大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星方案設計與技術特點

朱 維，呂利清，魏致坤，曹 瓊，董長哲，王鳳陽

（1.上海航天技術研究院，上海 201109；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來，我國大氣環(huán)境形勢嚴峻，國家層面已高度重視。2020 年9 月22 日，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布我國力爭于2030 年前二氧化碳排放達到峰值的目標，努力爭取于2060 年前實現(xiàn)碳中和的愿景。國務院發(fā)布的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》中明確指出，“研究發(fā)射大氣環(huán)境監(jiān)測專用衛(wèi)星”。大氣環(huán)境高精度監(jiān)測和污染有效防治是我國生態(tài)文明建設的重要要求。目前，我國生態(tài)文明建設進入以降碳為重點戰(zhàn)略方向、推動減污降碳協(xié)同增效、促進經(jīng)濟社會發(fā)展全面轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關鍵時期。為此，亟須發(fā)展衛(wèi)星遙感手段，與空、地基手段配合，實現(xiàn)大氣環(huán)境高精度監(jiān)測。

目前，大氣環(huán)境探測的遙感手段主要有多光譜［1-2］、高光譜［3-4］、偏振［5-6］、多角度［7］和主動激光［8］等。國際上典型的大氣環(huán)境監(jiān)測類衛(wèi)星，通常單顆衛(wèi)星僅采用一種或幾種探測手段，如美國A-Train星座［9-10］由6 顆運行的分別采用不同探測手段完成探測不同要素的衛(wèi)星組成，包括探測CO2的OCO-2衛(wèi)星［11-12］、利用微波手段觀測水循環(huán)的GCOM-W1衛(wèi)星［13-14］、利用多光譜手段觀測降水和地表水的Aqua 衛(wèi)星［15-16］、利用激光雷達手段測量云信息的CloudSat 衛(wèi)星［17-18］、利用激光雷達探測云和氣溶膠信息的CALIPSO 衛(wèi)星［19］、利用多光譜手段探測大氣及氣候的Aura 衛(wèi)星［20］，以及之前的PARASOL衛(wèi)星［21］。

相較于傳統(tǒng)被動光學遙感手段，激光遙感技術不依賴于太陽光，能夠?qū)崿F(xiàn)大氣成分全天時高精度全球探測，且能獲取大氣氣溶膠垂直分布信息，是大氣環(huán)境遙感監(jiān)測的重要發(fā)展方向。美國于2006年發(fā)射了CALIPSO 衛(wèi)星，裝載了國際首個星載大氣探測激光雷達CALIOP［8］，具備大氣氣溶膠垂直探測能力，開創(chuàng)了星載激光大氣探測技術在軌應用先河。此外，歐空局在2018 年發(fā)射了Aeolus 衛(wèi)星［22］，裝載了星載測風激光雷達Aladin［23］，也能對大氣氣溶膠進行垂直探測。我國在軌氣象和環(huán)境衛(wèi)星如FY-3（04、05）［24］、GF-5（02、01A）［25-26］等具備一定的大氣氣溶膠、污染氣體、溫室氣體探測能力，但CO2柱濃度探測精度不足，且不具備氣溶膠垂直分布探測能力。

DQ-1 衛(wèi)星是我國第一顆大氣環(huán)境專用監(jiān)測衛(wèi)星和第一顆激光雷達大氣探測衛(wèi)星，于2022 年4 月16 日在太原衛(wèi)星中心成功發(fā)射，衛(wèi)星牽頭用戶為生態(tài)環(huán)境部，主用戶包括中國氣象局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等。DQ-1 衛(wèi)星在國際上首次采用主動激光雷達手段，實現(xiàn)全天時高精度全球CO2柱濃度探測（探測精度優(yōu)于1×10-6）；首次采用主被動結(jié)合技術體制，填補近地面細顆粒物（PM2.5等）大范圍高精度監(jiān)測的空白，對推動減污降碳協(xié)同增效，促進我國環(huán)境監(jiān)測與保護事業(yè)具有重要意義。

