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航天科技集团五院研制世界首颗森林碳汇主被动联合观测遥感卫星纪实
 
 
 

8月4日,由第五航空航天科学技术研究院遥感卫星综合部研制的陆地生态系统碳监测卫星(以下简称“碳星”)在太原卫星发射中心成功发射,这标志着世界上第一颗让我国森林碳汇迈向天基遥感时代卫星正式服役。

该卫星广泛应用于陆地生态系统碳监测、陆地生态系统和资源调查与监测、国家重大生态工程监测与评价、大气环境监测和气溶胶在气候变化中的作用研究、灾害监测与评估、农业条件遥感监测等领域。,为建设美丽中国发挥了重要作用。

初窥:“用天基遥感手段解决林业问题”

“党的十八大提出建设‘美丽中国’,美丽?绿水逶迤,青山相向,草木繁盛……如果我们能研制一颗观测绿水青山的卫星,那是为美丽中国建设作贡献。”曹海翊回忆起10年前的情景,这位卫星的首席设计师至今仍记忆犹新。

2012年,项目组获得了“星载激光雷达总体技术”的主题。考虑到激光雷达是卫星用于测量与地面物体距离的重要手段之一,当时,项目团队的目标是克服激光雷达测量森林高度的问题,并为中国开发第一颗林业遥感卫星!。

为了准确了解林业遥感的需求,曹海翊带领项目组到国家林业和草原管理局、中国林业科学院、东北林业大学等地“求学”和求学林业知识。项目组了解到,碳汇是衡量森林固碳能力的一个重要指标。在中国,碳封存监测要求森林调查人员穿越山川,深入山林,测量树木的高度和胸径,工作环境受到各种限制。

为了准确了解林业遥感的需求,曹海翊带领项目组到国家林业和草原管理局、中国林业科学院、东北林业大学等地“求学”和求学林业知识。项目组了解到,碳汇是衡量森林固碳能力的一个重要指标。在中国,碳封存监测要求森林调查人员穿越山川,深入山林,测量树木的高度和胸径,工作环境受到各种限制。

深耕:“在碳汇监测中发挥最优作用”

2015年,国家发改委发布了《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025)》,明确提出“碳星”开发在“十三五”期间正式启动。今年,“美丽中国建设”被纳入中国“十三五”规划。

“这颗卫星研制历程是紧扣着时代脉搏跳动的。”卫星总司令王祥说。在国家国防科技工业局和航天科技集团的领导下,第五研究院卫星开发团队开始解决卫星总体设计和星载激光雷达项目中的关键问题。

摄像头如何在碳汇监控中发挥作用?如何配置激光雷达的指示器?。

经过反复论证,开发团队认为传统相机无法获得植被的全面信息,相机方案确定为“多角度、多光谱”遥感相机。通过从不同角度获取图相机行相关计算,可以准确获得植被面积、密度和物种的测量数据,并结合相关系数计算树木的胸径。

经过反复论证,开发团队认为传统相机无法获得植被的全面信息,相机方案确定为“多角度、多光谱”遥感相机。通过从不同角度获取图相机行相关计算,可以准确获得植被面积、密度和物种的测量数据,并结合相关系数计算树木的胸径。

激光雷达指示器的演示是在一夜之间完成的。林木高度不均匀,测点密度高,“样本”丰富,测量数据全面准确。为了使激光雷达测点密度最大限度地满足碳汇监测的需要,开发团队计算了不同测点密度下的数据反演精度,经过近半年的分析,与林业部门沟通了应用效果,并最终确定了5波束40Hz重复频率激光雷达方案。

铸器:“用匠心打造精品”

2017年是里程碑式的一年。美丽中国的建设已经进入快车道,碳星的发展终于迎来了从“纸上开花”到“扎根”的时刻——卫星正式批准了该项目。

写在纸上很容易。你必须知道这件事并加以实践。随着卫星进入工程开发阶段,第五工程院卫星开发团队秉承卓越精神,提出增加两个负载,即高光谱探测器和多角度偏振成像仪,从总体设计上检测叶绿素荧光和大气气溶胶,以最大限度地支持林业遥感的应用需求。

该卫星功能强大,用户使用模式丰富。两个载荷的增加直接导致卫星“超重”近100公斤。

减轻卫星重量已成为首要问题。研究小组“拆解”了卫星,分析了减重的可能性,并从材料和结构方面为卫星定制了“减重”。在整个卫星制造中,使用了轻质新材料。同时,针对激光雷达主镜的“大尺寸”,采用了全新的结构设计,减轻了透镜的重量,并建立了模型。在保证应用效果的前提下,主镜最终减少87%,使卫星能够成功通过“重量级”。

开发团队在热控制、负载控制和数据传输方面面临三大困难,以使卫星“能飞”起来“能用”。

传统的光学遥感卫星配备1——2个有效载荷来完成任务,与此不同,碳卫星需要通过4个有效载荷完成综合观测任务。传统的散热方法无法满足多个有效载荷同时工作时产生的热量。因此,研究团队打破惯例,采用了散热率可调的环形热管散热设计,将散热能力提高了近10倍。

负载控制是复杂的。碳星需要根据不同的观测任务灵活地控制和切换多个负载的工作状态。

开发团队巧妙地提出了基于指令组的硬件数据隔离+负载控制软件的方案,相当于硬件“不同的载荷数据走不同路”,软件通过指令组的不同组合实现各种负载切换状态的切换。

开发团队巧妙地提出了基于指令组的硬件数据隔离+负载控制软件的方案,相当于硬件“不同的载荷数据走不同路”,软件通过指令组的不同组合实现各种负载切换状态的切换。

数据传输是关键。随着摄像机和激光雷达的“高配置”,卫星需要处理的数据量增加了近30倍。为了确保海量数据能够及时准确地传输给地面用户,卫星开发团队升级了卫星上的“数据快递站”,全面提升了数据接收、星上处理和数据传输能力,增加了硬件配置,优化了软件算法,模拟了数据传输和传输,并测试了该软件的应用效率,在过去的两年中,数据传输速度终于达到了3gps。

数据传输是关键。随着摄像机和激光雷达的“高配置”,卫星需要处理的数据量增加了近30倍。为了确保海量数据能够及时准确地传输给地面用户,卫星开发团队升级了卫星上的“数据快递站”,全面提升了数据接收、星上处理和数据传输能力,增加了硬件配置,优化了软件算法,模拟了数据传输和传输,并测试了该软件的应用效率,在过去的两年中,数据传输速度终于达到了3gps。

道路被阻塞了很长时间,这是可以预料的。

第五科学院的碳星开发团队10年来一直在解决关键问题,迈出了天基林业遥感时代的第一步。随着美丽中国建设的推进,他们不断探索和深入培育空间遥感技术。在建设航天强国的征程中,他们利用卫星遥感技术见证了祖国的蓝天、青山、碧水。(王琬涵、张兰兰、刘锦洋)

 


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