中國碳衛星究竟有多牛？

□ 周立勛 藺超 張軍強

中國碳衛星究竟有多牛？

□ 周立勛 藺超 張軍強

碳衛星工作示意圖

中國首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱“碳衛星”）經平臺測試、載荷加熱排污等一系列工作后，其有效載荷于1月12日成功開機，13日轉入在軌觀測任務模式并獲取首批觀測數據。

此次獲得的數據是通過高光譜二氧化碳監測儀獲取，并經過地面處理生成的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收光譜圖，是我國從太空獲取的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收高分辨率光譜圖。首批觀測數據的成功獲取表明碳衛星與地面應用系統均運行良好。衛星平臺按指令準確實現了各種復雜指向模式，主載荷高光譜探測儀工作穩定、功能正常、狀態良好，為后續科學家開展大氣二氧化碳高精度反演打下了堅實基礎。

那么碳衛星到底身懷什么樣的絕技，才能夠讓“碳排放”無處遁形？今天讓我們一探究竟。

中國碳衛星身負光榮使命

在節能減排刻不容緩的形勢下，為了達到《巴厘路線圖》的“三可”量化減排目標（可測量、可報告、可核查）和相應的計量方法，各國政府都迫切希望科學家們能拿出切實可行的測量方法和技術，為全球碳循環的研究提供可信的數據支持。

要在全球和區域尺度獲取碳循環研究所需的二氧化碳通量信息，星載二氧化碳探測技術成為“嗅碳”的首要突破點，然而極大的技術難度使目前全球僅有兩顆衛星在軌工作：一顆是日本于2009年成功發射的溫室氣體觀測衛星“呼吸”號（GOSAT）衛星，另一顆是美國2014年發射的“軌道碳觀測者”（OCO）-2衛星。

2009年，國家遙感中心組織專家組開始中國碳衛星的前期戰略研究工作；2011年在863計劃的支持下“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示范”重大項目（中國碳衛星）正式立項。項目目標為研制并發射一顆“以高光譜二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀為主要載荷的高空間分辨率和高光譜分辨率全球二氧化碳監測科學試驗衛星”，建立高光譜衛星地面數據處理與驗證系統，形成對全球、中國及其他重點地區大氣二氧化碳濃度監測能力，監測精度達到1～4ppm。

無所遁形碳衛星如何監測全球二氧化碳濃度

碳衛星實現大氣溫室氣體探測是基于大氣吸收池原理，二氧化碳、氧氣等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對吸收光譜的強弱進行嚴格定量測量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應用反演算法即可計算出衛星在觀測路徑上二氧化碳的柱濃度。

2011年1月26日，日本GOSAT衛星拍攝的霧島山火山灰煙柱照片，當時火山活動強度尚未達到令當局發出疏散警告的程度。這張假色照片顯示火山灰煙柱正向東南方向擴散

美國OCO-2衛星

通過對全球柱濃度的序列分析，并借助數據同化系統的一系列模型計算，可推演出全球二氧化碳的通量變化（單位時間通過單位面積的二氧化碳總量），這正是碳循環研究的核心數據基礎。

要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀。二氧化碳探測儀采用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm三 個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04nm，如此高的分辨率在國內光譜儀器的研制上尚屬首次。

一個好漢三個幫，在主載荷之外，碳衛星的另一臺載荷——多譜段云與氣溶膠探測儀，可以用來測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演二氧化碳濃度剔除干擾因素。

除了這些載荷發揮作用外，碳衛星最終要實現全球觀測，還需要衛星平臺實現靈活的觀測模式。

二氧化碳探測儀與衛星平臺配合，通過主平面天底和耀斑兩種主要觀測模式，才能對全球陸地和海面路徑上二氧化碳的吸收光譜進行精確測量。為保證在軌獲取光譜數據的精度，載荷需要在軌進行對日、對月定標，這也需要衛星平臺頻繁調整姿態、翩翩起舞。

中國碳衛星絕對是地球之上的靈魂舞者。

當然，僅有衛星是遠遠不能完成使命的，若要實現最終任務目標，需要多個大系統協調配合。在科技部、中國科學院的共同組織下，碳衛星按照航天工程模式，組成了衛星、運載、

大面積全息衍射光柵

工作人員在低溫實驗室進行儀器調試

工作人員對碳衛星原理樣機進行裝調

為了確保二氧化碳探測儀的測量精度并驗證反演算法，2015年9月，項目組用改造后的原理樣機在白城附近草原進行了航空校飛試驗

鋼鐵怎樣煉成二氧化碳探測儀關鍵技術與突破

二氧化碳探測儀采用三通道光柵光譜儀的方案，選用一塊Si-CCD探測器和兩塊MCT制冷探測器接收3個波段的高光譜分辨率光譜輻射信號，由指向反射鏡、望遠鏡、分束器、三個光柵光譜儀和星上定標組成，0.76μm、1.61μm和2.06μm共3發射場、測控、應用五大系統。

