目錄 第一章 前言 …………………………………………………………1 第二章 理論基礎 2-1 Ka波段電磁波傳播特性 …………………………………...3 2-2 輻射傳遞理論 ……………………… ……………………....8 2-3 自由空間衰減 …………………………………………..…...13 2-4 座標系統理論 …………………………………………..…...15 2-5 系統基本特性理論 ……………………………………..…...18 第三章 實驗儀器說明與系統架構 3-1 中華衛星一號與地面接收站………………………………...23 3-2 微波輻射儀 ..……………………..………………………...27 3-3 光學雨量計 ………………………………………………...28 3-4 自動氣象觀測站 ..…………………………………………...29 3-5 Ka波段雙圓形極化天線系統 …………………………….. 29 第四章 實驗觀測結果與分析 4-1 2003年TGT與RGT觀測結果統計分析 ………………...38 4-2 TGT於高雄燕巢觀測結果分析 …………………………...43 4-3 TGT故障與維修說明 ……………………………………...44 4-4 Ka波段雙圓形極化天線系統校正與資料分析 …………..49 第五章 結論與展望 5-1 結論 ……………………………………………………...…55 5-2 展望 ………………………………………………………...57 參考文獻 ……………………………………………………………..59 圖表 …………………………………………………………… 62 ~100 圖表目錄 圖(2.1)：頻率1~40 GHz時氧及水汽比衰減的關係圖。 圖(2.2)：L、H、R與θ 的幾何關係圖。 圖(2.3)：Cone Angle、Clock Angle鎖對應在ECPSS整個盤面上的左旋訊號增益等值圖。 圖(2.4)：Cone Angle與Clock Angle的定義幾何圖。 圖(2.5)：ECPSS 盤面上Cone Angle與Clock Angle切痕。 圖(3.1)：華衛一號的通訊實驗籌載的結構圖 ( NSPO提供 )。 圖(3.2)：天線與OMT的相片。 圖(3.3)：發射與接收之訊號處理盒特性尺寸圖。 圖(3.4)：Ka波段雙圓形極化天線系統功率傳輸示意圖。 圖(3.5)：觀測軟體照片及其說明 圖(3.6)：天線盤面校正(Alignment)的相片。 圖(3.7)：Ka 波段雙圓形極化反射面天線系統相關地理位置圖。 圖(4.1.1)：2003年RGT累積觀測時間與lock on比率之關係圖。橫軸為1到12月，縱軸是累積觀測時間，紅色的是該月份的總觀測時間，藍色是總觀測時間中系統有lock on的時間；上圖為不分仰角的資料統計；下圖係針對仰角大於15度的資料統計。 圖(4.1.2)：2003年TGT累積觀測時間與lock on比率之關係圖。橫軸為1到12月，縱軸是累積觀測時間，紅色的是該月份的總觀測時間，藍色是總觀測時間中系統有lock on的時間；上圖為不分仰角的資料統計；下圖係針對仰角大於15度的資料統計。 圖(4.1.3)：RGT 2003年12月的資料，橫軸代表的是衛星pass數，該月有155次觀測資料，縱軸則是radiometer測得的天空溫度。圖中藍色的「*」點是衛星訊號有lock on時的天空溫度值，綠色的「o」點是衛星訊號沒有lock on時的值，紅色的「o」點代表那次事件有降雨的情形。大多數的事件中，衛星non-lock-on時的radiometer值較lock on時的radiometer值來的高，且由右上角的平均值可以知道兩者約相差47K。 圖(4.1.4)：RGT 2003年12月的資料，是將圖(4.1.3)中每個pass的兩個點取差值。平均約差48K，也就是比lock on時的值超過約48K，RGT無法鎖定衛星訊號。 圖(4.1.5)：TGT 2003年9月的資料，橫軸代表的是衛星pass數，該月有155次觀測資料，縱軸則是radiometer測得的天空溫度。圖中藍色的「*」點是衛星訊號有lock on時的天空溫度值，綠色的「o」點是衛星訊號沒有lock on時的值，紅色的「o」點代表那次事件有降雨的情形。大多數的事件中，衛星non-lock-on時的radiometer值較lock on時的radiometer值來的高，且由右上角的平均值可以知道兩者約相差75K。 圖(4.1.6)：TGT 2003年9月的資料，是將圖(4.1.5)中每個pass的兩個點取差值。平均約差75K，也就是比lock on時的值超過約75K，TGT無法鎖定衛星訊號。 圖(4.1.7)：RGT於 2003年12月的資料。橫軸是衛星pass數，縱軸是天空溫度，針對不同仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~ 20°、20°~ 30°、30°~45°、45°~60°、60°以上，在低仰角10°~ 20°的部分每一個pass都有non-lock-on的狀況，仰角愈高，lock on的狀況愈好。 圖(4.1.8)：RGT於 2003年12月的資料。針對低仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~12°、12°~14°、14°~16°、16°~18°、18°~20°，可以發現在10°~ 20°這樣的低仰角裡面也是有不同仰角的變化，沒有lock on的狀況主要集中在10°~12°最低仰角的時候。 圖(4.1.9)：TGT於 2003年9月的資料。橫軸是衛星pass數，縱軸是天空溫度，針對不同仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~ 20°、20°~ 30°、30°~45°、45°~60°、60°以上，在低仰角10°~ 20°的部分每一個pass都有non-lock-on的狀況，仰角愈高，lock on的狀況愈好。 