十年磨一“星”，中國首顆碳星是如何研制而成？

引言：一則好消息傳來，最近碳監(jiān)測衛(wèi)星簡稱碳星，在我國太原衛(wèi)星發(fā)射中心，進(jìn)行了成功發(fā)射。碳星的順利發(fā)射 ，標(biāo)志著世界上第一顆碳監(jiān)測衛(wèi)星成功進(jìn)入了太空，正式開始了工作。為了研發(fā)出這顆碳星，科研工作者們花了整整十年的時(shí)間。在這十年的時(shí)間里，科研人員先規(guī)劃好總體布局。接著，又對林業(yè)的遙感需求進(jìn)行了詳細(xì)的了解。總設(shè)計(jì)師曾經(jīng)帶領(lǐng)著自己的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，到各地學(xué)習(xí)林業(yè)知識(shí)。

十年前，中國航天科技集團(tuán)的一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了要研制林業(yè)碳監(jiān)測衛(wèi)星的項(xiàng)目。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的成員們覺得這個(gè)提議非常值得研究。成員們并非說說而已，隨即就制定了計(jì)劃。當(dāng)然，成員們知道這并不是一蹴而就 ，需要進(jìn)行深入的了解和監(jiān)測。成員們查閱了大量的資料，對碳匯有了較深刻的了解。碳匯是一項(xiàng)衡量生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的重要指標(biāo)，對于生態(tài)有著極其重要的作用。

在當(dāng)時(shí)，如果成員們想要實(shí)地進(jìn)行碳匯監(jiān)測，就要穿山越嶺、跋山涉水，進(jìn)行樹高測量。不僅技術(shù)受到限制 ，而且成員們工作的環(huán)境也常常受限。總設(shè)計(jì)師曹海翊提出這個(gè)問題可以通過其他的方法來進(jìn)行解決 ，就是利用天基遙感技術(shù)。于是，成員們開始了沒日沒夜的研制工作，成員們提出了將激光器和相機(jī)結(jié)合的方案，成功攻破了一道難題，推動(dòng)碳匯工作進(jìn)一步開展。

但是問題又來了，如何確定衛(wèi)星相機(jī)的角度，又成為了成員們頭疼的事情。相機(jī)之間的夾角太小 ，就區(qū)分不了圖像的效果。如果夾角過大 ，圖像又會(huì)受到其他因素的影響 ，難以準(zhǔn)確觀測碳匯的含量。于是，成員們又開始了將近一年的模擬實(shí)驗(yàn) ?，確定了最終的角度。2017年 ，碳匯項(xiàng)目開始正式立項(xiàng)。緊接著，成員們又攻克了熱控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊榷鄠€(gè)關(guān)卡。

這個(gè)碳星是通過很多個(gè)金屬材料，再加上對于其他行星的研究，添加了一些氣體和物質(zhì)，經(jīng)過十幾年從而研制成功。

經(jīng)過大家日日夜夜的奮戰(zhàn)，就是這樣確定了一些成績，慢慢的變得很好的了。

首先團(tuán)隊(duì)會(huì)潛心了解林業(yè)知識(shí)和研究森林固碳能力的重要指標(biāo)，然后提出“激光器+相機(jī)”的主被動(dòng)聯(lián)合觀測方案雛形，同時(shí)計(jì)劃將光學(xué)遙感衛(wèi)星的影像特長與激光雷達(dá)測高技術(shù)相結(jié)合，最終經(jīng)過不斷改進(jìn)而研制成功。

如何看待我國成功發(fā)射太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號”？

我國成功發(fā)射太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號”，表明了我國的航空航天技術(shù)又向前邁進(jìn)了一大步，已經(jīng)不止月球了，開始向更遠(yuǎn)的太陽探測。

2022年4月16日2時(shí)16分，長征四號丙遙二十八運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，成功將大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。記者從國家航天局獲悉，該衛(wèi)星將有力推動(dòng)我國生態(tài)環(huán)境、氣象、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等領(lǐng)域的遙感技術(shù)應(yīng)用，對提高衛(wèi)星資源綜合應(yīng)用效能、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)事業(yè)意義重大。

