我國碳匯監(jiān)測將進入天基遙感時代

在不久前舉行的第十四屆中國國際航空航天博覽會上，在太空中進行在軌測試的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星（以下簡稱“碳星”），以模型形式與公眾見面。

 

由中國航天科技集團五院（以下簡稱五院）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聯(lián)合觀測遙感衛(wèi)星，它將使我國碳匯監(jiān)測進入天基遙感時代。

 

“黨的二十大報告提出，到2035年廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式，碳排放達峰后穩(wěn)中有降，生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國目標(biāo)基本實現(xiàn)。”五院遙感衛(wèi)星總體部衛(wèi)星總設(shè)計師曹海翊對科技日報記者說，“我們的‘碳星’，就是森林碳匯監(jiān)測的一把好手，通過監(jiān)測森林的固碳能力，來監(jiān)測我國‘碳達峰、碳中和’目標(biāo)的完成情況，服務(wù)美麗中國目標(biāo)的實現(xiàn)。”

 

為了將碳匯監(jiān)測系統(tǒng)搬上太空，五院研制團隊歷經(jīng)10年攻關(guān)，實現(xiàn)多項創(chuàng)新。

 

緊扣時代脈搏造“碳星”

 

2012年11月，黨的十八大報告提出“努力建設(shè)美麗中國”。曹海翊陷入了思考：“如果我們能研制一顆觀測綠水青山的衛(wèi)星，那也是為建設(shè)美麗中國作貢獻了。”

 

正巧那一年五院拿到“星載激光雷達總體技術(shù)”課題。激光雷達是衛(wèi)星用來測量與地面物體距離的重要手段之一，項目團隊決定攻克激光雷達測量森林高度難題，為中國研制首顆林業(yè)遙感衛(wèi)星。

 

為了做足功課，曹海翊帶著項目團隊赴國家林業(yè)和草原局、中國林業(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。一番“求學(xué)”下來，她發(fā)現(xiàn)，林業(yè)遙感的需求不僅僅是給大樹量身高那么簡單。

 

當(dāng)時，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)。我國碳匯監(jiān)測需要森林調(diào)查員跋山涉水，深入山林中實地進行樹高和樹木胸徑測量，耗時耗力不說，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問題。

 

經(jīng)過近兩年深入研究，研制團隊提出“激光器+相機”的主被動聯(lián)合觀測方案雛形，計劃將光學(xué)遙感衛(wèi)星的影像特長與激光雷達測高技術(shù)相結(jié)合，幫助我國林業(yè)部門實現(xiàn)碳匯監(jiān)測跨越升級。

 

2015年，“美麗中國建設(shè)”被納入我國“十三五”規(guī)劃。同年，“碳星”正式啟動研制。

 

“這顆衛(wèi)星的研制是緊扣著時代脈搏跳動的。”五院遙感衛(wèi)星總體部衛(wèi)星總指揮王祥說。

 

用匠心打造精品

 

對星載激光雷達，研制團隊有一定技術(shù)經(jīng)驗。在曹海翊作為總設(shè)計師、當(dāng)時正在研制的資源三號02星和高分七號衛(wèi)星上，均搭載了激光測高儀載荷。但“碳星”多波束激光雷達的配置指標(biāo)面臨著更高要求。

 

五院“碳星”總體主任設(shè)計師黃縉舉例說：“激光脈沖的發(fā)射頻次，在其他衛(wèi)星上是每秒鐘打幾個點。而森林樹高參差不齊，測點密度越高，測量數(shù)據(jù)就越全面精確。”

 

研制團隊通過計算不同測點密度下的數(shù)據(jù)反演精度，經(jīng)過近半年仿真分析，確定了5波束40赫茲重頻的激光雷達方案。也就是說，“碳星”的激光雷達載荷共有5個測距激光器，每個激光器的發(fā)射頻次達每秒40次，共具備每秒發(fā)射測量激光200次的能力。“這相當(dāng)于把我國星載激光雷達的指標(biāo)提升了一代。”黃縉說。

 

如何讓相機在碳匯監(jiān)測中最大化發(fā)揮作用，也是新問題。

 

“如果用傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感方式去俯視，只能看到一棵樹的面積。而如果沿著衛(wèi)星運行軌跡從不同角度觀測，則可以看出這棵樹的體積、冠幅的幾何形態(tài)，并探測它的反射特性，推算其茂密程度。”曹海翊說。

 

因此，研制團隊將相機方案定為“多角度、多光譜”遙感相機，并通過近一年的成像仿真實驗，確定了0°、±19°、±41°共5個角度，能夠使大氣對于觀測圖像質(zhì)量的影響最小化，同時滿足現(xiàn)階段林業(yè)遙感觀測需求。

 

此后，研制團隊又從總體設(shè)計上提出新增超光譜探測儀和多角度偏振成像儀，用于探測葉綠素?zé)晒夂痛髿鈿馊苣z。

 

曹海翊介紹說，“碳星”集多種載荷于一身，在同一時刻、同一位置開展觀測，數(shù)據(jù)相互的耦合度更好，觀測結(jié)果更真實準(zhǔn)確，這樣的效果是多顆單一載荷衛(wèi)星難以比擬的。

 

從“紙上開花”到“落地生根”

 

2017年，“碳星”的研制終于從“紙上開花”到“落地生根”——衛(wèi)星正式批復(fù)立項。

 

進入工程化研制階段的“碳星”，面臨的首要問題卻是“減肥”。4種載荷雖然讓它擁有強大的功能，但也使它“超重”了100公斤，超出了火箭運載能力。

 

衛(wèi)星上每個零件都有用，怎么減？研制團隊用了“狠招”。黃縉說，當(dāng)時大家把載荷全部拆散，變成零部件逐一稱重，列出長長的清單，然后跟同類零件對比，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，研制團隊對衛(wèi)星布局進行了調(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，他們在確保應(yīng)用效果的前提下，幫助“碳星”順利通過“體重關(guān)”，甚至在發(fā)射時，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)計帶來了麻煩。“碳星”的多波束激光雷達是目前功耗最大的星載激光器組合體，最大功率達1600多瓦，但需要維持在20℃左右的工作環(huán)境，常規(guī)散熱方式無法滿足。

 

同時，“碳星”圍繞地球南北兩極運行，約90分鐘飛一圈，其中有60分鐘在“陽照區(qū)”、30分鐘在“陰影區(qū)”，這使其表面在一個半小時內(nèi)最大溫差達到±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)”，研制團隊為此煞費苦心。通過一系列創(chuàng)新設(shè)計，他們終于攻克了這些難題。

 

如果說，此前我國遙感衛(wèi)星是“看”地面、描述地面，“碳星”則實現(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向輻射特性定量化探測的跨越。”談起“碳星”的意義，曹海翊自豪地說，“它不僅能服務(wù)于美麗中國建設(shè)，還將為我國在‘雙碳’戰(zhàn)略中獲得更多話語權(quán)提供支撐！”