美國首顆溫室氣體探測衛星—軌道碳觀測－2于7月入軌

（北京空間科技信息研究所）

美國首顆溫室氣體探測衛星—軌道碳觀測－2于7月入軌

龔燃（北京空間科技信息研究所）

美國航空航天局（NASA）首顆專門用于探測二氧化碳的衛星—軌道碳觀測－2（OCO－2）于2014年7月2日由德爾他－2火箭成功發射。OCO－2是美國航空航天局“地球系統科學探路者”（ESSP）計劃中的一項任務，主要用于觀測地球大氣的二氧化碳水平，進一步了解人類在溫室氣體排放、導致全球氣候變化方面所扮演的角色。OCO－2將提供完整的二氧化碳（人為和自然產生）碳源與碳匯圖像，并研究其隨時間的變化。2009年2月24日，OCO－1由于“金牛座”火箭故障而導致發射失敗。

1 衛星概況

OCO－2運行在705km高的太陽同步軌道，傾角98.2°，周期98.8min，重訪周期16天，升交點赤道時間13：15。衛星發射升空后將加入“地球觀測系統”（EOS）的“下午-列車”（A-train）衛星編隊，與一系列其他地球觀測衛星自由編隊飛行。在編隊飛行時，OCO－2運行在“水”（Aqua）衛星前約15min。

OCO－2是OCO－1的后續星，基于OCO－1研制。該衛星采用軌道科學公司的低軌星－2（LEOStar－2）衛星平臺，三軸零動量穩定方式。姿態控制分系統（ACS）采用4個反作用輪控制俯仰、滾動和偏航角。一套3個磁力矩棒用于減緩動量輪的旋轉。OCO－2使用OCO－1上的同類型古德里奇/伊薩科反作用輪和扭力桿。盡管如此，反作用輪還是進行了改進。姿態信息通過星跟蹤器（索登公司研制）、微型慣性測量單元（MIMU，霍尼韋爾公司研制）和磁強計（古德里奇公司研制）提供。衛星軌道確定采用通用動力公司的GPS接收機。

該衛星主體結構為六棱柱體，長2.1 2 m，寬0.94m。電源分系統（EPS）采用砷化鎵電池，由2副可展開太陽電池翼提供，當太陽光垂直入射時功率可達900W，鎳氫電池容量為35A ·h。中央電子單元采用BAE系統公司的RAD－6000飛控計算機，對姿態控制、功率、推進和通信系統進行管理。

OCO－2數據傳輸系統采用L3通信X頻段發射機和自安裝X頻段貼片天線，數據傳輸速率150Mbit/s，遙感器數據也可以通過S頻段發射機或通過“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）系統傳送至地面站；測控鏈路采用S頻段接收機或1副全向天線。OCO－2使用泰雷茲-阿萊尼亞空間公司研制的S頻段硬件來達到和OCO－1一樣的性能需求，但其設計是全新和全數字化的。

“下午-列車”衛星編隊

2 衛星有效載荷

OCO－2基本參數

OCO－2與OCO－1一樣，只裝載1臺遙感器。該遙感器由漢勝遙感器系統公司研制，包含3個共孔徑、長狹縫光柵、高分辨率成像光譜儀，可獲取迄今為止最高精度的大氣二氧化碳空間觀測數據。這2顆衛星的遙感器幾乎一樣，主要變化是零部件更新，改進了一些已知的性能問題。

OCO－2星載光譜儀的目標是測量地球表面在氧氣A波段（0.76μm）和二氧化碳波段（1.61μm、2.06μm）處反射的太陽光。每個光譜儀均可在光譜特定區域內進行測量，相應的焦平面可探測這些光譜范圍內波長的細小區別。由于大氣中的二氧化碳分子和氧分子只在特定顏色或波長吸收光能，抵達光譜儀的光線在那些特征波長會出現能量減弱。因此，該光譜儀采用了衍射光柵，由按規律平整排列的一組凹槽組成，可將光分解為多種顏色組成的譜段。OCO－2光譜儀的衍射光柵凹槽將進行精調，將光譜擴展至大量的窄波段或顏色范圍內，以探測二氧化碳特征光譜圖中波長范圍內出現的所有變化。

這3個光譜儀采用相似的光學設計，并共用一個結構，包括1個低溫制冷器、1副卡塞格林望遠鏡和1個光學組件，以及一些共用電子器件，以提高系統剛度和熱穩定性。其中，低溫制冷器能將光譜儀溫度保持在－120℃左右，以減小其中每臺相機光探測儀的測量誤差；望遠鏡的主鏡和副鏡孔徑一樣，均為11cm；光學組件含折疊反射鏡、分色光束分離器、帶分離濾波器和二次成像鏡。每個光譜儀均由狹縫、雙透鏡瞄準儀、光柵和雙透鏡相機組成。3個光譜儀結構幾乎完全一樣，其細微的差別包括涂層、透鏡組和光柵、帶通數量等。儀器光學系統的焦比范圍為f/1.6～f/1.9。

為實現快速、高光譜分辨率的光學測量系統，OCO－2的哨儀兵器－2采衛用星折射和反射光學技術組合的形式。由于望遠鏡和光學組件中的光線沒有分為3個不同的波段，這些儀器分系統主要采用反射光學系統。另一方面，極窄帶通通道可忽略光譜儀中潛在的色差，使折射光學系統能有效使用。

