我國(guó)碳匯監(jiān)測(cè)將進(jìn)入天基遙感時(shí)代

文章來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)付毅飛2022-12-30 09:44

在不久前舉行的第十四屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)上,在太空中進(jìn)行在軌測(cè)試的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱“碳星”),以模型形式與公眾見(jiàn)面。
 
由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院(以下簡(jiǎn)稱五院)遙感衛(wèi)星總體部抓總研制的“碳星”,是世界首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)遙感衛(wèi)星,它將使我國(guó)碳匯監(jiān)測(cè)進(jìn)入天基遙感時(shí)代。
 
“黨的二十大報(bào)告提出,到2035年廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式,碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降,生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn),美麗中國(guó)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。”五院遙感衛(wèi)星總體部衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師曹海翊對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō),“我們的‘碳星’,就是森林碳匯監(jiān)測(cè)的一把好手,通過(guò)監(jiān)測(cè)森林的固碳能力,來(lái)監(jiān)測(cè)我國(guó)‘碳達(dá)峰、碳中和’目標(biāo)的完成情況,服務(wù)美麗中國(guó)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”
 
為了將碳匯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搬上太空,五院研制團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)10年攻關(guān),實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)創(chuàng)新。
 
緊扣時(shí)代脈搏造“碳星”
 
2012年11月,黨的十八大報(bào)告提出“努力建設(shè)美麗中國(guó)”。曹海翊陷入了思考:“如果我們能研制一顆觀測(cè)綠水青山的衛(wèi)星,那也是為建設(shè)美麗中國(guó)作貢獻(xiàn)了。”
 
正巧那一年五院拿到“星載激光雷達(dá)總體技術(shù)”課題。激光雷達(dá)是衛(wèi)星用來(lái)測(cè)量與地面物體距離的重要手段之一,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定攻克激光雷達(dá)測(cè)量森林高度難題,為中國(guó)研制首顆林業(yè)遙感衛(wèi)星。
 
為了做足功課,曹海翊帶著項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)赴國(guó)家林業(yè)和草原局、中國(guó)林業(yè)科學(xué)院、東北林業(yè)大學(xué)等單位學(xué)習(xí)研究林業(yè)知識(shí)。一番“求學(xué)”下來(lái),她發(fā)現(xiàn),林業(yè)遙感的需求不僅僅是給大樹(shù)量身高那么簡(jiǎn)單。
 
當(dāng)時(shí),碳匯概念已經(jīng)流行,這是衡量森林固碳能力的重要指標(biāo)。我國(guó)碳匯監(jiān)測(cè)需要森林調(diào)查員跋山涉水,深入山林中實(shí)地進(jìn)行樹(shù)高和樹(shù)木胸徑測(cè)量,耗時(shí)耗力不說(shuō),還受到各種環(huán)境限制。
 
曹海翊認(rèn)為,可以用天基遙感手段解決這個(gè)問(wèn)題。
 
經(jīng)過(guò)近兩年深入研究,研制團(tuán)隊(duì)提出“激光器+相機(jī)”的主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)方案雛形,計(jì)劃將光學(xué)遙感衛(wèi)星的影像特長(zhǎng)與激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)相結(jié)合,幫助我國(guó)林業(yè)部門實(shí)現(xiàn)碳匯監(jiān)測(cè)跨越升級(jí)。
 
2015年,“美麗中國(guó)建設(shè)”被納入我國(guó)“十三五”規(guī)劃。同年,“碳星”正式啟動(dòng)研制。
 
“這顆衛(wèi)星的研制是緊扣著時(shí)代脈搏跳動(dòng)的。”五院遙感衛(wèi)星總體部衛(wèi)星總指揮王祥說(shuō)。
 
用匠心打造精品
 
對(duì)星載激光雷達(dá),研制團(tuán)隊(duì)有一定技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。在曹海翊作為總設(shè)計(jì)師、當(dāng)時(shí)正在研制的資源三號(hào)02星和高分七號(hào)衛(wèi)星上,均搭載了激光測(cè)高儀載荷。但“碳星”多波束激光雷達(dá)的配置指標(biāo)面臨著更高要求。
 
五院“碳星”總體主任設(shè)計(jì)師黃縉舉例說(shuō):“激光脈沖的發(fā)射頻次,在其他衛(wèi)星上是每秒鐘打幾個(gè)點(diǎn)。而森林樹(shù)高參差不齊,測(cè)點(diǎn)密度越高,測(cè)量數(shù)據(jù)就越全面精確。”
 
