精準支撐雙碳目標 揭秘首顆激光二氧化碳探測衛星

2022年4月16日凌晨，大氣環境監測衛星隨長征四號丙運載火箭發射升空，成為世界首顆具備二氧化碳激光探測能力的衛星。該星將推動我國生態環境、氣象、農業農村等領域遙感應用，對提高衛星資源綜合應用效能、促進環境保護事業意義重大。

 

衛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這一主動探測載荷，可實現對二氧化碳的全天時、高精度探測，為我國實現“碳達峰、碳中和”目標提供重要數據支撐。

 

多個“首次”創新高

 

記者從衛星抓總研制單位中國航天科技集團八院了解到，大氣環境監測衛星在氧化碳探測手段和精度上，在細顆粒物主被動探測和偏振交火探測體制上，創造了三個世界第一。

 

二氧化碳探測，激光雷達出奇效。大氣環境監測衛星國際上首次實現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于1ppm，達到國際最高水平，為我國實現“碳達峰、碳中和”目標提供最精準的遙感數據支撐。同時，大氣探測激光雷達通過對大氣進行分層“CT”掃描，國內首次實現全球氣溶膠光學厚度、形狀和尺寸等垂直分布信息的獲取。

 

PM2.5監測，綜合手段創新高。大氣環境監測衛星國際上首次采用了主被動結合、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合，綜合反演多種遙感數據，實現對近地面細顆粒物（PM2.5等）濃度的高精度監測，為大氣污染精準防治提供科學數據支撐。

 

偏振交火，信息融合效率高。大氣環境監測衛星國際首次采用融合反演級偏振交火探測技術，獲取氣溶膠光學厚度、粒子尺度等多種參數，通過空間、輻射和偏振維度的信息融合，大幅提升細顆粒物探測精度，達到國際先進水平。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污染物以及地表環境監測能力，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。

 

精準控制實現“主動探測”

 

“相當于五個乘客拼了個太空專車，他們各個手持各種測量儀器，對大氣細顆粒物、溫室氣體、氣態污染物、云和氣溶膠等大氣環境以及水環境等生態環境要素進行連續、動態的綜合監測。”中國航天科技集團八院控制所衛星姿軌控分系統副總設計師張艷召說道。

 

“特別是大氣探測激光雷達這位‘貴客’，對專車司機的駕駛技術提出了很高的要求。”據張艷召介紹，大氣探測激光雷達在工作時，實時對地發射不同波段的激光，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。大氣探測激光雷達對二氧化碳探測濃度的指標為1ppm，這就要求激光雷達具有極高的指向測量精度，反映到衛星姿軌控分系統上就是載荷的高精度姿態指向控制。

 

“簡單理解就是激光雷達需要精準地知道發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動的物體會產生多普勒頻移，地球的自轉也會讓激光回波信號產生多普勒頻移，不同位置的自轉速度不同，頻移量也不一樣，想要在反演的時候準確補償這一因素的影響，就需要激光雷達對于射出‘子彈’的落點一清二楚，這就是指向測量精度。”

 

針對大氣環境監測衛星的這一特點，衛星姿軌控分系統采用了三軸零動量的“駕駛”技術，并且“司機”在太空踩下第一腳油門之前，首先會對大家的初始狀態進行重新確認，也就是進行在軌絕對定標。這是因為，在地面上通過機械結構固連在一起的載荷與星敏感器等姿態測量儀器，在太空環境中由于結構應力釋放等原因，其相對位置關系會發生細微地變化，這會導致測量鏈路產生初始誤差。姿軌控分系統設定了激光測距定標及地面靶標絕對定標兩種定標工作模式，將全鏈路誤差修正到最低，從而保證能夠得到激光雷達的絕對姿態指向信息。

 

“我的眼睛就是尺”

 

大氣環境監測衛星部署于太陽同步軌道，每天可繞地球飛14軌，激光雷達不分白天黑夜全天時工作，可謂是一個兢兢業業的“勞模”。除了敬業之外，它還是一個十足的“強迫癥”，時刻不忘擺正自己的姿態，以保證極高的指向測量精度，為此還在國內首次創新應用了無控制點激光光軸自標定技術。

 

這一“神技”順利施展的前提是要有一把能夠實時提供絕對姿態信息的“標尺”，也就是“司機”的“眼睛”——星敏感器。激光雷達自身發射的光源分束后經星敏感器支架上的棱鏡反射，建立起激光雷達與星敏感器的在軌標校系統，這樣激光雷達就可以借助星敏感器這雙“慧眼”實時明確自己“身在何方”。

 

據中國航天科技集團八院控制所衛星姿軌控分系統副主任設計師孫尚介紹，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測量數據。”