2022年8月4日11時08分，由航天科技(000901)集團(tuán)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(yùn)載火箭成功發(fā)射。在碳星發(fā)射前，我國傳統(tǒng)的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進(jìn)行抽樣監(jiān)測，碳星的應(yīng)用將改變這一現(xiàn)狀，標(biāo)志著我國碳匯監(jiān)測進(jìn)入天基遙感時代。

記者從航天科技集團(tuán)五院獲悉，空間碳匯監(jiān)測是“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵工作之一，此次成功上天入軌的碳星還攜帶著由航天科技集團(tuán)五院508所研制的三件“神器”。據(jù)了解，這三件“神器”將在日后的“碳匯”量化監(jiān)測和全球“碳家底”摸排中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

神器1

(資料圖片)

追捕葉綠素?zé)晒獾?/strong>“奇幻之眼”

葉綠素?zé)晒獾奶綔y直接關(guān)系大尺度的植被光合作用動態(tài)監(jiān)測，葉綠素?zé)晒庥诰G植中無處不在，其光譜范圍狹窄，只有納米級寬度。此外，其能量在植被反射能量中又非常微弱，只有1/50的量級。

為了追捕葉綠素?zé)晒猓教炜萍技瘓F(tuán)五院508所研制了超光譜探測儀。該探測儀具備高光譜分辨率、高信噪比、高穩(wěn)定性等技能優(yōu)勢。

超光譜葉綠素?zé)晒馓綔y儀。航天科技集團(tuán)五院供圖

據(jù)航天科技集團(tuán)五院介紹，在高光譜分辨率方面，這只“眼睛”的光譜采樣率為0.1nm，能夠把670nm至780nm之間渾沌在一起的光按次序分成1100份細(xì)光，也就是把這段渾沌光的顏色分成1100個漸變的色彩，這樣就能夠更有效地尋找躲藏在某個漸變色角落里的葉綠素?zé)晒狻?/p>

在高信噪比方面，這只“眼睛”的信噪比很強(qiáng)大，葉綠素?zé)晒饽芰勘绕浔尘澳芰啃?0倍，這只“眼睛”卻能夠把比背景能量小200倍的東西一覽無余，因此，即便是在微亮的晨曦，或是昏暗的傍晚，也能夠?qū)θ~綠素?zé)晒膺M(jìn)行無死角探測。

同時這臺超光譜探測儀還具有高動態(tài)范圍和高穩(wěn)定性的探測優(yōu)勢。它不僅能在強(qiáng)光里運(yùn)作，其自身還攜帶了高品質(zhì)的星上定標(biāo)裝置，在軌利用特性永恒的太陽能(000591)量不斷地進(jìn)行光譜和輻射定標(biāo)，進(jìn)行穩(wěn)定精準(zhǔn)探測。

神器2

掃射森林的天外“奇妙之尺”

激光雷達(dá)作為一種主動遙感技術(shù)，除了能獲得距離信息，還能獲得物體本身的一些特性，而這些信息就隱藏在激光的波形信號里。

當(dāng)激光從雷達(dá)照射到森林時，光束首先到達(dá)樹頂，一部分激光被樹冠反射回去，另一部分激光則沿著縫隙向下穿透，再被樹木中間的樹葉、枝干反射回去，最后一部分激光到達(dá)地面，被地面反射。這樣，就能得到樹冠、中部、地面的回波，科研人員根據(jù)冠層和地面回波的時間差，就可以計算樹高。

航天科技集團(tuán)五院介紹，要在500公里的衛(wèi)星軌道上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，非常困難。首先，由于衛(wèi)星軌道太高，大部分的激光能量都在路上耗散了。其次，激光發(fā)射和接收系統(tǒng)還必須精確地對準(zhǔn)地面同一個目標(biāo)，在500公里之外偏差不能超過55米，這樣才能保證反射回來的光被接收到。并且要求整個激光雷達(dá)在經(jīng)歷了火箭發(fā)射段的振動、太空失重、入軌后冷熱交變的太空環(huán)境后，指向不能發(fā)生改變。

航天科技集團(tuán)五院508所多波束激光雷達(dá)研制團(tuán)隊(duì)，攻克了大功率高頻激光器、超高靈敏度微弱信號探測、高精度收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計裝配等關(guān)鍵技術(shù)，解決相關(guān)難題。

據(jù)了解，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星是我國首個以林業(yè)探測為主任務(wù)的衛(wèi)星，也是我國首個以激光雷達(dá)為主載荷，進(jìn)行對地觀測的衛(wèi)星。多波束激光雷達(dá)也創(chuàng)新性地采用了主被動一體化的方式進(jìn)行探測，首次將負(fù)責(zé)主動探測的激光雷達(dá)和被動探測的遙感相機(jī)集成到一臺載荷上。

激光雷達(dá)可以獲得森林的垂直高度信息，但它的探測方式是打點(diǎn)，無法回避光斑之間間距較大的遺憾。而遙感相機(jī)可以獲取大范圍地面圖像，研制團(tuán)隊(duì)將點(diǎn)探測與面探測有機(jī)結(jié)合起來，從而獲得大范圍森林信息，最終巧妙達(dá)到1+1>2的效果。

另外，為了提高探測效率，多波束激光雷達(dá)的波束數(shù)量和重復(fù)頻率大幅提升。相較我國目前在軌的激光雷達(dá)，該星多波束激光雷達(dá)為5波束40Hz，每秒可獲得200個地面光斑信息，光斑間距低至180米，探測效率提升33倍。

激光雷達(dá)和多光譜相機(jī)。航天科技集團(tuán)五院供圖

神器3

三維立體瞰森林的“多目精靈”

