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張?zhí)m蘭 劉錦洋?王琬涵?科技日報記者?付毅飛
2022年8月4日11時08分，由中國航天科技集團五院遙感衛(wèi)星總體部抓總研制的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星（以下簡稱“碳星”），在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號乙運載火箭成功發(fā)射。
我國傳統(tǒng)的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進行抽樣監(jiān)測，碳星的應用將改變這一現(xiàn)狀，標志著我國碳匯監(jiān)測進入天基遙感時代。
森林碳匯監(jiān)測需要有高精度的植被數(shù)據(jù)作為支撐。植被高度、植被面積、葉綠素熒光和大氣PM2.5含量，是計算森林碳匯能力的核心數(shù)據(jù)。碳星是世界首顆森林碳匯主被動聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，配置了4種載荷支持獲取以上數(shù)據(jù)。
碳星利用 多波束激光雷達進行植被測高，其實是個抽樣測量的過程，通過計算激光到樹冠以及地面的時間差計算樹木的高度，而衛(wèi)星一次測量發(fā)射出激光的光束數(shù)量、發(fā)射頻 次則決定測量精度。為最大程度提升植被測高的數(shù)據(jù)精度，研制團隊通過數(shù)據(jù)反演、仿真分析、應用測試等實現(xiàn)1秒發(fā)射測量激光200次的能力，并對激光雷達所 需的衛(wèi)星環(huán)境和硬件配置進行適應性設計，克服散熱等難題，最終實現(xiàn)測點間隔由公里級跨越至百米級，植被測高精度大幅提升。
為了準確還原森林茂密程度，研制團隊為衛(wèi)星設計安裝了5個多光譜相機，實現(xiàn)對地5角度立體觀測。為避免植被陰、陽面光線影響，研制團隊創(chuàng)新性提出月球定標方法，確保5角度成像光譜響應一致。具備這些能力后，碳星便能繪制出“立體”植被分布圖，精準覆蓋觀測區(qū)域的一草一木。
葉綠素是 植被光合作用的關鍵影響因素，葉綠素熒光高精度制圖也成為碳星支撐高精度碳匯監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。但葉綠素熒光的能量非常小，僅有約0.5%至2%以熒光的形 式發(fā)射出來。為提升葉綠素光譜探測精細程度，科研人員為碳星設計配置了超光譜探測儀，創(chuàng)新性使用了光柵分光原理，將光譜分辨率較傳統(tǒng)提升了10倍，實現(xiàn)國 際首次0.3納米精細探測，能夠探測到人眼所看不到的太陽光細微明暗變化。
為了去除 大氣對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，研制團隊將大氣校正做到了極致。碳星專門配置了偏振成像儀，支持35個角度監(jiān)測大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信 息；還增配了大氣激光雷達，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。一橫一縱，將數(shù)據(jù)信息由二維變成了三維，確保大氣校正更精準。
除了森林碳匯監(jiān)測這一主業(yè)，碳星還可廣泛應用于環(huán)保、測繪、氣象、農業(yè)、減災等領域，工作模式多達47種。
為了讓衛(wèi)星支持更多應用，同時操控便捷，研制團隊從硬件上保證各種載荷數(shù)據(jù)獨立傳遞，從軟件上讓衛(wèi)星“智能化”，根據(jù)設定的邊界條件參數(shù)實現(xiàn)自主辨別海洋、陸地、光照條件，并以此自動規(guī)劃最佳探測任務流程，實現(xiàn)自主任務規(guī)劃。
在這種設計下，除了特殊或突發(fā)任務，碳星無需用戶操心，而能像智能掃地機器人一樣，掃哪里、怎么掃，全自動完成。