二氧化碳高精度探测有多难？一文揭秘

4月16日，大气环境监测卫星随长征四号丙运载火箭发射升空，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，还于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，为中国实现“双碳”目标提供重要数据支撑。

卫星效果图 中国航天科技集团八院供图

二氧化碳高精度探测有多难？

“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。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。”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。

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百万分之一，这就要求激光雷达具有极高的指向测量精度。

“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，“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。”

“我的眼睛就是尺”

高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。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。

据了解，这是因为卫星载荷与星敏感器等姿态测量仪器在地面上是通过机械结构固连在一起的，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的变化，这会导致测量链路产生初始误差。

对此，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。

除了确认卫星载荷的姿态，大气环境监测卫星还时刻不忘摆正自己的姿态。这一“神技”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，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。”

来源中新网