“碳星”來了！

　　2022年8月4日，由航天科技集團五院遙感衛星總體部抓總研制的陸地生態系統碳監測衛星“句芒號”（以下簡稱“碳星”），在太原衛星發射中心由長征四號乙運載火箭成功發射。

 

　　作為世界首顆森林碳匯主被動聯合觀測的遙感衛星，“碳星”能夠實現對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量。在“碳星”發射前，我國傳統的碳匯測量主要依靠人工抽樣監測森林植被，而“碳星”的應用標志著我國碳匯監測進入天基遙感時代。

 

　　將天基測繪手段用于森林監測

 

　　監測森林碳匯需要有高精度的植被數據作為支撐。為了實現這一要求，研制團隊大膽“跨界”，創新性地將天基測繪中以“激光雷達+光學相機”為代表的主被動聯合觀測手段應用于森林監測。

 

　　獲取高精度的植被高度和面積信息是森林碳匯監測的關鍵，對應到衛星設計上，這就對激光雷達和多光譜相機提出了更高要求。據航天科技集團五院遙感衛星總體部衛星總設計師曹海翊介紹，為了讓“碳星”一步到位，具備高精度森林碳匯監測能力，研制團隊基于現有技術基礎，從多方面進行創新突破，以“激光雷達波束翻倍，重頻提升逾30倍，配置5個多光譜相機進行5角度綜合觀測”的方案，最終滿足了森林碳匯監測的相關需求。“這種主被動聯合觀測模式，不僅充分發揮了激光雷達和多光譜相機的優勢，也很好地利用了激光校準多光譜相機精度，可謂基于天基遙感手段監測森林碳匯的絕佳方案。”曹海翊表示。

 

　　打造森林碳匯監測的專業星

 

　　植被高度、植被面積、葉綠素熒光和大氣PM2.5含量是計算森林碳匯能力的核心數據。作為森林碳匯監測的專業星，“碳星”配置了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀4種載荷支持，以確保所獲取的監測數據“準、全、細、精”。

 

　　先說植被測高結果“準”。“‘碳星’利用多波束激光雷達對植被測高，通過計算激光到樹冠以及地面的時間差計算樹木的高度，而衛星一次測量發射出激光的光束數量、發射頻次則決定測量精度。”據航天科技集團五院遙感衛星總體部衛星副總設計師張新偉介紹，為最大程度提升植被測高的數據精度，研制團隊通過數據反演、仿真分析、應用測試等，1秒鐘發射200次測量激光，并對激光雷達所需的衛星環境和硬件配置進行適應性設計，克服散熱等難題，最終實現測點間隔由公里級跨越至百米級，使得植被測高精度大幅提升。

 

　　再說獲取植被面積“全”。為了準確還原森林的茂密程度，研制團隊巧思破解，為“碳星”設計安裝了5個多光譜相機，實現對地5角度立體觀測。同時，為了避免植被陰、陽面光線對觀測的影響，研制團隊創新性提出月球定標方法，確保5角度成像光譜響應一致。“有了這些能力，5角度多光譜相機就能幫助‘碳星’繪制一幅立體植被分布圖，精準覆蓋觀測區域的一草一木。”張新偉強調。

 

　　再說葉綠素熒光探測“細”。葉綠素熒光高精度制圖是“碳星”支撐高精度碳匯監測的重要環節，但葉綠素熒光的能量非常小，僅有約0.5%～2%以熒光的形式發射出來。“為提升葉綠素光譜探測的精細程度，我們為‘碳星’設計、配置超光譜探測儀，創新性使用光柵分光原理，將光譜分辨率提升10倍，在國際上首次實現0.3納米的精細探測，甚至能夠探測到人眼看不到的太陽光細微明暗變化。”張新偉介紹。

 

　　最后說大氣校正數據“精”。為去除大氣對監測數據的影響，研制團隊為“碳星”專門配置了偏振成像儀，可支持從35個角度監測大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。此外，還增配了大氣激光雷達，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。如此一橫一縱，就將數據由二維結果變成三維立體信息，確保大氣校正更精準。

 

　　智能設計讓用戶更省心

 

　　碳星雖然載荷多、模式多，但操控起來方便快捷，是一顆具備全自主任務規劃能力的“智能星”。

 

　　除了森林碳匯監測，“碳星”還可廣泛應用于環保、測繪、氣象、農業、減災等領域，支撐作物評估、植物病蟲害監測、災害應急成像等。因此，“碳星”的載荷工作模式組合計算多達47種。既要支持更多應用，又要易用、好操控，傳統的衛星指令操控模式顯然行不通。怎么辦？除了從硬件上保證各種載荷數據獨立傳遞外，研制團隊還從軟件上讓衛星更加智能化——根據設定的邊界條件參數自主辨別海洋、陸地、光照條件，自動規劃最佳探測任務流程，實現完全的自主任務規劃。“經此設計，除了特殊或突發任務外，‘碳星’根本無須用戶操心，就如同智能掃地機器人一樣，一鍵開機，智能化工作。”曹海翊比喻道。

 

光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 張蘭蘭 劉錦洋 王琬涵