碳衛星發射運行后，科學數據將依托風云系列地面接收站資源完成數據下傳。這些數據并不是直接可用的二氧化碳濃度分布，需要經過大氣物理學家進行高精度的全球二氧化碳分布反演計算，最終才能成為全球二氧化碳觀測數據產品并共享發布。個譜段，分別對大氣中的氧氣和二氧化碳痕量氣體進行觀測，提供大氣溫室氣體的精細光譜測量結果。

二氧化碳探測儀核心的技術指標和難點就是要同時實現高光譜分辨率和高輻射分辨率，這就如同檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而二氧化碳探測儀可以把指紋放大一百倍，精細的測量每條指紋的寬度和深度。

為實現核心指標，二氧化碳探測儀突破了一系列核心關鍵技術。

二氧化碳探測儀通過一塊指向反射鏡對外部光線進行收集，這塊指向鏡在設計時被巧妙地設計成“一鏡雙用”：一面鏡面，用于在觀測時折射光線；一面漫反射面，在定標時對準太陽，形成漫反射光來定標儀器精度。

巧妙設計的背后是加工制造難度的極大增加，一方面要保證鏡面和漫反射面的高精度，另一方面要實現高度輕量化和高可靠性，研究人員經過反復的工藝摸索和大量的空間可靠性試驗，最終才完全攻克這項關鍵技術難題。

二氧化碳探測儀使用的核心分光元件是大面積全息光柵，這種光柵需要極高的衍射效率和面型精度，同時要能夠適應苛刻的太空環境。

為突破這項關鍵技術，科研人員從最基礎的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統研究出發，一點點攻克技術難點，最終制造出高精度衍射光柵，并在航空校飛試驗中進行了驗證。

對于碳衛星上的二氧化碳探測儀來說，還有一項與其他很多星載光學載荷不同，那就是它在軌工作時要保持在-5℃的溫度水平，這是為了提高兩個紅外通道的信噪比、保證光譜探測精度。

這一簡單的條件變化，需要科研人員進行所有的組件、整機裝調工作時都必須在-5℃條件下。于是，在載荷初樣、正樣研制最緊張的階段，研究人員連續數月在低溫室里工作，經常是戶外30℃以上的高溫，而低溫室內卻要穿著厚厚的羽絨服、凍著手堅持裝調。

定標技術是光譜儀器的最終實現精度的關鍵技術，為保證最終的光譜數據的精準，必須在實驗室和在軌工作時對儀器的光譜性能和輻射性能進行精準標定。

碳衛星載荷系統（上方是多譜段云與氣溶膠探測儀，右側是高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀）

多譜段云與氣溶膠探測儀

熱真空試驗

二氧化碳探測儀和云與氣溶膠探測儀采用了國際最先進的定標技術。為保證實驗室定標數據有效性，二氧化碳探測儀必須在真空罐內模擬在軌實際工作狀態進行定標，而這一真空定標系統是為二氧化碳探測儀量身特制的。

科研人員還利用可調諧激光器和波長及搭建自動化定標系統，大幅提高了實驗室定標的效率，使儀器的定標周期較OCO-2衛星大幅縮短。

而提到在軌定標技術，兩臺儀器均采用的是多種定標模式交叉比對定標，而且能夠實現在軌對日定標，云與氣溶膠探測儀還能夠進行在軌對月定標，這使得在太空工作狀態下，儀器也能有一個穩定的決定定標基準，對于保證儀器最終的數據精度極為關鍵。

一個好漢三個幫“配角”也不簡單

多譜段云與氣溶膠探測儀雖然不是“主角”，但千萬別小看它，它可能會給我們帶來很多意想不到的收獲。

在碳衛星立項論證時，云與氣溶膠探測儀只規劃了0.38μm、0.67μm、0.87μm、1.64μm四個光譜通道，但隨著地面應用系統的不斷論證，希望儀器能夠增加1.375μm探測通道，并在0.67μm和1.64μm波段實現0°、60°、120°三個方向的偏振測量功能。

為了獲取更加豐富的科學數據，載荷研制單位克服困能，重新對儀器進行了設計，按照應用系統的需求增加了相應的探測通道。

增加探測通道后，利用偏振信號對氣溶膠敏感而對地表不敏感的特點，可以提取氣溶膠光學厚度，然后利用提取的氣溶膠信息和標量信號對地表敏感的特點，經過大氣訂正，得到地表反射率，從而實現對氣溶膠和地表反射率的同時反演。

這樣不僅可以獲取到全球尺度氣溶膠數據，還可以幫助氣象學家提高天氣預報的準確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐?！?/p>