作者：陳朝焱
國家太空中心
2020-07-07

借過！借過！ 你的頭擋住我看電視了！！

掩星是一種自然的天文現象，指的是天體A通過觀察者與天體B之間，在觀察者角度形成A遮蔽B的現象。通常A的可見面積會大於B，例如：月球掩土星、月球掩火星等；如果A的視面積小於B，則稱為凌，例如：金星凌日、水星凌日等。以繞地衛星來說明，一顆LEO (Low Earth Orbit,低軌道)衛星持續接收某顆GNSS (Global Navigation Satellite System,全球導航衛星系統)衛星所發出的電波訊號，因為兩顆衛星的速度差異很大，可先將GNSS視為固定不動，當LEO繞至地球另一端時，訊號就會被地球擋住；在LEO的視角，有如地球運行到LEO和GNSS中間，產生地球掩GNSS的現象。

飛機經過攝影鏡頭與月球間
圖片來源：http://www.dailymail.co.uk/~/article-5142455/index.html#i-6a34e6aca8348654

掩星過程就像經過X光機柵門，高層大氣層從上到下的資訊一覽無遺

在掩星過程中，電波從GNSS發出會穿過地球的大氣，因電波從太空進入大氣時，因介質的差異造成傳播速率差異，而產生電波轉彎的折射現象，其中電波折射貢獻最大的位置，也就是電波轉彎角度最大的地方，是電波路線的幾何近地點perigee point。LEO接收到折射後的電波可回推折射的角度，而折射角又與電波穿過的大氣溫度、濕度、壓力有關，因此可以獲得幾何近地點的大氣資料。
這裡可以發現，電波掩星觀測所獲得的大氣資料是幾何近地點的，而非LEO所在的位置，這就是為什麼福衛七號的軌道傾角是24度，但卻能提供到緯度50度的觀測資訊。另外，在兩衛星的幾何位置持續改變之下，幾何近地點會由高空至接近地表，或由地表往高空連續觀測，有如隨機放了一顆隱形的探空氣球對大氣進行量測。另外，透過電波的延遲，可計算電波路徑上的電漿數量，進而推算幾何近地點上，由衛星高度至距地約50公里的電離層電漿濃度。

福衛七號電波掩星觀測示意

從其他行星應用回地球，從2D進步到3D

電波掩星觀測最初用在1965年之火星探測水手4號(Mariner-4)，探測火星大氣及電離層，之後陸續應用於金星(1967年水手5號，Mariner-5)、月球(1967年先鋒7號，Pioneer VII)等星球探測。首次用於地球是在1995年大氣研究大學聯盟(UCAR)的microlab1衛星，其後還有CHAMP(德國)，SAC-C(阿根廷)，GRACE(美、德)以及IOX(美國)等，但都以單顆衛星進行觀測。台灣的福衛三、七號則是首兩次掩星星系的應用，分別以6顆衛星平均部屬同時對地球進行觀測。電波掩星觀測克服了地面因海陸分布造成的觀測不均，也克服了一般衛星僅能觀測沿軌道及飛行高度的資料，可提供從衛星高度至地表，全球均勻分布的3D大氣與電離層資訊。

參考資料

• Eshelman, V. R. (1973), The radio occultation method for the study of planetary atmospheres, Planet. Space Sci., 21, 1521-1531.
• 國家太空中心, http://www.nspo.narl.org.tw/tw2015/index.shtml
• 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室, https://swoo.cwb.gov.tw/V2/
• 台灣科學資料處理中心, http://tacc.cwb.gov.tw/v2/tacc.html