵盖南北可达数千千米,但宽度大约只有10—20千米宽,较难掌握横向的区域目标,因此“华卫”2号影像这种可涵区域大的特性用于军事上,将有助于部队运动的追踪。

  另外,在资料应用方面,运用倾斜摄影能力,可在轨道不同位置对地表同一区域进行摄影,以获取立体影像资料,而由立体影像资料可进一步推演得到地表地形高度。这个功能可提供最新地形地貌资料,供地图制作使用,并可用来制作数据地形模型(DTM),还可进一步作为地理资讯系统(GIS)的基本图档资料,制成电子地图加以应用,这些资料再经处理后,更可发展成“飞行模拟”系统,可用于战机训练,或者用于巡航导弹的地形对比系统。

  此外,地表物反射电磁波能力时,在各方的反射强度常有所不同,该性质称为双向反射特性。运用倾斜摄影能力,可测量出特定地表区域或地表物双向反射一般特性,进而推估地表物的可能性质。运用在军事上,意味着“华卫”2号可运用倾斜摄影能力,分辨出地表物是否被施以伪装,破解敌人隐匿目标,防止误导已方侦察的意图。

  具有即时全球气象观测能力的“华卫”3号

  不同的气象条件及变动的大气环境,对高科技武器装备、作战人员、作战行动乃至整个作战进程都有不同程度的影响。无论是战略部署、战斗时机乃至作战思想与战法运用,都间接地受到大气环境因素的约制。掌握气象动态,无论是积极地创造或消极地运用“利于我而不利于敌”的时机都有十分重要的意义。

  由于台湾目前还没有拥有自主的军用甚至民用气象卫星,因此也局限了气象预测的即时性和准确性,不过未来的“华卫”3号计划将可以弥补这个缺憾,可大幅度提升军方对大区域气象动态的掌控能力。“中华卫星”3号计划是一个大型台美双边合作计划,由双方官方授权,由“太空计划室”与美国大学大气研究联盟“UCAR”共同合作执行,以建立全球大气即时观测网的先进技术发展计划,又称为“气象、电离层及气候之观测卫星”(Constellation Observing System for Meteorology、lonosphere and Climate),简称为ROCSAT-3/COSMIC计划。

  “华卫”3号的系统规划分为4部分:分别是空中系统、地面系统、发射系统及任务操作中心系统。预定于2005年年底一次发射6颗微卫星,每颗卫星总重约70千克(含燃料),其中卫星本体约重50 千克,至倾角72度,每两颗卫星相距22.5度,高度为800千米的圆形轨道,组成低轨道微卫星星系系统。地面接收站分别设在台湾中坜和台南、美国阿拉斯加州的Fairbanks及瑞典的Kiruna。

  “华卫”3号的科学任务是利用装于卫星的全球定位系统(GPS)接收器接收24颗GPS卫星信号,在传播时由大气层所造成的折射角来推算大气温度、压力及水蒸汽,进行即时全球气象预报。观测范围涵盖全球大气层及电离层,每天提供全球平均2500点的输入资料值,这些资料均分布于全球,且约每3小时可完成全球气象资料搜集及计算机分析,约每90分钟更新一次。“华卫”3号的设计寿命为5年,任务寿命至少2年。

  “华卫”3号计划完成后,不仅提高气象预报更新的频率,使气象报告更具效益外,在天气预报与气象研究方面,可在3小时内提供各研究机构包含温度、气压、湿度以及降雨量的全球观测资料。还可进行局部地区的暴雨和大雨的预报研究,包括台湾地区的梅雨锋面研究,并提供台风三维温度、气压、水气分布资料,同时还可进行台风路径和降雨模式预报研究。这些气象研究最重要的军事用途,就是军方可以通过这些研究资料发展出适合台海作战需求的数值天气预报模式及作业机制,使军方能精准的掌控天气变化。

