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生态环境卫星家族在轨成员达到六颗

高空“天眼”如何并肩作战?

2021年09月27日作者:张黎来源:中国环境报第5版

环绕地球飞行的环境二号卫星 

高光谱观测卫星示意图

  不久前,我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功发射了一颗“高光谱观测卫星”。这是生态环境部牵头研制建设的首颗具备大气和陆表环境综合观测能力的业务卫星。至此,生态环境“卫星家族”再次壮大,在轨成员达到6颗。

  目前这些“卫星家族”中,不同卫星分别承担什么功能?它们之间如何协调运转?此次发射的高光谱观测卫星,又如何“技高一筹”?记者采访了生态环境部卫星环境应用中心卫星发展研究所相关专家,为大家答疑解惑。

  6颗卫星功能互补,看得更清晰数据更准确

  我国民用卫星可分为四大类体系——分别是气象卫星、资源卫星、海洋卫星和环境卫星。相比于其他系列,环境卫星虽起步较晚,但发展较快。

  自2008年环境一号A、B星成功发射,到2012年环境一号C星发射上天,标志着我国的环境监测从此有了“天眼”相助。随后,2020年9月,环境二号A、B星一箭双星发射成功,加上刚刚发射的高光谱观测卫星,生态环境“卫星家族”如今已有6位“家庭成员”在轨服役。

  生态环境部卫星环境应用中心卫星发展研究所所长游代安介绍说,卫星的功能与其所搭载的载荷有着密切关系。如环境二号A、B星,其主要搭载了16米光学相机、红外相机、高光谱成像仪和大气校正仪,主要用于中、大尺度的地表生态环境、水生态环境和大气环境等遥感监测。

  而最新发射成功的高光谱观测卫星则搭载7台有效载荷,包括可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪等,可同时实现高光谱、全谱段、多角度、偏振等多种观测数据的融合应用,支撑颗粒物、气态污染物、温室气体等大气环境要素遥感监测,以及生态系统评估、生物多样性监测、水生态环境监测等生态环境重点工作。

  无论是秸秆焚烧、违规排放,还是地表破坏、海面溢油等环境问题,都逃不过卫星的火眼金睛。“简单来说,此次发射的卫星会看得更清晰,功能更强大,时间、空间范围覆盖更广,观测数据也更准确。”游代安补充道。

  抬头遥望,天上众多的环境卫星,它们的功能和任务不会重复吗?

  游代安解释说,每颗卫星肩负的主任务都各不相同。比如,高光谱观测卫星搭载的5台载荷是用于大气环境监测的,两台陆地观测载荷可用于生态系统精细化分类、水质参数反演、热污染源探测等。而之前发射的环境二号A、B星在高光谱和红外空间分辨率上,会略低于新的高光谱观测卫星,它们会被更多应用于大范围的自然生态、水生态环境监测等。

  “卫星不怕多,在轨越多一方面可实现组网运行,大幅提升数据获取和覆盖能力,提高重访性能,另一方面不同卫星也可以起到互补的作用。”游代安说。

  协同使用、组网运行,变事后查证为主动发现

  不仅任务功能不同,不同分辨率、不同载荷的卫星还可以在生态环境监测业务中协同使用,并肩作战。

  生态环境部卫星环境应用中心卫星工程首席专家刘思含对此解释说,比如中分辨率大幅宽的卫星数据适合开展大范围快速巡查,发现疑似生态环境问题后,再利用高分辨率卫星进行精细化探测。

  通过多星的协同使用,可以提高卫星遥感在生态环境监管方面主动发现问题的能力,支撑生态环境遥感监测从过去以事后查证为主向事后查证与主动发现并重转变,提高多源卫星的综合应用效能,助力深入打好污染防治攻坚战,这也是新时期生态环境管理对卫星遥感应用提出的新要求。

  此外,多颗卫星还可以通过组网运行,提升卫星生态环境监测的覆盖能力和重访能力。

  刘思含介绍,一颗卫星或多颗同类型卫星不能监测所有的环境问题,往往需要协同多颗卫星,通过多要素、多手段、多尺度、多相位的多星多载荷协同应用,支撑实现“高精度、全方位、短同期”的生态环境遥感监测,构建天地一体化生态环境立体监测体系。这是生态环境部对卫星遥感监测提出的整体规划。

  “举个例子,‘环境一号’所在位置是距离地表约645公里的太阳同步轨道,以途经南北两极的角度绕地球旋转,这样能让卫星获取有利而稳定的光学观测条件。然而,单颗卫星对地球的覆盖周期太长,不利于动态观测,调用多颗卫星就能大大缩短覆盖周期。”

  卫星数据都在天上,怎么获取并传输给地面?

  面对疑问,刘思含解答说,卫星数据其实是通过卫星上的数传天线,将数据传输到卫星地面接收站的数据接收系统,再到数据预处理系统,经辐射处理、几何校正等处理流程后,生成1-2级初级数据产品,最后再传输给应用系统,用于生产高级专题和应用产品。

  载荷光谱分辨率最高,融合应用前途无限

  看似简单的卫星发射、排兵布阵,其背后从项目立项到需求研发、各方配合,直至顺利升空,往往需要数年的筹备。在卫星专家的心中,等待是艰辛的历程,却也换来欣喜的硕果。

  比如这次的高光谱观测卫星,它能够同时对陆地和大气进行综合探测,综合性能指标达到国际同类卫星的先进水平。“所有载荷全部是我国自主研发的国产化设备,科技的进步真的是眼见为实。”游代安的自豪之情溢于言表。

  生态环境部卫星环境应用中心卫星发展研究所工程师滕佳华向记者解释道,地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征,光谱因此被视为辨别物质的“指纹”,是用来分析不同物体特征重要的“身份证”。高光谱相机,能够更精细地探测地表物体的光谱特性,识别物体的特征。

  “如在自然生态方面,能够实现更精细化的生态系统分类。在遥远的天上,水环境中是“水华”还是“水草”,通过卫星看得一目了然。这样的有效区分,进一步提高了水质参数遥感反演的精度。”滕佳华说。

  不仅如此,高光谱观测卫星上的全谱段光谱成像仪,其空间分辨率达到40米,为国际民用卫星最高,可以更好地支撑核电厂温排水、城市热污染监管等生态环境保护工作。

  刘思含还提及,在颗粒物探测方面,基于大气气溶胶多角度偏振探测仪和高精度偏振扫描仪两台载荷,在国际上首次通过‘偏振交火’方式进行联合观测,实现全球大气气溶胶和云的光学及微物理参数探测及近地表颗粒物(PM2.5、PM10)的定量化监测。大气气溶胶多角度偏振探测仪也是目前国际上谱段最多、观测角度最多、偏振探测能力最强的气溶胶偏振探测载荷。

  “这也意味着,利用高光谱卫星,不仅能看中国,全世界的温室气体浓度和分布都能看到。有了这些数据,我们可以更好地了解掌握全球大气环境,助力碳达峰碳中和目标的实现。”

  记者了解到,高光谱观测卫星的设计寿命为8年,前半年为在轨测试阶段,将会不断测试,将卫星和各有效载荷调整到最佳状态,之后才交付给用户投入使用。

  “虽然之前发射的环境一号A、B卫星已分别超期服役10年和6年,但仍在一直发挥作用。相信随着生态环境业务需求的快速增长和科技水平不断进步,未来我们的‘生态环境卫星’家族还会再添新丁,继续壮大队伍和力量。”刘思含满怀期待。


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编辑:lianwei