1 衛(wèi)星總體方案

DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射總質(zhì)量≤2 800 kg，采用標稱高度為705 km、升交點地方時為13：30 的太陽同步軌道，其在軌飛行狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 DQ-1 衛(wèi)星在軌飛行Fig.1 Diagram of the DQ-1 satellite flighting in orbit

衛(wèi)星繼承SAST-ML1（SAST3000）公用平臺方案，由11 個平臺分系統(tǒng)、6 個載荷分系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成如圖2 所示。DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)如圖3所示。

圖2 DQ-1 衛(wèi)星組成Fig.2 Composition of the DQ-1 satellite

圖3 DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)Fig.3 Schematic diagram of the launch status of the DQ-1 satellite

衛(wèi)星結(jié)構由服務平臺和有效載荷艙組成，采用的主要部件有承力筒、蜂窩夾層板以及星箭連接環(huán)等。

衛(wèi)星供配電采用太陽電池陣+蓄電池組聯(lián)合供電、42 V 全調(diào)節(jié)直流母線方案，二次電源主要采用分散式供電方式。衛(wèi)星太陽電池陣設計成單翼、一維對日定向。太陽電池片采用三結(jié)砷化鎵，蓄電池采用2 組180 Ah 鋰離子電池組。

熱控分系統(tǒng)采用主動和被動熱控方式相結(jié)合，被動熱控為主，輔以電加熱器主動熱控的技術方案。衛(wèi)星的有效載荷艙和服務平臺采取有效的熱連接，通過整星選取合適的散熱面，將整星的溫度水平控制在合適的范圍內(nèi)。

測控分系統(tǒng)采用統(tǒng)一S 波段（USB）體制+GPS/BD2 的測控方案。

綜合電子分系統(tǒng)采用基于1553B 總線的二級拓撲結(jié)構，綜電計算機為一級主控制器，各個有效載荷、GPS 接收機、數(shù)傳綜合處理器等為二級管理單元。綜合電子分系統(tǒng)對衛(wèi)星進行遙控和遙測信息采集。

姿軌控分系統(tǒng)采用零動量三軸穩(wěn)定對地定向控制，以星敏感器+陀螺為主要姿態(tài)敏感器，飛輪與推力器為執(zhí)行機構實現(xiàn)衛(wèi)星長期在軌姿態(tài)穩(wěn)定控制與軌道控制。

衛(wèi)星推進分系統(tǒng)采用技術成熟的落壓式無水肼催化分解方案，配置了2 個50 L 貯箱和16 臺5 N推力器，完成姿態(tài)控制與軌道控制功能。

數(shù)傳分系統(tǒng)由2 條X 波段傳輸信道組成，通過二維點波束天線下傳信號，采用極化復用技術，每條X 波段信道的碼速率為450 Mbit/s。系統(tǒng)采用CCSDS AOS 傳輸協(xié)議。

根據(jù)用戶需求及目標任務，DQ-1 衛(wèi)星共裝載5臺遙感儀器，如圖3 所示。其中1 臺主動遙感儀器為大氣探測激光雷達（Aerosol and Carbon Detection Lidar，ACDL），4 臺被動遙感儀器為高精度偏振掃描儀（Particulate Observing Scanning Polarimeter，POSP）、多角度偏振成像儀（Directional Polarization Camera，DPC）、紫外高光譜大氣成分探測儀（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）及寬幅成像光譜儀（Wide Swath Imager，WSI）。其中，ACDL 能夠獲取大氣氣溶膠廓線信息，結(jié)合2 臺偏振探測儀器和WSI 獲取的氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）、細粒子比參數(shù)等，最終得到細顆粒物濃度分布。同時激光雷達還利用1 572 nm 通道差分吸收方法實現(xiàn)CO2柱總量探測。WSI 的多光譜探測能力還可實現(xiàn)對沙塵、陸地生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境和農(nóng)作物遙感監(jiān)測。EMI 利用紫外至可見波段的高光譜探測，實現(xiàn)SO2、NO2和臭氧等污染氣體探測。

