精準(zhǔn)支撐雙碳目標(biāo) 揭秘首顆激光二氧化碳探測(cè)衛(wèi)星

2022年4月16日凌晨，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星隨長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射升空，成為世界首顆具備二氧化碳激光探測(cè)能力的衛(wèi)星。該星將推動(dòng)我國(guó)生態(tài)環(huán)境、氣象、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等領(lǐng)域遙感應(yīng)用，對(duì)提高衛(wèi)星資源綜合應(yīng)用效能、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)事業(yè)意義重大。

 

衛(wèi)星除搭載高精度偏振掃描儀、多角度偏振成像儀、紫外高光譜大氣成分探測(cè)儀及寬幅成像光譜儀等被動(dòng)探測(cè)載荷之外，還在國(guó)際上首次搭載了大氣探測(cè)激光雷達(dá)這一主動(dòng)探測(cè)載荷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳的全天時(shí)、高精度探測(cè)，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提供重要數(shù)據(jù)支撐。

 

多個(gè)“首次”創(chuàng)新高

 

記者從衛(wèi)星抓總研制單位中國(guó)航天科技集團(tuán)八院了解到，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在氧化碳探測(cè)手段和精度上，在細(xì)顆粒物主被動(dòng)探測(cè)和偏振交火探測(cè)體制上，創(chuàng)造了三個(gè)世界第一。

 

二氧化碳探測(cè)，激光雷達(dá)出奇效。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)主動(dòng)激光氧化碳高精度、全天時(shí)、全球探測(cè)，探測(cè)精度大幅提升至優(yōu)于1ppm，達(dá)到國(guó)際最高水平，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提供最精準(zhǔn)的遙感數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，大氣探測(cè)激光雷達(dá)通過(guò)對(duì)大氣進(jìn)行分層“CT”掃描，國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)全球氣溶膠光學(xué)厚度、形狀和尺寸等垂直分布信息的獲取。

 

PM2.5監(jiān)測(cè)，綜合手段創(chuàng)新高。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星國(guó)際上首次采用了主被動(dòng)結(jié)合、多手段綜合的探測(cè)體制，通過(guò)裝載不同類型、不同原理的載荷，將主動(dòng)發(fā)射激光接收的回波信號(hào)和被動(dòng)接收的太陽(yáng)光反射信號(hào)相結(jié)合，綜合反演多種遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)近地面細(xì)顆粒物（PM2.5等）濃度的高精度監(jiān)測(cè)，為大氣污染精準(zhǔn)防治提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

 

偏振交火，信息融合效率高。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星國(guó)際首次采用融合反演級(jí)偏振交火探測(cè)技術(shù)，獲取氣溶膠光學(xué)厚度、粒子尺度等多種參數(shù)，通過(guò)空間、輻射和偏振維度的信息融合，大幅提升細(xì)顆粒物探測(cè)精度，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。此外，紫外高光譜大氣成分探測(cè)儀及寬幅成像光譜儀也將大幅提升氣態(tài)污染物以及地表環(huán)境監(jiān)測(cè)能力，紫外譜段高光譜大氣觀測(cè)以及寬幅多光譜觀測(cè)空間分辨率提升一倍。

 

精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)探測(cè)”

 

“相當(dāng)于五個(gè)乘客拼了個(gè)太空專車，他們各個(gè)手持各種測(cè)量?jī)x器，對(duì)大氣細(xì)顆粒物、溫室氣體、氣態(tài)污染物、云和氣溶膠等大氣環(huán)境以及水環(huán)境等生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)的綜合監(jiān)測(cè)。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院控制所衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張艷召說(shuō)道。

 

“特別是大氣探測(cè)激光雷達(dá)這位‘貴客’，對(duì)專車司機(jī)的駕駛技術(shù)提出了很高的要求。”據(jù)張艷召介紹，大氣探測(cè)激光雷達(dá)在工作時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)地發(fā)射不同波段的激光，并接收激光的回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)接收到的回波信號(hào)來(lái)反演全球大氣中的二氧化碳柱濃度信息以及云和氣溶膠的垂直分布信息。大氣探測(cè)激光雷達(dá)對(duì)二氧化碳探測(cè)濃度的指標(biāo)為1ppm，這就要求激光雷達(dá)具有極高的指向測(cè)量精度，反映到衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)上就是載荷的高精度姿態(tài)指向控制。

 

“簡(jiǎn)單理解就是激光雷達(dá)需要精準(zhǔn)地知道發(fā)射出去的光波是在地球上哪個(gè)位置被反射回來(lái)的。”張艷召說(shuō)道。“我們都知道波遇到運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，地球的自轉(zhuǎn)也會(huì)讓激光回波信號(hào)產(chǎn)生多普勒頻移，不同位置的自轉(zhuǎn)速度不同，頻移量也不一樣，想要在反演的時(shí)候準(zhǔn)確補(bǔ)償這一因素的影響，就需要激光雷達(dá)對(duì)于射出‘子彈’的落點(diǎn)一清二楚，這就是指向測(cè)量精度。”

 

針對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的這一特點(diǎn)，衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)采用了三軸零動(dòng)量的“駕駛”技術(shù)，并且“司機(jī)”在太空踩下第一腳油門之前，首先會(huì)對(duì)大家的初始狀態(tài)進(jìn)行重新確認(rèn)，也就是進(jìn)行在軌絕對(duì)定標(biāo)。這是因?yàn)?，在地面上通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)固連在一起的載荷與星敏感器等姿態(tài)測(cè)量?jī)x器，在太空環(huán)境中由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放等原因，其相對(duì)位置關(guān)系會(huì)發(fā)生細(xì)微地變化，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量鏈路產(chǎn)生初始誤差。姿軌控分系統(tǒng)設(shè)定了激光測(cè)距定標(biāo)及地面靶標(biāo)絕對(duì)定標(biāo)兩種定標(biāo)工作模式，將全鏈路誤差修正到最低，從而保證能夠得到激光雷達(dá)的絕對(duì)姿態(tài)指向信息。

 

“我的眼睛就是尺”

 

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星部署于太陽(yáng)同步軌道，每天可繞地球飛14軌，激光雷達(dá)不分白天黑夜全天時(shí)工作，可謂是一個(gè)兢兢業(yè)業(yè)的“勞模”。除了敬業(yè)之外，它還是一個(gè)十足的“強(qiáng)迫癥”，時(shí)刻不忘擺正自己的姿態(tài)，以保證極高的指向測(cè)量精度，為此還在國(guó)內(nèi)首次創(chuàng)新應(yīng)用了無(wú)控制點(diǎn)激光光軸自標(biāo)定技術(shù)。

 

這一“神技”順利施展的前提是要有一把能夠?qū)崟r(shí)提供絕對(duì)姿態(tài)信息的“標(biāo)尺”，也就是“司機(jī)”的“眼睛”——星敏感器。激光雷達(dá)自身發(fā)射的光源分束后經(jīng)星敏感器支架上的棱鏡反射，建立起激光雷達(dá)與星敏感器的在軌標(biāo)校系統(tǒng)，這樣激光雷達(dá)就可以借助星敏感器這雙“慧眼”實(shí)時(shí)明確自己“身在何方”。

 

據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)八院控制所衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師孫尚介紹，為提供高精度在軌三軸慣性測(cè)量精度，姿軌控分系統(tǒng)采用了高精度多頭星敏感器。“好比用‘三只眼睛’同時(shí)定位，利用一個(gè)‘大腦”融合處理出更高精度的姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)。”