電子報
根據 United Nations Office for Outer Space Affairs (UNOOSA) 的統計，在1957年發射第一顆人造衛星後的66年中，已經有15,946個物體被發射到太空中。截至2023年6月，尚有11,330顆人造衛星在地球上空環繞，實際上運作中的數量共6,718顆。這些衛星的分類如下：通訊衛星4,823顆 (72%)、地球觀測 (Earth observation, EO) 衛星1,167顆 (17%)、技術發展衛星414顆 (6%)、導航定位衛星155顆 (2%) 以及其他用途之衛星159顆 (2%)。然因這些衛星各自的任務以及再訪周期的需求，而被分配在不同高度的地球軌道 上 (圖1)
本期電子報將詳細解釋人造衛星如何環繞地球，並介紹主要的三種軌道高度和三種傾角類型，以及地球同步軌道和太陽同步軌道。同時，將展示農村水保署在BigGIS上所收錄的地球觀測衛星 (EO衛星) 相關影像及其應用案例。
首先，距離地面最遠的是地球靜止軌道 (Geostationary Earth Orbit, GEO) ，高度約為35,788 km (~36,000 km)。這個區域EO衛星可以涵蓋較大的範圍，僅需三顆衛星即可覆蓋全球，並能持續觀測地球同一面的地表，提供長時間的觀測。然而，由於距離遠，存在訊號延遲和較低的空間解析度限制 (圖2)。
中地球軌道 (Medium Earth Orbit, MEO) 的高度介於7,000 km至25,000 km之間。這個高度具有較低的訊號延遲，因此大多數衛星導航系統都在此軌道運行。然而，此軌道的衛星無法持續維持在地球的同一面，若要持續的覆蓋全球，需要建立一個由六顆以上衛星組成的系統，以確保服務的連續性。
低地球軌道 (Low Earth Orbit, LEO) 在這三種軌道中的運行高度最低，介於300 km到1,500 km之間。大多數的EO衛星選擇在此軌道運行，以獲得最佳的空間解析度。然而，由於高度較低，僅能觀測較小的區域，因此必須以多顆衛星組成的星座系統運行，以實現高覆蓋率的服務目標 (圖3)。
最後，除了衛星之外，高空平臺 (High Altitude Platforms, HAP) 和低空平臺 (Low Altitude Platforms, LAP)，例如應用飛艇或無人機 (UAV)，可以在100 m到20 km的高度飛行，部署在空中以建立觀測網絡，支援比衛星更靈活、信號強度更高和延遲更低的通信。這使它們能夠更快速、更經濟地部署。
衛星軌道的傾角可以分為三種主要角度：
角度一 (圖4左)：赤道傾角接近直角，使衛星軌道幾乎與地球的赤道平面垂直。這種軌道通常稱為極軌道。在這種軌道上運行的大多數EO衛星將穿越南極和北極，以覆蓋整個地球表面。這種軌道的特點是可提供高時間解析度和低再訪周期，但在低緯度地區的再訪周期則相對較高。
角度二 (圖4中)：赤道傾角小於直角，使衛星軌道不會穿越南極和北極。這種軌道可以視為一種特定的衛星軌道，主要專注服務於中低緯度地區。
角度三 (圖4右)：赤道傾角為零，使衛星軌道與地球的赤道平面重合。在這種情況下，衛星只能服務赤道上方的區域。如果衛星運行在LEO上，那麼它將難以捕捉到赤道以外的區域。因此，大多數於此軌道運行的衛星會透過增加軌道高度，來擴大其觀測範圍，如地球同步軌道 (Geosynchronous orbit, GSO)。
由於衛星的軌道速度與地球自轉速度之間的關係，可以讓同一個衛星經過地球上同一點的頻率不同，因此可以透過調整前文所述的高度和傾角，來控制衛星每天返回同一位置的頻率 (圖5)。
地球同步軌道 (Geosynchronous Orbit, GSO) 是一種特殊的軌道，位於距離地球表面約35,788 km的高度。衛星在這個高度上運行時，其軌道周期將與地球的自轉周期一致，約為23小時56分4秒 (一個恆星日)。也因此能在特定時間區間內覆蓋到所需觀測的位置，使得GSO是需要衛星提供連續且穩定的觀測時，最理想的位置，也能達到長時間觀測的應用成果。