考慮衛(wèi)星及星下點光照條件、軌跡等因素，DQ-1 衛(wèi)星設計運行在705 km 高度的太陽同步回歸軌道，保證地面觀測區(qū)域的覆蓋和重訪能力。在此軌道上，ACDL 實現(xiàn)51 d 重訪，CO2探測全球覆蓋，與CALIPSO 衛(wèi)星軌道高度相同，有利于進行數(shù)據(jù)比對，相互驗證數(shù)據(jù)精度，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量；同時該軌道可保證大視場的被動探測載荷在1～2 d 內(nèi)全球覆蓋，保證遙感數(shù)據(jù)時效性，如圖4 所示。衛(wèi)星軌道高度與GF-5 系列衛(wèi)星一致，入軌工作后能與GF-5 系列衛(wèi)星組網(wǎng)觀測，提高觀測效能。DQ-1 衛(wèi)星綜合探測能力已達到國際領先水平，主要技術指標見表1。

表1 DQ-1 衛(wèi)星主要技術指標Tab.1 Main specifications of the DQ-1 satellite

圖4 DQ-1 衛(wèi)星軌道覆蓋效能Fig.4 Orbital coverage efficiency of the DQ-1 satellite

2 衛(wèi)星技術特點

DQ-1 衛(wèi)星是國際首顆主被動結(jié)合、多手段綜合高精度大氣環(huán)境遙感衛(wèi)星。為了實現(xiàn)對大氣環(huán)境進行綜合探測，DQ-1 衛(wèi)星上配置了5 臺有效載荷，在國際上首次同時采用主動激光、多角度、偏振、多光譜和高光譜等多種探測手段同源觀測；保證了在相同的幾何條件、光照條件、時間和空間條件下，實現(xiàn)對相同探測要素不同手段和多種探測要素（污染氣體、顆粒物等）的同源高精度綜合觀測；提升了大氣環(huán)境數(shù)據(jù)融合和處理分析精度，服務于多種大氣要素（污染氣體、顆粒物等）的時空關聯(lián)對比研究。

作為我國首顆大氣環(huán)境專用監(jiān)測衛(wèi)星，DQ-1衛(wèi)星具有多手段綜合探測、綜合性能優(yōu)、探測精度高、激光器設計壽命長、激光雷達指標要求高等特點，對于整星設計（衛(wèi)星構型布局、熱控、激光器研制等）、測試和試驗驗證手段等帶來了挑戰(zhàn)：

1）開展了衛(wèi)星平臺和多載荷結(jié)構聯(lián)動設計，仿真優(yōu)化整星構型布局。衛(wèi)星配置了5 臺光學遙感載荷和2 臺二維驅(qū)動數(shù)傳天線，載荷數(shù)量多、尺寸大、重量重。載荷大多具有高精度定標要求，且被動對地視場均達100°以上；具有視場綜合統(tǒng)籌要求高、安裝承載實現(xiàn)難度大的特點。衛(wèi)星采用了高精度星敏與激光雷達進行一體化設計，實時監(jiān)視激光光軸指向偏差；對雙偏振載荷（POSP 和DPC）進行觀測視場匹配設計，采用高精度的安裝工藝保證雙載荷視軸的一致性；協(xié)調(diào)整星熱控布局，最大限度地滿足了WSI 輻射制冷器散熱能力。

2）開展了載荷大熱流密度的熱控設計，實現(xiàn)ACDL 精細化高精密溫控。主載荷ACDL 具有熱流密度大（功耗高達1 280 W）、結(jié)構尺寸較大（接收光學主鏡1 m）、材料導熱能力較差（支承筒和望遠鏡支架）、激光器功放熱耗較大且內(nèi)部熱源分散、控溫精度高等特點，熱設計存在難點。為此開展了精細化的等溫化設計和高精度溫控設計，建立完備的激光雷達仿真熱模型，結(jié)合實際熱控效果多次迭代，優(yōu)化熱界面（傳熱系數(shù)），改進熱控工藝，滿足激光雷達熱耗大、熱流密度大、溫度均勻性和梯度要求高等需求，將激光雷達關鍵部位的溫度梯度控制在0.5 ℃以內(nèi)。其次，開展了一系列地面熱試驗，結(jié)合衛(wèi)星實際在軌外熱流的變化情況，分析整星的溫度場、結(jié)構熱變形等對載荷探測性能的影響。目前衛(wèi)星在軌經(jīng)過加熱去污后，激光雷達各項溫度均符合指標要求，熱變形導致的視軸漂移也在誤差范圍以內(nèi)。