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星設(shè)計(jì)運(yùn)行于705公里的太陽同步軌道，整星發(fā)射重量約2.6噸，裝載了大氣探測激光雷達(dá)、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五臺(tái)遙感儀器，是一顆集二氧化碳激光主動(dòng)探測、細(xì)顆粒物立體探測、氣態(tài)污染物探測和地表環(huán)境探測的多要素綜合監(jiān)測衛(wèi)星。

新京報(bào)記者了解到，該星也是世界首顆具備二氧化碳激光探測能力的衛(wèi)星。

長征四號丙遙二十八運(yùn)載火箭正在點(diǎn)火，將大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。國家航天局供圖

三個(gè)國際“首次”，提升碳、大氣污染監(jiān)測能力

據(jù)中國航天科技集團(tuán)八院介紹，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星在二氧化碳探測手段和精度上，在細(xì)顆粒物主被動(dòng)探測和偏振交火探測體制上，創(chuàng)造了三個(gè)世界第一。

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星在國際上首次實(shí)現(xiàn)主動(dòng)激光二氧化碳高精度、全天時(shí)、全球探測，探測精度大幅提升至優(yōu)于1ppm，達(dá)到國際最高水平，為我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提供最精準(zhǔn)的遙感數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，大氣探測激光雷達(dá)通過對大氣進(jìn)行分層“CT”掃描，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)全球氣溶膠光學(xué)厚度、形狀和尺寸等垂直分布信息的獲取。

該衛(wèi)星主被動(dòng)結(jié)合、多手段綜合的探測體制也是在世界上首次被采用，通過裝載不同類型、不同原理的載荷，將主動(dòng)發(fā)射激光接收的回波信號和被動(dòng)接收的太陽光反射信號相結(jié)合，綜合反演多種遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對近地面細(xì)顆粒物（PM2.5等）濃度的高精度監(jiān)測，為大氣污染精準(zhǔn)防治提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

此外，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星在國際上首次采用融合反演級偏振交火探測技術(shù)，獲取氣溶膠光學(xué)厚度、粒子尺度等多種參數(shù)，通過空間、輻射和偏振維度的信息融合，大幅提升細(xì)顆粒物探測精度，并將達(dá)到國際先進(jìn)水平。并且，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(tài)污染物以及地表環(huán)境監(jiān)測能力，使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。

搭載大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的長征四號丙遙二十八運(yùn)載火箭即將發(fā)射升空。國家航天局供圖

多頭星敏感器定位，“眼睛”就是尺

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星部署于太陽同步軌道，每天可繞地球飛14軌，大氣探測激光雷達(dá)可以不分白天黑夜全天時(shí)運(yùn)行。除了“敬業(yè)”外，它還時(shí)刻不忘擺正自己的“姿態(tài)”，以保證極高的指向測量精度。為此，該星還在國內(nèi)首次創(chuàng)新應(yīng)用了無控制點(diǎn)激光光軸自標(biāo)定技術(shù)。這一“神技”順利施展的前提是要有一把能夠?qū)崟r(shí)提供絕對姿態(tài)信息的“標(biāo)尺”，也就是類似于人的“眼睛”――星敏感器。

為了保證激光雷達(dá)的高探測精度，衛(wèi)星裝載的星敏感器需要提供準(zhǔn)確的空間方位和基準(zhǔn)信息并持續(xù)測量在軌發(fā)生的細(xì)微變化。而如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是團(tuán)隊(duì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。通過光、機(jī)、電、熱等多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，中國航天科技集團(tuán)八院509所結(jié)構(gòu)研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了“共基板安裝+一體化星敏支架設(shè)計(jì)”的方案，在滿足星敏感器空間測量要求的同時(shí)，找到了星敏感器測量信息傳遞至激光雷達(dá)的最優(yōu)路線，從而顯著提升了二者之間相對精度的穩(wěn)定性。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還在星敏支架上設(shè)計(jì)安裝了反射光學(xué)系統(tǒng)。激光雷達(dá)自身發(fā)射的光源分束后經(jīng)星敏感器支架上的棱鏡反射，建立起激光雷達(dá)與星敏感器的在軌標(biāo)校系統(tǒng)，這樣激光雷達(dá)就可以借助星敏感器這雙“慧眼”實(shí)時(shí)獲知自己“身在何方”。

