精准支撑双碳目标 揭秘首颗激光二氧化碳探测卫星

2022年4月16日凌晨，大气环境监测卫星随长征四号丙运载火箭发射升空，成为世界首颗具备二氧化碳激光探测能力的卫星。该星将推动我国生态环境、气象、农业农村等领域遥感应用，对提高卫星资源综合应用效能、促进环境保护事业意义重大。

 

卫星除搭载高精度偏振扫描仪、多角度偏振成像仪、紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪等被动探测载荷之外，还在国际上首次搭载了大气探测激光雷达这一主动探测载荷，可实现对二氧化碳的全天时、高精度探测，为我国实现“碳达峰、碳中和”目标提供重要数据支撑。

 

多个“首次”创新高

 

记者从卫星抓总研制单位中国航天科技集团八院了解到，大气环境监测卫星在氧化碳探测手段和精度上，在细颗粒物主被动探测和偏振交火探测体制上，创造了三个世界第一。

 

二氧化碳探测，激光雷达出奇效。大气环境监测卫星国际上首次实现主动激光氧化碳高精度、全天时、全球探测，探测精度大幅提升至优于1ppm，达到国际最高水平，为我国实现“碳达峰、碳中和”目标提供最精准的遥感数据支撑。同时，大气探测激光雷达通过对大气进行分层“CT”扫描，国内首次实现全球气溶胶光学厚度、形状和尺寸等垂直分布信息的获取。

 

PM2.5监测，综合手段创新高。大气环境监测卫星国际上首次采用了主被动结合、多手段综合的探测体制，通过装载不同类型、不同原理的载荷，将主动发射激光接收的回波信号和被动接收的太阳光反射信号相结合，综合反演多种遥感数据，实现对近地面细颗粒物（PM2.5等）浓度的高精度监测，为大气污染精准防治提供科学数据支撑。

 

偏振交火，信息融合效率高。大气环境监测卫星国际首次采用融合反演级偏振交火探测技术，获取气溶胶光学厚度、粒子尺度等多种参数，通过空间、辐射和偏振维度的信息融合，大幅提升细颗粒物探测精度，达到国际先进水平。此外，紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪也将大幅提升气态污染物以及地表环境监测能力，紫外谱段高光谱大气观测以及宽幅多光谱观测空间分辨率提升一倍。

 

精准控制实现“主动探测”

 

“相当于五个乘客拼了个太空专车，他们各个手持各种测量仪器，对大气细颗粒物、温室气体、气态污染物、云和气溶胶等大气环境以及水环境等生态环境要素进行连续、动态的综合监测。”中国航天科技集团八院控制所卫星姿轨控分系统副总设计师张艳召说道。

 

“特别是大气探测激光雷达这位‘贵客’，对专车司机的驾驶技术提出了很高的要求。”据张艳召介绍，大气探测激光雷达在工作时，实时对地发射不同波段的激光，并接收激光的回波信号，通过对接收到的回波信号来反演全球大气中的二氧化碳柱浓度信息以及云和气溶胶的垂直分布信息。大气探测激光雷达对二氧化碳探测浓度的指标为1ppm，这就要求激光雷达具有极高的指向测量精度，反映到卫星姿轨控分系统上就是载荷的高精度姿态指向控制。

 

“简单理解就是激光雷达需要精准地知道发射出去的光波是在地球上哪个位置被反射回来的。”张艳召说道。“我们都知道波遇到运动的物体会产生多普勒频移，地球的自转也会让激光回波信号产生多普勒频移，不同位置的自转速度不同，频移量也不一样，想要在反演的时候准确补偿这一因素的影响，就需要激光雷达对于射出‘子弹’的落点一清二楚，这就是指向测量精度。”

 

针对大气环境监测卫星的这一特点，卫星姿轨控分系统采用了三轴零动量的“驾驶”技术，并且“司机”在太空踩下第一脚油门之前，首先会对大家的初始状态进行重新确认，也就是进行在轨绝对定标。这是因为，在地面上通过机械结构固连在一起的载荷与星敏感器等姿态测量仪器，在太空环境中由于结构应力释放等原因，其相对位置关系会发生细微地变化，这会导致测量链路产生初始误差。姿轨控分系统设定了激光测距定标及地面靶标绝对定标两种定标工作模式，将全链路误差修正到最低，从而保证能够得到激光雷达的绝对姿态指向信息。

 

“我的眼睛就是尺”

 

大气环境监测卫星部署于太阳同步轨道，每天可绕地球飞14轨，激光雷达不分白天黑夜全天时工作，可谓是一个兢兢业业的“劳模”。除了敬业之外，它还是一个十足的“强迫症”，时刻不忘摆正自己的姿态，以保证极高的指向测量精度，为此还在国内首次创新应用了无控制点激光光轴自标定技术。

 

这一“神技”顺利施展的前提是要有一把能够实时提供绝对姿态信息的“标尺”，也就是“司机”的“眼睛”——星敏感器。激光雷达自身发射的光源分束后经星敏感器支架上的棱镜反射，建立起激光雷达与星敏感器的在轨标校系统，这样激光雷达就可以借助星敏感器这双“慧眼”实时明确自己“身在何方”。

 

据中国航天科技集团八院控制所卫星姿轨控分系统副主任设计师孙尚介绍，为提供高精度在轨三轴惯性测量精度，姿轨控分系统采用了高精度多头星敏感器。“好比用‘三只眼睛’同时定位，利用一个‘大脑”融合处理出更高精度的姿态测量数据。”