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

2022年4月16日凌晨，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星隨長征四號丙運(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能力的衛(wèi)星。該星將推動我國生態(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儀及寬幅成像光譜儀等被動探測載荷之外，還在國際上首次搭載了大氣探測激光雷達(dá)這一主動探測載荷，可實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的全天時、高精度探測，為我國實(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“首次”創(chuàng)新高

 

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

 

二氧化碳探測，激光雷達(dá)出奇效。大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星國際上首次實(shí)現(xiàn)主動激光氧化碳高精度、全天時、全球探測，探測精度大幅提升至優(yōu)于1ppm，達(dá)到國際最高水平，為我國實(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，大氣探測激光雷達(dá)通過對大氣進(jìn)行分層“CT”掃描，國內(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，綜合手段創(chuàng)新高。大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星國際上首次采用了主被動結(jié)合、多手段綜合的探測體制，通過裝載不同類型、不同原理的載荷，將主動發(fā)射激光接收的回波信號和被動接收的太陽光反射信號相結(jié)合，綜合反演多種遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對近地面細(xì)顆粒物（PM2.5等）濃度的高精度監(jiān)測，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)測衛(wèi)星國際首次采用融合反演級偏振交火探測技術(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)顆粒物探測精度，達(dá)到國際先進(jìn)水平。此外，紫外高光譜大氣成分探測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)測能力，紫外譜段高光譜大氣觀測以及寬幅多光譜觀測空間分辨率提升一倍。

 

精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)“主動探測”

 

“相當(dāng)于五個乘客拼了個太空專車，他們各個手持各種測量儀器，對大氣細(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)、動態(tài)的綜合監(jiān)測。”中國航天科技集團(tuán)八院控制所衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張艷召說道。

 

“特別是大氣探測激光雷達(dá)這位‘貴客’，對專車司機(jī)的駕駛技術(shù)提出了很高的要求。”據(jù)張艷召介紹，大氣探測激光雷達(dá)在工作時，實(shí)時對地發(fā)射不同波段的激光，并接收激光的回波信號，通過對接收到的回波信號來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。大氣探測激光雷達(dá)對二氧化碳探測濃度的指標(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位置被反射回來的。”張艷召說道。“我們都知道波遇到運(yùn)動的物體會產(chǎn)生多普勒頻移，地球的自轉(zhuǎn)也會讓激光回波信號產(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，想要在反演的時候準(zhǔn)確補(bǔ)償這一因素的影響，就需要激光雷達(dá)對于射出‘子彈’的落點(diǎn)一清二楚，這就是指向測量精度。”

 

針對大氣環(huán)境監(jiān)測衛(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，首先會對大家的初始狀態(tài)進(jìn)行重新確認(rèn)，也就是進(jìn)行在軌絕對定標(biāo)。這是因?yàn)?，在地面上通過機(jī)械結(jié)構(gòu)固連在一起的載荷與星敏感器等姿態(tài)測量儀器，在太空環(huán)境中由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放等原因，其相對位置關(guān)系會發(fā)生細(xì)微地變化，這會導(dǎo)致測量鏈路產(chǎn)生初始誤差。姿軌控分系統(tǒng)設(shè)定了激光測距定標(biāo)及地面靶標(biāo)絕對定標(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)的絕對姿態(tài)指向信息。

 

“我的眼睛就是尺”

 

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星部署于太陽同步軌道，每天可繞地球飛14軌，激光雷達(dá)不分白天黑夜全天時工作，可謂是一個兢兢業(yè)業(yè)的“勞模”。除了敬業(yè)之外，它還是一個十足的“強(qiáng)迫癥”，時刻不忘擺正自己的姿態(tài)，以保證極高的指向測量精度，為此還在國內(nèi)首次創(chuàng)新應(yīng)用了無控制點(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提供絕對姿態(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)時明確自己“身在何方”。

 

據(jù)中國航天科技集團(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’同時定位，利用一個‘大腦”融合處理出更高精度的姿態(tài)測量數(shù)據(jù)。”