  太空计划衍生科技军事用途

  高解析卫星相机

  由于商用影像卫星配置的高解析度照相机具军事用途,各国对此均加以管制。像“华卫”2号配置的德国道尼尔公司制造的高解析相机,因解析度达2米,输出时就曾引发大陆抗议。卫星用的高解析相机精密度要求甚高,尤其是所使用的光学镜片;即使在先进国家,研制卫星相学镜片;即使在先进国家,研制卫星相机光学镜片的“抛光”作业也常要老师傅累积几十年工作经验的巧手做最后修饰,才能做出超越计算机机械研磨的高精密度,因此先进国家均投入相当时间与经费培植光学技术人才,且相关技术、设备与产品常被列为企业机密及出口管制品。

  有鉴于此,台湾也已开始自行研发卫星用的高解析相机,“国科会精密仪器中心”从1997年起执行“卫星光学遥测有效载荷发展计划”,推动建立光学元件设计分析、制造、检测及系统整合测试等相关技术。并在2000年2月参加“‘中华卫星’2号卫星遥测有效载荷研制”计划,工作人员分别赴法国及美国参与遥测系统研制工作;在衡量台湾现有技术能力后,同步进行以600千米轨道高度为参数,开发解析度分别为8米及16米的光电遥测系统。在经过3年的研发投入,“国科会精密仪器中心”在2003年12月宣布,已成功研磨出口径达30厘米的陶瓷玻璃非球面镜,及口径达16厘米的碳化硅非球面镜,皆可作为高解析度卫星遥测照相仪的主要镜片,树立台湾光学研制技术迈入航天级的里程碑。

  航天遥测镜片只采用陶瓷玻璃和碳化硅两种材质,前者原料便宜,但加工技术困难,具有热膨胀系数超低的优点,后者原料昂贵、温度控制条件较苛刻,加工相形之下较为容易。“精仪中心”研发成功的30厘米陶瓷玻璃非球面镜,精细度达激光波长的七分之一(约为100纳米),仅一片即可达到三片球面镜才能做到的聚焦功能,预计未来镀膜后反射率将高达99%以上。也由于航天遥测镜片的敏感性,2001年“精仪中心”为购得陶瓷玻璃材质、直径30厘米的非球面镜坯料,还需先取得德国政府出口管制许可。

  “华卫”2号遥测照相仪的主镜是由碳化硅做成,口径为60厘米,“精仪中心”将利用研磨出的30厘米非球面镜,尝试组装成一个“‘华卫’2号遥测仪”的缩小版,换算对地黑白影像解析度可达4米,预计2004年底组装完成此卫星等级的本土遥测仪,在2005年进入测试。

  探空火箭

  台湾太空计划除了卫星外,探空火箭的研发也是另一项具有军事潜力的科技。探空火箭在太空计划主要担任“次轨道科学实验”载具,用于将一些科学仪器发射到80—300千米的高空,进行科学实验。这个空域对飞机太高,卫星又太低,因此只能发射探空火箭进行实验,用以判读距离地面80—150千米高空的风场、对流等大气物理现象。

  “太空计划室”《92年度次轨道科学实验有效载荷计划书》中提到次轨道科学实验可从事具有军事色彩的任务包括:火箭发射环境和进行卫星有效载荷先期测试与研究。另外,值得注意的是,实验所使用的探空火箭将依据科学有效载荷及“太空计划室”的需求,逐步提升性能,由基本型探空火箭研制成多功能型探空火箭。

  基本型探空火箭为无控制系统,采用自由弹道飞行,而多功能型探空火箭将具备如姿态控制、回收系统等多项关键技术,就是可以从地面控制火箭升空后的姿态和动作,例如打开火箭前端鼻锥罩,让需要有较复杂动作的科学仪器运作或是让火箭由直上直下改为平飞一小段,以增加滞空时间,显示探空火箭扩增性能的弹性相当大,终极目标就是要发射人造卫星,这也意味着未来的多功能型探空火箭已具有改造成弹道导弹的潜力。“太空计划室”预定每年发射一枚探空火箭,2004——2009年发射基本型探空火箭,在2018年前将控空火箭发展成卫星发射载具,将台湾自制的100千克级微型卫星发到距离地面500千米的轨道上。目前中山科学院已接受“国科会”委托进行“运送卫星入轨大型载具导控设计”研究。