3）大氣激光雷達首次實現(xiàn)雙體制激光，具有CO2、細顆粒物高光譜星載探測能力，其CO2柱濃度測量精度優(yōu)于1×10-6，而國際上只有被動手段，且CO2柱總量的探測精度一般為（3～4）×10-6。大氣CO2探測采用路徑積分差分吸收激光雷達方法，使用雙波長1 572 nm 激光測量CO2柱濃度。此外，該激光雷達還可以同時獲取大氣、氣溶膠和云光學特性參數(shù)，以及云和氣溶膠的垂直分布信息。采用激光雷達532 nm 高光譜分辨、后向散射和偏振探測通道，以及1 064 nm 后向散射通道，可精確地測量大氣氣溶膠和云參數(shù)，同時給被動觀測載荷提供邊界層高度測量數(shù)據(jù)，用于細顆粒物濃度分布反演。國際上，測量氣溶膠和云與測量CO2激光雷達均是分開實現(xiàn)的，目前國際上還未有CO2激光雷達衛(wèi)星，而且測量云和氣溶膠無高光譜探測通道。大氣激光雷達是國際首次采用三波長雙體制探測技術，來實現(xiàn)對大氣顆粒物廓線探測能力和CO2高精度（1×10-6）探測能力。

4）國際首次采用系統(tǒng)級雙偏振融合的探測方式，偏振測量精度優(yōu)于0.5%。POSP 具有優(yōu)于0.5%的偏振數(shù)據(jù)精度，可以對氣溶膠校正參數(shù)及氣溶膠粒子譜分布（PM2.5濃度）進行有效的高精度反演，但由于其不具備成像能力，數(shù)據(jù)覆蓋度有所欠缺；DPC 具有較好的多角度成像氣溶膠探測能力，但其反演精度有限。因此，DQ-1 衛(wèi)星采用了POSP與DPC 系統(tǒng)級雙偏振融合技術方案，將多光譜成像技術、多角度偏振測量技術以及星上定標技術等有機結(jié)合在一起，進行多光譜多角度偏振輻射探測，實現(xiàn)全球大氣氣溶膠和云特性及其變化探測功能，以非成像多角度偏振反演數(shù)據(jù)修正多光譜成像數(shù)據(jù)，提高氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品的整體精度。

DPC 和POSP 之間的視場匹配是兩者數(shù)據(jù)融合的基礎。在設計和研制階段，減少干擾相對指向精度的因素，主要措施包括：通過合理設計裝調(diào)、裝星檢測方案，消除或抑制載荷光軸與配準棱鏡間的檢測誤差，以及裝星時載荷光軸指向的檢測誤差；控制衛(wèi)星結(jié)構變形，開展地面仿真和試驗，評估衛(wèi)星發(fā)射前后力學條件引起載荷光軸的指向變化，以及衛(wèi)星發(fā)射前后在軌后熱條件引起載荷光軸的指向變化，完成在軌相對指向精度修正。2 臺載荷在軌視場匹配精度優(yōu)于0.15 個POSP 瞬時視場，相對指向精度最大誤差僅為0.007 8°，滿足數(shù)據(jù)反演需求。

同時，為了實現(xiàn)雙偏振融合、高精度信息傳遞，POSP 需要進行高精度的定標。POSP 配置了2 臺偏振定標器，包括非偏和全偏定標器，可以實現(xiàn)在軌偏振定標，保證了偏振測量精度優(yōu)于0.5%。