研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)密度下的數(shù)據(jù)反演精度,經(jīng)過(guò)近半年仿真分析,確定了5波束40赫茲重頻的激光雷達(dá)方案。也就是說(shuō),“碳星”的激光雷達(dá)載荷共有5個(gè)測(cè)距激光器,每個(gè)激光器的發(fā)射頻次達(dá)每秒40次,共具備每秒發(fā)射測(cè)量激光200次的能力。“這相當(dāng)于把我國(guó)星載激光雷達(dá)的指標(biāo)提升了一代。”黃縉說(shuō)。
 
如何讓相機(jī)在碳匯監(jiān)測(cè)中最大化發(fā)揮作用,也是新問(wèn)題。
 
“如果用傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感方式去俯視,只能看到一棵樹(shù)的面積。而如果沿著衛(wèi)星運(yùn)行軌跡從不同角度觀測(cè),則可以看出這棵樹(shù)的體積、冠幅的幾何形態(tài),并探測(cè)它的反射特性,推算其茂密程度。”曹海翊說(shuō)。
 
因此,研制團(tuán)隊(duì)將相機(jī)方案定為“多角度、多光譜”遙感相機(jī),并通過(guò)近一年的成像仿真實(shí)驗(yàn),確定了0°、±19°、±41°共5個(gè)角度,能夠使大氣對(duì)于觀測(cè)圖像質(zhì)量的影響最小化,同時(shí)滿足現(xiàn)階段林業(yè)遙感觀測(cè)需求。
 
此后,研制團(tuán)隊(duì)又從總體設(shè)計(jì)上提出新增超光譜探測(cè)儀和多角度偏振成像儀,用于探測(cè)葉綠素?zé)晒夂痛髿鈿馊苣z。
 
曹海翊介紹說(shuō),“碳星”集多種載荷于一身,在同一時(shí)刻、同一位置開(kāi)展觀測(cè),數(shù)據(jù)相互的耦合度更好,觀測(cè)結(jié)果更真實(shí)準(zhǔn)確,這樣的效果是多顆單一載荷衛(wèi)星難以比擬的。
 
從“紙上開(kāi)花”到“落地生根”
 
2017年,“碳星”的研制終于從“紙上開(kāi)花”到“落地生根”——衛(wèi)星正式批復(fù)立項(xiàng)。
 
進(jìn)入工程化研制階段的“碳星”,面臨的首要問(wèn)題卻是“減肥”。4種載荷雖然讓它擁有強(qiáng)大的功能,但也使它“超重”了100公斤,超出了火箭運(yùn)載能力。
 
衛(wèi)星上每個(gè)零件都有用,怎么減?研制團(tuán)隊(duì)用了“狠招”。黃縉說(shuō),當(dāng)時(shí)大家把載荷全部拆散,變成零部件逐一稱重,列出長(zhǎng)長(zhǎng)的清單,然后跟同類零件對(duì)比,看更換零件或采用輕量化材料能減輕多少。在結(jié)構(gòu)方面,研制團(tuán)隊(duì)對(duì)衛(wèi)星布局進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化,一些附屬結(jié)構(gòu)能共用就共用、能省掉就省掉。
 
終于,他們?cè)诖_保應(yīng)用效果的前提下,幫助“碳星”順利通過(guò)“體重關(guān)”,甚至在發(fā)射時(shí),火箭還能順便搭載2顆小衛(wèi)星。
 
復(fù)雜的載荷也給衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)帶來(lái)了麻煩。“碳星”的多波束激光雷達(dá)是目前功耗最大的星載激光器組合體,最大功率達(dá)1600多瓦,但需要維持在20℃左右的工作環(huán)境,常規(guī)散熱方式無(wú)法滿足。
 
同時(shí),“碳星”圍繞地球南北兩極運(yùn)行,約90分鐘飛一圈,其中有60分鐘在“陽(yáng)照區(qū)”、30分鐘在“陰影區(qū)”,這使其表面在一個(gè)半小時(shí)內(nèi)最大溫差達(dá)到±90℃。而在它內(nèi)部,載荷要發(fā)揮最佳性能,溫度變化需控制在0.5℃以內(nèi)。
 
既要給“碳星”“穿棉襖”,又要為它“裝空調(diào)”,研制團(tuán)隊(duì)為此煞費(fèi)苦心。通過(guò)一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì),他們終于攻克了這些難題。
 
如果說(shuō),此前我國(guó)遙感衛(wèi)星是“看”地面、描述地面,“碳星”則實(shí)現(xiàn)了更深刻地描述物體物理屬性。“這是遙感衛(wèi)星從幾何特性定量化探測(cè)向輻射特性定量化探測(cè)的跨越。”談起“碳星”的意義,曹海翊自豪地說(shuō),“它不僅能服務(wù)于美麗中國(guó)建設(shè),還將為我國(guó)在‘雙碳’戰(zhàn)略中獲得更多話語(yǔ)權(quán)提供支撐!”
 
 
 
 
 
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