  由中山科学院研发的探空火箭是一种两级固体燃料火箭,为“天弓”导弹加上级固体火箭助推器组成,全弹长7.7米,重量为1680 千克,火箭射高可达300千米,射程200千克,有效载荷再加大,并配备制导系统,即可成为射程远达1000千米的中程地对地弹道导弹。

  探空火箭目前已发射3次。探空火箭1号和2分别在1999年8月和2001年10月发射,第一次发射成功,但并未携带任何科学仪器,第二次发射原本是要研究距离地表80——150千米之间的太空电离层大气流向,当时探空火箭是将中央大学研制的三铝甲烷实验有效载荷送到次轨道,再以地面照相仪观测三铝甲烷在太空燃烧的火焰,推算高空风场的分布及大气乱流变化,可惜因第二级火箭未能顺利点火而失败。最近一次成功发射,即探空火箭3号于2003年12月24日晚上从中山科学院九鹏发射场发射,12秒时推升到5.4千米高空后,第二级火箭接续点火,最高到达离地面269千米高空,511秒后坠落在离基地142千米远、绿岛东北方的太平洋,完成与探空火箭2号相同的科学实验。

  表面上,探空火箭执行的是科学实验,但是中山科学院过去在进行研发中程导弹的“天马计划”时,就曾利用探空火箭测试火箭分离和空中点火技术,也是利用类似中央大学实验的方法来观察火箭弹道和弹道偏移状况,这也透露出探空火箭的科学实验是“一鱼两吃”,除了台面上的科学实验外,还可测试中程弹道导弹极重要的分离项目和搜集导弹高空导弹等资料。

  卫星影像接收站

  中央大学太空遥测中心卫星影像接收站

  设立卫星影像接收站是太空计划中极重要的一环,是获取即时卫星照相的必要设备。有了自主的卫星影像接收站,在影像卫星通过台湾周围一定的区域(即卫星天线接收范围)就能立即接收卫星摄取的影像,否则就要由他地接收站代为接收,再传送到台湾,时间耗费很久。

  目前台湾军、民用卫星影像接收站共有3处,4个接收天线。其中最早设立的是中央大学及遥测中心所属的卫星影像接收站,整个计划由“国科会”委托,于1990年2——10月间进行“设置资源卫星接收站规划”,接着从1991年2月起,改由“太空计划室”委托,进行为期3年的“资源接收站建站计划”,最后于1993年6月底安装测试完成,于12月31日正式启用。该接收站卫星接收天线接收距离远达3000千米,为目前全世界接收站中接收灵敏度最高者之一。2003年太空遥测中心又增建一卫星信号接收天线,该新建天线并有外罩保护,已于2004年年初启用。

  目前太空遥测中心可接收运转中的法国SPOT、欧洲航空航天局ERS—1、印度IRS—IC、以色列EROS—A1,及“中华卫星”2号等商用卫星影像资料。太空遥测中心外购商用卫星影像,如以制作军用图为主的联勤401厂就是军中最早的卫星影像大户,早在1985年时,就曾连续数年委托中央大学太空遥测中心购买卫星影像,累计购买的卫星影像金额达1500多万元。另外,空军也曾在1987年和1991年两次委托中央大学太空遥测中心购买各100多万元的卫星影像。所以在太空遥测中心卫星影像接收站启用后,军方立刻成为主要客户。