5）國內(nèi)首次采用無控制點激光光軸自標定技術，光軸指向測量精度優(yōu)于0.008°。考慮到衛(wèi)星在軌存在飛行速度和激光指向偏離星下點偏離角，激光接收方向上存在相對速度，由多普勒頻移效應引起星上接收激光頻率與發(fā)射激光頻率之間的漂移，導致接收激光在CO2吸收線位置的變化。為實現(xiàn)1×10-6的CO2高精度探測，DQ-1 衛(wèi)星的ACDL 需要高精度補償激光束沿軌多普勒效應的影響，并精確測量激光的光軸指向。由于激光雷達無法成像，無法像成像類載荷一樣利用地面控制點對姿態(tài)確定中的常值項（如星敏感器Bias 等）及常周期項（如熱變形等）進行系統(tǒng)標定。為了提高激光雷達的光軸測量精度，衛(wèi)星設計了在軌激光雷達光軸監(jiān)測系統(tǒng)：①衛(wèi)星的星敏感器與激光雷達的光學底板進行一體化安裝，消除安裝矩陣帶來的影響，為減少星敏感器支架的相對熱變形影響，對星敏感器支架進行低熱膨脹設計以及高精度溫度控制，以保證星敏感器頭部安裝面到星敏支架基準棱鏡之間的熱變形小于6″；② 姿軌控分系統(tǒng)選擇一套Bias 抖動小于11″，噪聲等效誤差角（NEA）及低頻誤差（LFE）小于4.2″的高精度星敏感器，并通過在軌進行高精度姿態(tài)融合后使用；③星地協(xié)同保證衛(wèi)星軌道位置測量精度（小于5 m）及時統(tǒng)精度（小于1 ms），以滿足衛(wèi)星姿態(tài)確定精度坐標轉(zhuǎn)換的精度要求；④ 繼承國內(nèi)激光光軸指向標定成熟方案，與地面系統(tǒng)協(xié)同設計了地面激光光軸標定方案，實現(xiàn)在軌激光光軸定標。

通過高精度姿態(tài)敏感測量、高精度軌道測量、星敏與激光雷達一體化安裝、光軸與星敏變形監(jiān)視、精細化熱控設計等手段，該套系統(tǒng)可以定期監(jiān)測激光雷達的發(fā)射/接收光軸相對于星敏感器支架棱鏡的變形誤差，相對角度變形測量誤差不超過6.5″，星敏感器支架棱鏡相對于軌道系的姿態(tài)確定精度不超過15.17″，激光雷達光軸絕對指向相對于衛(wèi)星軌道系的測量誤差小于0.008°（28.88″）。

6）目前，國外配置的激光雷達衛(wèi)星壽命均不長，532 nm/1 064 nm 兩波長激光云和氣溶膠探測的CALIPSO 衛(wèi)星以及裝載355 nm 單波長高光譜激光雷達ATLID 的Earth CARE 衛(wèi)星，設計壽命均為3 a。DQ-1 衛(wèi)星上配置了532 nm/1 064 nm/1 572 nm 三波長雙體制激光雷達，解決了由于高損傷閾值激光腔、晶體薄膜衰減以及長壽命高能量激光器工程化問題，提升了激光雷達中的激光器在軌壽命，衛(wèi)星設計壽命預期可以實現(xiàn)8 a。因此，DQ-1衛(wèi)星是目前國際上設計壽命要求最長的具備激光探測能力的遙感衛(wèi)星。

3 在軌測試情況

2022 年4 月16 日DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射入軌后，先進行為期約1 個月的加熱去污，5 月12 日起，載荷依次結(jié)束加熱去污，陸續(xù)開機正常工作。6 月5 日，衛(wèi)星5 臺載荷完成狀態(tài)設置和參數(shù)調(diào)優(yōu)后，交付中國資源衛(wèi)星應用中心進行業(yè)務測試。2022 年7 月21 日，完成衛(wèi)星平臺部分測試，經(jīng)審查，平臺各分系統(tǒng)單機工作正常、性能穩(wěn)定，各項性能指標均滿足在軌測試大綱及細則要求。衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)在軌穩(wěn)定性如圖5 所示。

圖5 衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)在軌穩(wěn)定性Fig.5 Stability of the satellite platform subsystems in orbit

續(xù)圖5 衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)在軌穩(wěn)定性Continued fig.5 Stability of the satellite platform subsystems in orbit