一般的遙感應(yīng)用通常采取垂直對地觀測的方式，隨著太陽高度角及觀測角度的變化，常常使得所觀測的同一地表物體因其反射、輻射信息的很大差異而獲得不同的反饋信息，從而降低了對目標(biāo)物的識別精度和對其參數(shù)反演的準(zhǔn)確度。

多角度多光譜相機(jī)是我國首個五角度可見光探測相機(jī)。在對植被的觀測中，可以分別從垂直0度、正負(fù)19度、正負(fù)41度5個方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數(shù)據(jù)，獲得更為詳細(xì)可靠的地表三維空間結(jié)構(gòu)信息。

據(jù)航天科技集團(tuán)五院介紹，原來一臺相機(jī)從人的頭頂經(jīng)過，垂直觀測，只能看到人的頭頂。現(xiàn)在拍攝角度多了，不僅能看到人的頭頂，還能看到其面部、后腦勺、前胸后背等多方面、多維度的信息。據(jù)了解，該衛(wèi)星增加了基礎(chǔ)參考信息量，不僅能看清森林冠頂，還能看清它的側(cè)面，這樣就能知道森林的疏密分布、健康、長勢甚至病蟲害情況。

同時，這五個角度在觀測光譜的選擇上“暗藏玄機(jī)”，設(shè)計上它還能“看”出森林的健康情況，進(jìn)而推算其固碳能力。由于森林葉綠素含量、冠層結(jié)構(gòu)不同，植被葉片在紅邊波段的反射率會發(fā)生突變，將達(dá)到一個明顯陡峭的斜坡。

據(jù)介紹，業(yè)界認(rèn)為，品質(zhì)好的植被其反射率大幅度上升，因此其斜坡斜率越大說明植被越健康。正是利用這個特點(diǎn)，科研人員設(shè)計時將其中兩臺大角度觀測相機(jī)全色譜段改換為紅邊譜段，而其余的小角度觀測相機(jī)仍采用了傳統(tǒng)可見光波段設(shè)置，這樣能更加全面準(zhǔn)確地用于觀測植物氮素含量、葉綠素含量、病蟲害、生物量估算等。

值得注意的是，其“體態(tài)”非常輕盈，單臺不超過20公斤。

多角度多光譜相機(jī)（其中的兩臺相機(jī)）。航天科技集團(tuán)五院供圖

■ 延伸

成功搭載了交通四號衛(wèi)星和閔行少年星2顆小衛(wèi)星

記者從國家航天局獲悉，8月4日11時08分，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征四號乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射首顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句（gōu）芒號”。該衛(wèi)星將在碳儲量監(jiān)測、生態(tài)資源詳查、國家重大生態(tài)工程監(jiān)測評價等方向提供遙感監(jiān)測服務(wù)，為“美麗中國”發(fā)揮遙感力量。

“句芒號”衛(wèi)星是國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃中的科研衛(wèi)星，運(yùn)行于高度為506公里、傾角97.4度的太陽同步軌道。通過激光、多角度、多光譜、超光譜、偏振等綜合遙感手段，實(shí)現(xiàn)植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素?zé)晒獾纫氐奶綔y和測量，將廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測、陸地生態(tài)和資源調(diào)查監(jiān)測、國家重大生態(tài)工程監(jiān)測評價、大氣環(huán)境監(jiān)測和氣候變化中氣溶膠作用研究等工作，還將服務(wù)高程控制點(diǎn)獲取、災(zāi)害監(jiān)測評估、農(nóng)情遙感監(jiān)測等需求。

本次任務(wù)還成功搭載了交通四號衛(wèi)星和閔行少年星2顆小衛(wèi)星。據(jù)了解，交通四號衛(wèi)星是由中國交通通信信息中心和北京和德宇航技術(shù)有限公司共同研制的第三顆VDES試驗(yàn)衛(wèi)星，整星重量約40kg，該星入軌后，主要開展VDES（VHF Data Exchange System，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)）載荷、遙感載荷的功能及性能測試，并與和德宇航已經(jīng)在軌運(yùn)行的其他七顆衛(wèi)星開展物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通信體制、協(xié)議試驗(yàn)驗(yàn)證。

此外，該星主要提供全球海上船只定位、運(yùn)行狀態(tài)檢測以及船與船、岸與船和星與船之間的窄帶數(shù)據(jù)雙向通信服務(wù)，在未來水上應(yīng)急、安全監(jiān)管、主權(quán)維護(hù)等方面發(fā)揮重要作用，同時，作為全球新一代海洋通信系統(tǒng)，星基VDES系統(tǒng)將為我國交通強(qiáng)國、海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略以及國家信息安全提供重要保障。

記者從航天科技集團(tuán)八院了解到，另外一顆衛(wèi)星命名為閔行少年星（零碳小先鋒），由上海市閔行區(qū)教育局、上海航天空間技術(shù)有限公司及相關(guān)企業(yè)基于科普教育和科學(xué)試驗(yàn)聯(lián)合研制。

該衛(wèi)星上裝載的高光譜溫室氣體成像儀源于學(xué)生創(chuàng)意，成于航天專家研發(fā)，意味著青少年親身參與的“巡天探地”方案步入實(shí)踐應(yīng)用階段。衛(wèi)星通過一段時間的在軌運(yùn)行，會把孩子們送給太空的禮物、歌唱祖國等音視頻，通過特定的形式從太空中傳輸下來，有利于系統(tǒng)性地組織測控模擬、測控演練、衛(wèi)星應(yīng)用等一系列航天科普活動。

新京報記者 張建林

編輯 樊一婧 校對 陳荻雁