  太空遥测中心卫星影像接收站在军方卫星照相情报来源上扮演着极重要的角色。如军方在1998年4月利用法国SPOT卫星的光学影像和加拿大资源卫星RADARSAT合成孔雷达影像交叉判读出,大陆在甘肃省嘉峪关东北方约120千米的军用机场附近设置一个与台中清泉岗机场一模一样的假机场,作为解放军飞行员训练之用。

  此外,军方和“国安局”还利用太空遥测中心设备执行接收台湾具有区域控制权的以色列EROS—A1商用卫星影像的“浩全专案”。1999年10月5日,当时的“参谋本部”联二情报次长,现任空军作战司令冯世宽中将与拥有EROS—A1商用影像卫星的以色列国际卫星影像公司签约,参与“卫星运作伙伴计划”,即出售卫星部分区域控制权,也就是客户可以拥有卫星部分区域控制权,一旦卫星进入客户区域,客户即可接管卫星,全权掌控侦照目标,最重要的是台湾可即时接收卫星影像,具有提供即时情报的功能。

  “国防部”电信发展室林园卫星接收站

  虽然军方设立卫星影像接收站并非太空计划的一环,不过军方未来也会接收“华卫”2号影像,所以在此一提。早在1983年时,就曾有美国退休将军来台当时的“参谋总长”郝柏村推销设立卫星影像接收站。“前国安局局长”蔡朝明在1997年任“国防部”电展室主任后,也曾提出接收即时卫星影像计划,不过受限于当时国际环境并未付诸实现。直到美国政府同意Space Imaging公司将IKONOS高解析影像出售给世界各地客户,军方计划才有重大突破,即“启元专案”。

  “启元专案”是在电展室林口监听站“林园”(前身为美国通信站,台美尚有协防条约时,还曾驻有美军的“6987”保安大队,专门截听破译大陆军事通信情报,直到1977年才撤销)内兴建卫星影像接收站,以便直接接收外购的商用卫星影像,目前以接收美国IKONOS卫星影像为主。

  “启元专案”在1991年“国防预算”中编列一般设施整建工程经费高达1亿4278万元,这只是用来兴建接收站主体建筑而已,至于购置卫星天线、机动接收站、影像接收设备等经费也要数千万元,应已编入机密预算中。另外,“启元专案”还编列装备购置经费380万元,可能是用来加强卫星影像处理、输出和储存等相关设备、以建立资料建档、系统管理等影像终端处理能力。

  林口卫星影像接收站主体为一栋大楼,卫星接收天线即安装在屋顶,已于2003年中启用,成为继监听站环状排列天线后,林口台地的另特殊景观。接收站配置的卫星接收天线外形与中央大学太空遥测中心的卫星接收天线类似,功能应当也接近,目前仅配置一座天线,不过大楼屋顶还有增建卫星天线的空间,未来还可视实际需求加装天线。因军方卫星影像接收站设于林口台地,地势较高,有助于提早接收卫星资讯。“启元专案”卫星接收站完成后,军方从操作控制卫星进行侦照,到接收影像,分析判读判可一气呵成。

  “太空计划室”新竹卫星影像接收站

  为了接收“华卫”2号遥测影像,位于新竹科学园区的“太空计划室”10楼屋顶已建置一座“X频段天线系统(XAS)”,这也是台湾最新一座卫星影像接收站。“华卫”2号的遥测影像资料是通过X频段无线通信频道下链至新竹的X频段的天线系统。X频段天线系统将接收到的无线通讯信号予以放大、降频、解调、位元同步处理之后,再通过地面通信网络将位元间步资料传送至影像处理系统(IPS)做进一步的影像呈现与处理。

  X频段天线系统的组成包括接收天线、射频接收设备、基频设备、标准时间与频率设备、天线控制设备和系统监控设备。接收天线采用直径7米的碟形天线,可接收X频段信号,最高资料流可达320M bps。该天线系统的控制中枢为“系统监控计算机”,通过该控制中枢,操作人员可以遥控方式控制天线系统的各项设备,接收卫星资料。另外,天线本身的操作控制由“天线控制单元”负责,该控制单元可配合计算机追踪程式,自动执行卫星的程式追踪、自动追踪、步阶追踪以及轨迹搜寻。天线的追踪及驱动系统可利用来自卫星的X波段信号进行卫星自动追踪。