2022 年8 月19 日，完成有效載荷在軌所有功能、性能項目的在軌測試，經(jīng)審查，各載荷成像功能正常，性能指標穩(wěn)定，載荷各項性能指標均滿足在軌測試大綱、細則要求及工程研制建設總要求。

具體衛(wèi)星各遙感儀器在軌穩(wěn)定性如圖6 所示。由圖可知，5 臺載荷遙感關鍵指標在軌穩(wěn)定。

圖6 衛(wèi)星各遙感儀器在軌穩(wěn)定性Fig.6 Stability of the remote sensing instruments of the satellite in orbit

綜合以上測試結(jié)果，按照在軌測試大綱和細則的要求完成了DQ-1 衛(wèi)星系統(tǒng)所有的測試項目，測試結(jié)果表明衛(wèi)星平臺分系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)完整，滿足要求，5 臺遙感儀器功能正常、性能穩(wěn)定，成像參數(shù)已調(diào)至較優(yōu)狀態(tài)，各載荷的光譜特性、輻射特性和幾何特性等星地一體化指標經(jīng)在軌測試后，均滿足大綱和細則的要求。

4 衛(wèi)星應用示例

DQ-1 衛(wèi)星入軌后，針對全球CO2柱濃度、云和氣溶膠、污染氣體等開展了應用研究。

1） 全球CO2柱濃度監(jiān)測。

利用ACDL 1 572 nm CO2通道遙感數(shù)據(jù)處理初步結(jié)果，首次實現(xiàn)精度優(yōu)于1×10-6的CO2柱濃度探測，首次實現(xiàn)兩極區(qū)域CO2柱濃度探測，以及首次實現(xiàn)夜間CO2柱濃度探測。ACDL 獲取的CO2柱數(shù)據(jù)有效率大于60%，遠高于被動手段（一般在10%左右）。ACDL 全球全天時CO2柱濃度2022 年7月的數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 ACDL 全球全天時CO2柱濃度2022 年7 月數(shù)據(jù)Fig.7 Global all day CO2 column concentration data in July 2022 by the ACDL

將ACDL 與地面TCCON 站點獲取CO2柱濃度數(shù)據(jù)進行星地初步對比統(tǒng)計，結(jié)果顯示星相關系數(shù)0.954，偏差0.27×10-6，均方差0.62×10-6，驗證了已優(yōu)于1×10-6的全球測量精度，如圖8 所示。

圖8 CO2柱總量與TCCON 站星地比對Fig.8 Comparison of the total CO2 column amount from the TCCON station and DQ-1 satellite

2） 全球云和氣溶膠監(jiān)測。

利用ACDL 532 nm 偏振&高光譜通道遙感數(shù)據(jù)處理初步結(jié)果，實現(xiàn)了全球首次獲得大氣純分子散射信號，全球首次獲得優(yōu)于20%高精度氣溶膠廓線，以及全球首次獲得云、氣溶膠精確分類信息。ACDL 全球首次直接獲取純分子散射信號廓線和測量高精度全球氣溶膠廓線，如圖9～圖10 所示。

圖9 ACDL 全球首次直接獲取純分子散射信號廓線Fig.9 Global pure molecular scattering signal profiles obtained by the ACDL for the first time

圖10 ACDL 首次測量高精度全球氣溶膠廓線Fig.10 High-precision global aerosol profiles obtaining by the ACDL for the first time

與美國CALIPSO 衛(wèi)星激光雷達數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明，ACDL 白天、夜間的信噪比分別約為CALIOP 衛(wèi)星的3 倍和2 倍。

利用雙偏振儀器（POSP&DPC）獲取的單日全球和重點區(qū)域氣溶膠AOD 分布，清晰顯示了陸地上空大氣氣溶膠AOD 的分布特征，并與MODIS 反演結(jié)果進行了對比，分布趨勢具有很高的一致性，如圖11 和圖12 所示。

圖11 DQ-1 雙偏振儀器獲取的550 nm 波長光的氣溶膠AOD 分布信息Fig.11 AOD distribution at 550 nm obtained by the DQ-1 dual polarization instrument