中國航天科技集團(tuán)八院控制所衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)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(tǒng)采用了高精度多頭星敏感器。“好比用‘三只眼睛’同時(shí)定位，利用一個(gè)‘大腦’融合處理出更高精度的姿態(tài)測量數(shù)據(jù)。”

搭載大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的長征四號丙遙二十八運(yùn)載火箭成功升空。國家航天局供圖

在軌壽命長達(dá)10年以上，“智能手機(jī)”隨時(shí)在線

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星是國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中的科研衛(wèi)星。此次，中國航天科技集團(tuán)八院電子所還承擔(dān)了型號測控系統(tǒng)USB（統(tǒng)一S頻段）應(yīng)答機(jī)和數(shù)傳通道等產(chǎn)品的研制工作。其中，測控系統(tǒng)USB應(yīng)答機(jī)配合地面站完成衛(wèi)星的遙控、遙測、通信等功能，實(shí)現(xiàn)32毫秒完成遙控、測距信號的快速捕獲解調(diào)和最大誤差3米以內(nèi)的高穩(wěn)定度轉(zhuǎn)發(fā)測距。

據(jù)了解，應(yīng)答機(jī)就像衛(wèi)星的“智能手機(jī)”，讓衛(wèi)星能時(shí)刻“接聽”地面的指令信息，并能把自己的位置和健康情況“告訴”地面。新型數(shù)字化USB應(yīng)答機(jī)突破了型號定制的傳統(tǒng)研制模式，采用“去型號化設(shè)計(jì)+貨架式生產(chǎn)+型號選用”的研制模式，是中國航天科技集團(tuán)研制的型譜產(chǎn)品。

該產(chǎn)品具備一定的自適應(yīng)能力，通過強(qiáng)大的信號處理算法，能夠快速捕獲地面發(fā)射的信號，不需要地面站提供頻率掃描輔助捕獲，還能夠分析計(jì)算接收信號功率以及信號組成，自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)測距信號的參數(shù)，保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)發(fā)信號指標(biāo)。

科研人員還自主開展了高溫加速壽命試驗(yàn)等工作，在+55℃高溫條件下累計(jì)加電時(shí)間超過4000小時(shí)，其等效在軌壽命可以長達(dá)10年以上。

新京報(bào)記者 張建林

編輯 陳靜 校對 劉軍

我國成功發(fā)射太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號”，表明了我國的航空航天技術(shù)又向前邁進(jìn)了一大步，已經(jīng)不止月球了，開始向更遠(yuǎn)的太陽探測。

此次發(fā)射的“羲和號”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了我國空間太陽探測破冰之旅。而計(jì)劃于明年發(fā)射的“夸父號”則是一顆先進(jìn)的太陽天文臺(tái)衛(wèi)星，將對太陽進(jìn)行科學(xué)觀測。此外，我國后續(xù)太陽探測發(fā)展計(jì)劃也正在論證中。國家航天局高分辨率對地觀測重大專項(xiàng)工程總設(shè)計(jì)師 趙堅(jiān): 科學(xué)家們希望按照在黃道面內(nèi)多視角探測，還有大傾角得太陽極區(qū)的探

發(fā)射太陽探測科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星羲和號，這也是說明我們未來的一些科技發(fā)展的非常迅速也是非常的穩(wěn)健希望在今后能夠有更大的開闊。發(fā)射太陽探測科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星悉河號，這也是說明我們未來的一些科技發(fā)展的非常迅速也是非常的穩(wěn)健希望在今后能夠有更大的開闊