  “华卫”2号的X频段天线系统除具备最新科技系统设计之外,所有系统运作皆可通过高度自动化的远端作业完成,可说是目前较先进的X频段遥测卫星资料接收站。它不仅可以接收“华卫”2号的影像资料,对于其他外国的遥测卫星(如IKONOS、SPOT、LANDSAT、RADARSAT、ERS等)的影像资料,也可以在天线系统经过些微的修改之后顺利接收,显示扩充弹性很大,也意味着如有需要可在短时间内,配合军方接收外国提供的即时卫星影像。

  影像处理系统(IPS)

  由台湾自主研发的“华卫”2号影像处理系统(IPS),在陆续完成各次系统测试与验收后,由2003年6月完成全系统整合测试。由“太空计划室”自力研发的次系统包括:幅射校正、几何校正、卫星遥测影像品质监视与分析等资料处理次系统,和负责卫星拍照工作规划与时程排定的取向排程次系统,另外,全系统整合测试也是由“太空计划室”自力进行。

  “华卫”2号影像处理系统自主研发的好处为拥有版权,复制影像不必增加经费,并可带领台湾厂商进入高解析度卫星影像的技术领域。卫星影像应用快速成长且技术列入管制,功能须不断扩充,以适用于未来计划或接收其他卫星,所以自主研发影像处理系统意味着未来卫星影像相关科技发展将可不受制于人。

  “华卫”2号影像处理系统的主要功能是将X频段天线系统(XAS)通过网络传过来的位元同步资料做进一步的卫星影像呈现及后处理,包括框码同步处理、解码处理、0处理、电波校正处理以及几何校正处理等。

  “华卫”2号影像处理系统可即时处理来自X频段天线高达320M bps高速资料流,可接收并记录“华卫”2号每天最多16分钟的下传影像资料,可提供线上即时、近即时、离线等三种建档储存系统。该系统可产生一个频段的彩色快速取像,并可在8小时内对“华卫”2号每天下传的16分钟影像建立目录,处理完成至少250幅的Level B多频谱影像。

  “华卫”2号影像处理系统包括一个使用者查询次系统,可在几秒中内回应使用者的影像资料库查询。系统可以在优先处理任选一分钟的影像资料,在卫星通过后一小时内处理完成,并输出显示在“中华卫星”地面系统内。该系统可支援影像仪器效能衰退监测及校正规划,以及“华卫”2号地面取像的规划与排程等工作。

  “华卫”2号影像处理系统的研发,将可大幅提升台湾在影像判读上的技术能力,虽然这属“太空计划室”的计划,与军方无关,不过因军民技术交流频繁,像太空遥测中心就曾经代训地军方判读人员,因此军方也可从“太空计划室”或相关单位获得较佳的影像处理软件和技术。

  结论

  太空科技的发展,是科技、经济与工业实力的展现,范畴涵盖系统工程、电子、机械、材料、通信、遥测、导航、推进、控制及资讯等尖端科技,其中多样涉及甚至就是军事科技,加上太空计划是一个相当庞大的投资,一旦开始可说就是一条不归路,没有军方支持很难持续进行,所以太空计划实在是很难摆脱军事色彩。

  台湾初期太空计划也许军事色彩并不浓,但“太空高地”是21世纪世界军事的必争之地,不过因大陆威胁和美国限制,台湾太空之路走得更是艰辛。虽然军方并没有刻意参与太空计划,但先通过偏重科学研究的太空计划抢占太空滩头堡,将会有助于台湾未来军事太空计划的开展。(世界航空航天博览 启元)

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