其中，地球靜止軌道 (Geostationary Orbit, GEO) 是GSO的一個特例，它平行於地球的赤道平面，形成一個圓形的GSO。對地面上的觀測者來說，在GEO上的衛星幾乎永遠保持在天空中的固定位置，因此被廣泛用於通訊和氣象衛星等應用。例如，日本的向日葵(Himawari) 衛星 就幾乎一直停留在太平洋上，持續觀測太平洋測的半球(圖6)。
大多數搭載可見光或紅外線波長儀器的EO衛星，例如Landsat、Sentinel系列衛星等，會選擇使用太陽同步軌道 (Sun-synchronous Orbit, SSO) 進行運行。SSO是一種LEO，它結合了高度和傾角 (~98°) 的特點，透過衛星在南北方向的運動和地球的自轉，SSO確保衛星在上升軌、下降軌或軌道的任何一點上，都保持著相對於自身、太陽和地球的相同的相對位置。換句話說，這種軌道每次經過同一地點時都處於相同的日照角度下，從而獲得具有一致光源角度的影像或數據 (圖7和影1)。
這種特性使得位於SSO上的各種EO衛星 (如海洋和大氣觀測衛星) 能夠排除光源角度對觀測的影響。舉例來說，Landsat-8衛星運行於高度705公里的SSO (傾角98.2°)，每天環繞地球約14次，每16天回到同一地點，而每次通過時都在相同的當地時間。也讓此衛星每次拍攝的影像都具有相同的日照角度，有利於後續的研究或分析應用。
目前，農村水保署的BigGIS_巨量空間資訊系統 所收錄的EO衛星圖資大部分是以SSO軌道來取像獲得。例如飛行高度為694 km的Pleiades衛星、832 km的SPOT衛星以及720 km的福衛5號等。這些衛星影像現在都可以直接在BigGIS上瀏覽和應用，提供相關研究和應用資源 (圖8)。
以飛行高度705 km的Landsat-8/9衛星為例，因其繞行軌道及高度，經過臺灣上空時，僅能拍攝到寬度約185 km的條帶。若要使影像完全覆蓋全臺，需分為左右兩個條帶相互搭配。相較於前文圖6於GEO上的向日葵衛星，覆蓋面積差距甚大。以圖9為例，BigGIS上可清楚展示Landsat-9左條帶影像，僅能覆蓋臺灣的西半部地區。
在影像應用方面，以2023年曾文水庫為例，藉由蒐集Sentinel-2衛星1-8月的8張每月影像，展示了曾文水庫的蓄水量在春天逐月的減少的情況，上游處逐漸露出大量的水庫底泥。然而，受到6月梅雨及8月颱風接連侵襲臺灣後，蓄水量於8月底接近滿庫 (圖10)。這些時間序列資料對於年度水情分析和水資源調控規劃等相關研究提供了重要的資訊。
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此外，農村水保署在8月卡努颱風事件中，通過不同EO衛星的接力拍攝，分析了南投縣仁愛鄉崩塌地的分布情況，並解釋了塔羅灣溪土砂下移對廬山溫泉區的災後堆積情況等。這些衛星為難以到達的災區提供了高解析度影像，且在事件中迅速向各單位和民眾提供了有關災情的信息，為防災和救援行動提供了寶貴的參考資料 (圖11)。
1. 人造衛星常見名詞介紹 (資料來源：太遙中心)
2. 淺談人造衛星 (資料來源：TASA)
3. EO衛星軌道動畫 (資料來源：NASA)
4. Types of orbits (資料來源：ESA)
5. Types Of Satellites By Orbits, Functions, And Uses (資料來源：EOS)
6. 人造衛星軌道的詳盡解釋 (資料來源：sorabatake)
7. 在每3天就可以免費獲得開放免費光學衛星的時代? Landsat-8/9和Sentinel-2A/2B的組合可實現更高頻率的觀測 (資料來源：sorabatake)
8. Satellites and orbits (資料來源：Science Learning Hub)
9. 3D Network Platforms & Frequency Bands by Ümit Eroğlu (資料來源：Medium)
10. BigGIS_巨量空間資訊系統 (資料來源：BigGIS)