圖12 DQ-1 雙偏振儀器獲取的550 nm 波長光的AOD 分布與MODIS 獲取AOD 分布對比Fig.12 Comparison of the AOD distributions at 550 nm obtained by the DQ-1 dual polarization instrument and MODIS on July 10，2020

3）全球污染氣體監(jiān)測。

利用EMI 紫外至可見高光譜數(shù)據(jù)獲取了全球NO2、O3、HCHO 等污染氣體分布，并與國外TROPOMI 數(shù)據(jù)進行了對比，相關性良好，如圖13～圖16所示（DU：Dobson unit，多布森單位）。

圖13 DQ-1 EMI 獲取全球NO2 分布信息（2022-5-22—2022-6-6）Fig.13 Global NO2 distribution obtained by the DQ-1 EMI from May 22，2022 to June 6，2022

圖14 DQ-1 EMI 獲取全球O3分布信息（2022-5-23）Fig.14 Global O3 distribution obtained by the DQ-1 EMI on May 23，2022

圖15 DQ-1 EMI 獲取全球HCHO 分布信息（2022-5-22—2022-6-7）Fig.15 Global HCHO distribution obtained by the DQ-1 EMI from May 22，2022 to June 7，2022

圖16 2022 年5 月25 日EMI 與TROPOMI 獲取的O3 柱 濃度反演結(jié)果對比Fig.16 Comparison of O3 column concentrations obtained by the EMI and TROOMI on May 25，2022

通過對EMI 與TROPOMI 全球臭氧反演結(jié)果數(shù)據(jù)重采樣后，選擇區(qū)域進行一致性比對，平均相對誤差約為2%，平均精度約為98%。

綜合以上，DQ-1 衛(wèi)星在軌初步應用成果斐然，標志我國大氣遙感能力達到國際先進水平。針對碳監(jiān)測，DQ-1 衛(wèi)星實現(xiàn)了3 個國際首次，首次獲取了精度優(yōu)于1×10-6的全球CO2柱濃度數(shù)據(jù)，首次獲取了夜間全球CO2柱濃度數(shù)據(jù)，首次獲取了南北兩極CO2柱濃度數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)有效并大幅優(yōu)于被動遙感衛(wèi)星，應用效果達到國際領先水平，有助于我國掌握碳外交主動權和話語權。針對大氣污染監(jiān)測，DQ-1 衛(wèi)星國際首次獲取全球高精度氣溶膠廓線數(shù)據(jù)，與被動遙感數(shù)據(jù)結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)全球三維高精度探測，同時衛(wèi)星獲取了全球污染氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠為我國大氣污染防治提供高精度遙感數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)束語

DQ-1 衛(wèi)星采用主動激光、高光譜、偏振、多光譜、多角度等多種探測手段，實現(xiàn)高精度、大范圍、全天時、多要素綜合觀測，多項指標國際領先，遙感能力跨越發(fā)展，達到了國際先進水平，顯著提高我國在大氣遙感領域以及激光遙感領域的國際影響力。此外，我國在“十四五”期間還將發(fā)射高精度溫室氣體綜合探測衛(wèi)星（代號DQ-2），將與DQ-1 衛(wèi)星形成上下午組網(wǎng)觀測，進一步提升我國天基碳監(jiān)測和污染監(jiān)測能力，為我國“碳達峰”與“碳中和”國家戰(zhàn)略、建設“美麗中國”提供科學數(shù)據(jù)支撐。

面向我國“雙碳”和生態(tài)文明建設國家戰(zhàn)略對環(huán)境監(jiān)測提出的更高要求，后續(xù)還將逐步發(fā)展高軌高光譜觀測衛(wèi)星、高精度臭氧監(jiān)測衛(wèi)星等新型衛(wèi)星，形成“高低軌組網(wǎng)、主被動結(jié)合”的生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)全域排查、全面清理、全量處置、全過程監(jiān)管、全方位提升的“五全”危險廢物環(huán)境監(jiān)管體系，以及高頻率、高標準、高效率、高質(zhì)量、高密度的“五高”的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力。