西安生态日

2022年8月4日，由航天科技集团五院遥感卫星总体部抓总研制的陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”（以下简称“碳星”），在山西太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射。

作为世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，“碳星”能够实现对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光的高精度定量遥感测量。在“碳星”发射前，我国传统的碳汇测量主要依靠人工抽样监测森林植被，而“碳星”的应用标志着我国碳汇监测进入天基遥感时代。

将天基测绘手段用于森林监测

监测森林碳汇需要有高精度的植被数据作为支撑。为了实现这一要求，研制团队大胆“跨界”，创新性地将天基测绘中以“激光雷达+光学相机”为代表的主被动联合观测手段应用于森林监测。

获取高精度的植被高度和面积信息是森林碳汇监测的关键，对应到卫星设计上，这就对激光雷达和多光谱相机提出了更高要求。据航天科技集团五院遥感卫星总体部卫星总设计师曹海翊介绍，为了让“碳星”一步到位，具备高精度森林碳汇监测能力，研制团队基于现有技术基础，从多方面进行创新突破，以“激光雷达波束翻倍，重频提升逾30倍，配置5个多光谱相机进行5角度综合观测”的方案，最终满足了森林碳汇监测的相关需求。“这种主被动联合观测模式，不仅充分发挥了激光雷达和多光谱相机的优势，也很好地利用了激光校准多光谱相机精度，可谓基于天基遥感手段监测森林碳汇的绝佳方案。”曹海翊表示。

打造森林碳汇监测的专业星

植被高度、植被面积、叶绿素荧光和大气PM2.5含量是计算森林碳汇能力的核心数据。作为森林碳汇监测的专业星，“碳星”配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪4种载荷支持，以确保所获取的监测数据“准、全、细、精”。

先说植被测高结果“准”。“‘碳星’利用多波束激光雷达对植被测高，通过计算激光到树冠以及地面的时间差计算树木的高度，而卫星一次测量发射出激光的光束数量、发射频次则决定测量精度。”据航天科技集团五院遥感卫星总体部卫星副总设计师张新伟介绍，为最大程度提升植被测高的数据精度，研制团队通过数据反演、仿真分析、应用测试等，1秒钟发射200次测量激光，并对激光雷达所需的卫星环境和硬件配置进行适应性设计，克服散热等难题，最终实现测点间隔由公里级跨越至百米级，使得植被测高精度大幅提升。

再说获取植被面积“全”。为了准确还原森林的茂密程度，研制团队巧思破解，为“碳星”设计安装了5个多光谱相机，实现对地5角度立体观测。同时，为了避免植被阴、阳面光线对观测的影响，研制团队创新性提出月球定标方法，确保5角度成像光谱响应一致。“有了这些能力，5角度多光谱相机就能帮助‘碳星’绘制一幅立体植被分布图，精准覆盖观测区域的一草一木。”张新伟强调。

再说叶绿素荧光探测“细”。叶绿素荧光高精度制图是“碳星”支撑高精度碳汇监测的重要环节，但叶绿素荧光的能量非常小，仅有约0.5%～2%以荧光的形式发射出来。“为提升叶绿素光谱探测的精细程度，我们为‘碳星’设计、配置超光谱探测仪，创新性使用光栅分光原理，将光谱分辨率提升10倍，在国际上首次实现0.3纳米的精细探测，甚至能够探测到人眼看不到的太阳光细微明暗变化。”张新伟介绍。

最后说大气校正数据“精”。为去除大气对监测数据的影响，研制团队为“碳星”专门配置了偏振成像仪，可支持从35个角度监测大气PM2.5含量，获取大气横向PM2.5含量信息。此外，还增配了大气激光雷达，用于获取大气纵向PM2.5含量信息。如此一横一纵，就将数据由二维结果变成三维立体信息，确保大气校正更精准。

智能设计让用户更省心

碳星虽然载荷多、模式多，但操控起来方便快捷，是一颗具备全自主任务规划能力的“智能星”。

除了森林碳汇监测，“碳星”还可广泛应用于环保、测绘、气象、农业、减灾等领域，支撑作物评估、植物病虫害监测、灾害应急成像等。因此，“碳星”的载荷工作模式组合计算多达47种。既要支持更多应用，又要易用、好操控，传统的卫星指令操控模式显然行不通。怎么办？除了从硬件上保证各种载荷数据独立传递外，研制团队还从软件上让卫星更加智能化——根据设定的边界条件参数自主辨别海洋、陆地、光照条件，自动规划最佳探测任务流程，实现完全的自主任务规划。“经此设计，除了特殊或突发任务外，‘碳星’根本无须用户操心，就如同智能扫地机器人一样，一键开机，智能化工作。”曹海翊比喻道。

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