【每日科普】大气环境监测卫星的“宝藏司机”

▲图 · 大气环境监测卫星发射瞬间（新华社发）

2022年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。卫星搭载五个被动探测载荷，并在国际上首次搭载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，将为我国“碳达峰、碳中和”战略发展提供重要数据支撑。

卫星搭载的遥感仪器，各自发挥了何种独特作用？控制系统又如何实时“应变”？

“相当于五个乘客拼了个‘太空专车’，他们每个人手持各种测量仪器，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。”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，“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。”

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，通过接收到的回波信号，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。“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。”

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“乘客们”的初始状态进行重新确认，也就是进行在轨绝对定标。张艳召解释，在太空环境中，由于结构应力释放等原因，在地面上通过机械结构固连在一起的载荷与星敏感器等姿态测量仪器的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。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。

激光雷达不分白天黑夜全天时工作，可谓是一个兢兢业业的“劳模”。除了敬业之外，它还是一个十足的“强迫症”，时刻不忘摆正自己的姿态，以保证极高的指向测量精度，为此，国内首次创新应用了无控制点激光光轴自标定技术。这一“神技”顺利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。激光雷达自身发射的光源分束后经星敏感器支架上的棱镜反射，建立起激光雷达与星敏感器的在轨标校系统，这样激光雷达就可以借助星敏感器这双“慧眼”实时明确自己“身在何方”。

“为提供高精度在轨三轴惯性测量精度，姿轨控分系统采用了高精度多头星敏感器。”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说，“这好比用‘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。”