圖(4.1.10)：TGT於 2003年9月的資料。針對低仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~12°、12°~14°、14°~16°、16°~18°、18°~20°，可以發現在10°~ 20°這樣的低仰角裡面也是有不同仰角的變化，沒有lock on的狀況主要集中在10°~12°最低仰角的時候。 圖(4.1.11)：RGT 2003年12月，下圖是該月份所有的pass在不同仰角區段累積的lock on成功率，上圖是該仰角有lock on及沒有lock on時radiometer的差值，隨著仰角上升，lock on成功率也上升，radiometer的差值也降低；但低仰角(10°~12°)與高仰角(60°~90°)部份例外。 圖(4.1.12)：TGT 2003年9月，下圖是該月份所有的pass在不同仰角區段累積的lock on成功率，上圖是該仰角有lock on及沒有lock on時radiometer的差值，隨著仰角上升，lock on成功率也上升，radiometer的差值也降低；但低仰角(10°~12°)與高仰角(50°~90°)部份例外。 圖(4.1.13) ：大氣衰減值的累積機率分布圖。資料為RGT 2003年6~12月，上圖為不分仰角；下圖為分三種仰角。 圖(4.2.1)：TGT於92.11.22日移動至高雄樹德科技大學，上圖為周圍環境示意圖，下圖為架設時的照片。 圖(4.2.2)：2003年12月30日，TGT於樹德科技大學觀測實驗資料。18:51:35左右，Tracking Receiver的頻率與鎖定狀態變差，sky noise temperature突然上升，地面降雨率卻為零。 圖(4.2.3)：2003年12月30日，RGT於台南同時間的觀測資料。Tracking Receiver的頻率與鎖定狀態，以及sky noise temperature均無特別變動。 圖(4.3.1) ：TGT的ACU軟體操作介面與故障說明。 圖(4.3.2)：TGT天線車之電源箱向內部各元件的相片及故障說明。 圖(4.3.3)：X-EL Limit 電路圖及線路跳接與斷掉的地方。 圖(4.3.4)：X-EL Data Pack 電路圖及線路跳接與斷掉的地方。 圖(4.3.5)：方位角伺服馬達及固定螺絲的相片。 圖(4.3.6)：TGT於2003年10月30日實驗資料(螺絲鬆脫前)。Lock on機率為68.5%。 圖(4.3.7)：TGT於2003年11月09日實驗資料(螺絲鎖緊後)。Lock on機率為96.6%。 圖(4.3.8)：右旋訊號線連接點鬆脫的相片。 圖(4.4.1)：左旋極化與右旋極化通道測試結果，上圖為發射信號開機關機(RF Power ON/OFF)，左旋極化通道會約-22dBm與-52dBm的正常變化，而右旋極化通道始終維持約-35dBm不變。下圖為切換左旋極化與右旋極化通道，左旋極化通道為-22dBm的正常接收功率，而右旋極化通道則為約-36dBm的異常接收功率。 圖(4.4.2)：噴水器分別在天線盤面及Feed上噴水後，接收功率的變化情形，計有8種噴水狀況如右上角說明。 圖(4.4.3)：Feed上的薄膜水珠累積多寡的相片。 圖(4.4.4)：搖晃天線基座時，接收功率變化圖，並取128點FFT後，發現其共振頻率為4.5Hz左右，下圖另外有3.8Hz左右的頻率，應該是大風吹向天線搖動所造成。 圖(4.4.5)：中壢Ka波段天線系統觀測2003年4月3日降雨事件的日變化關係圖，降雨率變大時接收功率同時降低。 圖(4.4.6)：2003年4月3日中壢Ka波段天線系統觀測圖，上圖為接收功率、比衰減量與降雨率的時序圖；下圖為降雨率與比衰減量的關係，最大降雨率為106.7 mm/hr。 圖(4.4.7)：中壢Ka波段天線系統觀測2003年6月12日降雨事件的日變化關係圖，降雨率變大時接收功率同時降低；且9時至15時風速增加約為8 m/s，接收功率同時也產生約0.5dB的擾動；另外14時左右，溫度下降造成接收功率上升。 圖(4.4.8)：2003年6月12日中壢Ka波段天線系統觀測圖，上圖為接收功率、比衰減量與降雨率的時序圖；下圖為降雨率與比衰減量的關係，最大降雨率為26.7 mm/hr。 圖(4.4.9)：中壢地區2004年地面降雨率與19.5GHz比衰減量的關係圖，共有11個降雨事件，總分析時間約為378分鐘，最大降雨率為106.7 mm/hr。 圖(4.4.10)：接收功率與溫度之關係圖。上圖日變化圖，10分鐘移動平均以紅線代表，下圖為散佈圖，相關係數成負相關高達約-0.97。 圖(4.4.11)：溫度補償後接收功率、風速與溫度之標準差散佈圖，上圖為功率與風速的關係，分佈較雜亂；下圖為功率與比濕的關係，成正相關趨勢，相關係數約0.4。 圖(4.4.12)：以季節區分，溫度補償後接收功率與比濕之標準差散佈圖，上圖為夏季，相關係數約0.41；下圖為秋季，相關係數約0.46。 圖(4.4.13)：接收功率與溫度所算出之斜率與截距的累積天數分佈圖，上圖為斜率，下圖為截距。 圖(4.4.14)：依季節區分，接收功率與溫度之斜率的累積天數分佈圖，上圖為夏季，下圖為秋季。 圖(4.4.15)：依季節區分，接收功率與溫度的截距累積天數分佈圖，上圖為夏季，下圖為秋季。 表(3-1)：中華衛星一號基本規格表。 表(3-2)：華衛一號上三個實驗酬載之科學任務說明。 表(3-3)：RGT與TGT基本規格表。 表(3-4)：光學雨量計基本規格表。 表(3-5)：接收訊號處理盒及信號線受溫度高低影響之資料 表(4-1)：RGT檢修一覽表。 表(4-2)：TGT檢修一覽表。 表(4-3)：TGT 2003.4.12日測試數據