我國碳匯監測將進入天基遙感時代

在不久前舉行的第十四屆中國國際航空航天博覽會上，在太空中進行在軌測試的陸地生態系統碳監測衛星（以下簡稱“碳星”），以模型形式與公眾見面。

由中國航天科技集團五院（以下簡稱五院）遙感衛星總體部抓總研制的“碳星”，是世界首顆森林碳匯主被動聯合觀測遙感衛星，它將使我國碳匯監測進入天基遙感時代。

“黨的二十大報告提出，到2035年廣泛形成綠色生產生活方式，碳排放達峰后穩中有降，生態環境根本好轉，美麗中國目標基本實現。”五院遙感衛星總體部衛星總設計師曹海翊對科技日報記者說，“我們的‘碳星’，就是森林碳匯監測的一把好手，通過監測森林的固碳能力，來監測我國‘碳達峰、碳中和’目標的完成情況，服務美麗中國目標的實現。”

為了將碳匯監測系統搬上太空，五院研制團隊歷經10年攻關，實現多項創新。

緊扣時代脈搏造“碳星”

2012年11月，黨的十八大報告提出“努力建設美麗中國”。曹海翊陷入了思考：“如果我們能研制一顆觀測綠水青山的衛星，那也是為建設美麗中國作貢獻了。”

正巧那一年五院拿到“星載激光雷達總體技術”課題。激光雷達是衛星用來測量與地面物體距離的重要手段之一，項目團隊決定攻克激光雷達測量森林高度難題，為中國研制首顆林業遙感衛星。

為了做足功課，曹海翊帶著項目團隊赴國家林業和草原局、中國林業科學院、東北林業大學等單位學習研究林業知識。一番“求學”下來，她發現，林業遙感的需求不僅僅是給大樹量身高那么簡單。

當時，碳匯概念已經流行，這是衡量森林固碳能力的重要指標。我國碳匯監測需要森林調查員跋山涉水，深入山林中實地進行樹高和樹木胸徑測量，耗時耗力不說，還受到各種環境限制。

曹海翊認為，可以用天基遙感手段解決這個問題。

經過近兩年深入研究，研制團隊提出“激光器+相機”的主被動聯合觀測方案雛形，計劃將光學遙感衛星的影像特長與激光雷達測高技術相結合，幫助我國林業部門實現碳匯監測跨越升級。

2015年，“美麗中國建設”被納入我國“十三五”規劃。同年，“碳星”正式啟動研制。

“這顆衛星的研制是緊扣著時代脈搏跳動的。”五院遙感衛星總體部衛星總指揮王祥說。

用匠心打造精品

對星載激光雷達，研制團隊有一定技術經驗。在曹海翊作為總設計師、當時正在研制的資源三號02星和高分七號衛星上，均搭載了激光測高儀載荷。但“碳星”多波束激光雷達的配置指標面臨著更高要求。

五院“碳星”總體主任設計師黃縉舉例說：“激光脈沖的發射頻次，在其他衛星上是每秒鐘打幾個點。而森林樹高參差不齊，測點密度越高，測量數據就越全面精確。”

研制團隊通過計算不同測點密度下的數據反演精度，經過近半年仿真分析，確定了5波束40赫茲重頻的激光雷達方案。也就是說，“碳星”的激光雷達載荷共有5個測距激光器，每個激光器的發射頻次達每秒40次，共具備每秒發射測量激光200次的能力。“這相當于把我國星載激光雷達的指標提升了一代。”黃縉說。

如何讓相機在碳匯監測中最大化發揮作用，也是新問題。

“如果用傳統衛星遙感方式去俯視，只能看到一棵樹的面積。而如果沿著衛星運行軌跡從不同角度觀測，則可以看出這棵樹的體積、冠幅的幾何形態，并探測它的反射特性，推算其茂密程度。”曹海翊說。

因此，研制團隊將相機方案定為“多角度、多光譜”遙感相機，并通過近一年的成像仿真實驗，確定了0°、±19°、±41°共5個角度，能夠使大氣對于觀測圖像質量的影響最小化，同時滿足現階段林業遙感觀測需求。

此后，研制團隊又從總體設計上提出新增超光譜探測儀和多角度偏振成像儀，用于探測葉綠素熒光和大氣氣溶膠。

曹海翊介紹說，“碳星”集多種載荷于一身，在同一時刻、同一位置開展觀測，數據相互的耦合度更好，觀測結果更真實準確，這樣的效果是多顆單一載荷衛星難以比擬的。

從“紙上開花”到“落地生根”

2017年，“碳星”的研制終于從“紙上開花”到“落地生根”——衛星正式批復立項。

進入工程化研制階段的“碳星”，面臨的首要問題卻是“減肥”。4種載荷雖然讓它擁有強大的功能，但也使它“超重”了100公斤，超出了火箭運載能力。

衛星上每個零件都有用，怎么減？研制團隊用了“狠招”。黃縉說，當時大家把載荷全部拆散，變成零部件逐一稱重，列出長長的清單，然后跟同類零件對比，看更換零件或采用輕量化材料能減輕多少。在結構方面，研制團隊對衛星布局進行了調整優化，一些附屬結構能共用就共用、能省掉就省掉。

終于，他們在確保應用效果的前提下，幫助“碳星”順利通過“體重關”，甚至在發射時，火箭還能順便搭載2顆小衛星。

復雜的載荷也給衛星熱控設計帶來了麻煩。“碳星”的多波束激光雷達是目前功耗最大的星載激光器組合體，最大功率達1600多瓦，但需要維持在20℃左右的工作環境，常規散熱方式無法滿足。

同時，“碳星”圍繞地球南北兩極運行，約90分鐘飛一圈，其中有60分鐘在“陽照區”、30分鐘在“陰影區”，這使其表面在一個半小時內最大溫差達到±90℃。而在它內部，載荷要發揮最佳性能，溫度變化需控制在0.5℃以內。

既要給“碳星”“穿棉襖”，又要為它“裝空調”，研制團隊為此煞費苦心。通過一系列創新設計，他們終于攻克了這些難題。