OCO－2星載遙感器結構

OCO－2光譜儀光學系統方案示意圖

每個光譜儀狹縫長約3mm、寬25μm，這些狹縫排成一行，可產生寬0.0001rad和長0.0146rad的共孔徑視場。由于衍射光柵只有在偏振光與狹縫方向平行時才會有效傳播，因此在狹縫前裝有一臺偏振器，在進入光譜儀之前過濾掉多余的偏振光，幫助生成背景散射光。一旦光線穿過光譜儀狹縫，便利用二元折射瞄準器進行校準，通過鍍金的反射平面全息衍射光柵進行傳播，然后在再次穿過帶通濾波器后，利用二維焦平面陣列（FPA）上的二元鏡頭進行聚焦。帶通濾波器位于焦平面陣列上方，冷卻至180K時便可過濾掉穿過遙感器的熱輻射。

與O C O－1的設計一樣，O C O－2每個通道的光譜譜段和分辨率均包含整個分子吸收帶以及附近的連續介質，以限制表面氣溶膠和吸附性氣體的光學特性。為滿足這些要求，氧氣A波段通道范圍為0.7 5 8～0.7 7 2μm，光譜分辨率大于17000，二氧化碳通道范圍為1.594～1.619μm和2.042～2.082μm，光譜分辨率均大于20000。

光譜儀光學系統可生成二維圖像，焦平面陣列像素為1024×1024，像元大小為18μm。光柵在垂直于狹縫長軸方向傳播1024像素的寬譜段。焦平面陣列上的狹縫圖像半最大值全寬度（FWHM），在光傳播方向以2～3個像素的頻率進行采樣。正常情況下，焦平面陣列可在3Hz頻率下連續讀出。為降低下行數據傳輸率，并增加信噪比（SNR），焦平面陣列中與狹縫平行維度的20個相鄰像素（如焦平面陣列照明與讀出方案圖中的空間方向）在沿著狹縫處共能產生多達8個空間平均光譜。這些空間平均“超級像素”的沿狹縫視場角約為1.8mrad。

焦平面陣列照明與讀出方案

OCO－2的3種觀測模式

OCO－2星載遙感器參數

OCO－1遙感器采用1.61μm和2.06μm的二氧化碳通道的碲鎘汞（HgCdTe）焦平面陣列和氧氣A波段通道的混合硅激光（HyViSi）焦平面陣列，3個焦平面陣列均采用特里達因科學與成像公司的HAWAII－1RG型焦平面陣列。而OCO－2遙感器采用了新型HAWAII－1RG型焦平面陣列，該陣列采用了去除基片碲鎘汞技術。采用新型焦平面陣列主要有2個原因：①沒有足夠的高質量備用碲鎘汞焦平面陣列，無法為OCO－2儀器的二氧化碳通道提供飛行和飛行備用焦平面陣列。②OCO－2迫切希望減緩OCO－1預飛行試驗期間混合硅激光焦平面陣列中發現的殘余圖像偽影。

新型焦平面陣列存在較小的低讀出噪聲。此外，該陣列對于氧氣A波段通道和二氧化碳通道采樣的波長較敏感，因此可以在3個通道均使用焦平面陣列。另外，碲鎘汞焦平面陣列不存在混合硅激光焦平面陣列出現的殘余圖像問題。

由于高暗電流，OCO－1上2個二氧化碳通道的焦平面陣列溫度保持在120K以下，而氧氣A波段通道的焦平面陣列溫度可低至180K以下。對于OCO－2儀器，焦平面陣列低溫系統已重新設計，以保持3個焦平面陣列溫度均低于120K。這樣就可以確保在3個通道內均使用去除基片碲鎘汞技術的焦平面陣列，同時也有利于在氧氣A波段通道使用現有的混合硅極光焦平面陣列。

OCO－2具有3種工作模式。

1）天底模式：儀器直接指向地面，觀測下方的地面，太陽高度角小于85°。

2）微光模式：儀器指向太陽光直接反射地表的位置。當地太陽高度角小于75°。微光模式增強了遙感器獲取高精度測量數據的能力，特別是對于海洋上空的觀測。此外，微光模式下觀測海洋時還能提供更高的信噪比值。

3）目標模式：在衛星經過時，遙感器對某一特定表面目標進行連續觀測（最長可持續9min）。目標模式可提供獲取某地區上空二氧化碳大量觀測數據的能力，而這些地區也可以采用地基和機載遙感器進行觀測。OCO－2科學組將比較地基和機載遙感器所獲得的數據，用于OCO－2遙感器定標和任務數據驗證。

OCO－2觀測模式示意圖

OCO－2地面系統

3 衛星地面系統

OCO－2地面系統每天與觀測站通信1次，每天都會出現目標觀測區域。這些目標由驗證小組在與軌道任務運行小組通信前選定。大量科學數據的下傳需要高度自動化的科學數據處理系統，并在美國噴氣推進實驗室科學小組、軌道科學公司和戈達德航天飛行中心運行小組之間進行高度協調。OCO－2地面系統負責在每日的數據上傳和下傳時在各個小組之間進行協調。