大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星校飛試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

董長哲，張 娟，石新宇，袁金如，王鳳陽，張 揚(yáng)，楊巨鑫，李朕陽

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800；3.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（代號(hào)大氣一號(hào)，DQ-1）是國際首顆同時(shí)采用主動(dòng)激光、多角度、偏振、多光譜和高光譜等多種探測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的高精度綜合探測(cè)的衛(wèi)星。DQ-1 衛(wèi)星于2022 年4 月16 日成功發(fā)射，目前在軌運(yùn)行穩(wěn)定。

在大氣一號(hào)發(fā)射之前，國際上在軌的、具有應(yīng)用基礎(chǔ)的衛(wèi)星均采用單一手段進(jìn)行探測(cè)。典型的有利用激光手段進(jìn)行氣溶膠探測(cè)的CALIPSO 衛(wèi)星、利用高光譜手段進(jìn)行二氧化碳監(jiān)測(cè)的OCO-2 和GOSAT-2 衛(wèi)星、利用偏振手段進(jìn)行氣溶膠探測(cè)的PARASOL 衛(wèi)星等，沒有一顆衛(wèi)星上有主被動(dòng)載荷數(shù)據(jù)融合使用而帶來的多載荷協(xié)同觀測(cè)體制問題。

另外，大氣一號(hào)衛(wèi)星上采用了國際上先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，包括大氣探測(cè)激光雷達(dá)（Aerosol and Carbon Detection Lindar，ACDL）、高精度偏振，不僅在國內(nèi)無相關(guān)載荷在軌及可供研究的遙感數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)采用的是后向散射，且具有高光譜探測(cè)和差分吸收探測(cè)雙體制，國際上也未有先例。對(duì)于衛(wèi)星探測(cè)效能檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)、地面同步開展的針對(duì)新研載荷數(shù)據(jù)處理及反演研究，真實(shí)遙感數(shù)據(jù)是重要的基礎(chǔ)輸入，也急需在衛(wèi)星發(fā)射前，開展航空校飛獲取新研載荷數(shù)據(jù)，用以地面數(shù)據(jù)處理及反演研究。同時(shí)，需要盡早開展新研載荷的偏振、激光波長定標(biāo)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法的研究，積累地面經(jīng)驗(yàn)，以使衛(wèi)星發(fā)射后及早投入應(yīng)用。

航空校飛試驗(yàn)是驗(yàn)證星載遙感儀器原理以及性能的重要方法，能夠模擬星載遙感儀器的探測(cè)，得到了國際遙感領(lǐng)域主流學(xué)界的公認(rèn)。美國ASECNDS 計(jì)劃采用差分吸收激光雷達(dá)進(jìn)行大氣中二氧化碳柱濃度探測(cè)，已開展了近十年的校飛試驗(yàn)驗(yàn)證。

針對(duì)以上考慮，在大氣一號(hào)衛(wèi)星研制初樣階段開展了多載荷綜合探測(cè)航空校飛試驗(yàn)，驗(yàn)證ACDL探測(cè)性能以及雙偏振載荷匹配探測(cè)原理，并為地面應(yīng)用系統(tǒng)提供真實(shí)數(shù)據(jù)源，驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理方法的正確性。

1 試驗(yàn)設(shè)備組成

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星載荷校飛試驗(yàn)參試載荷包括激光雷達(dá)校飛樣機(jī)、高精度偏振掃描儀校飛樣機(jī)和同時(shí)偏振相機(jī)。為了獲取輔助數(shù)據(jù)，同時(shí)在飛機(jī)上搭載了溫濕風(fēng)壓傳感器、CO2原位測(cè)量設(shè)備等設(shè)備，在試驗(yàn)前進(jìn)行了標(biāo)校，符合試驗(yàn)要求。同時(shí)為了開展地面比對(duì)，在地面布置了太陽光度計(jì)（CE318）、微脈沖激光雷達(dá)、偏振米散射激光雷達(dá)、溫室氣體原位測(cè)量儀等地面設(shè)備。校飛試驗(yàn)設(shè)備組成如圖1 所示。

圖1 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星校飛試驗(yàn)設(shè)備組成Fig.1 Equipment component of the DQ-1satellite aerial experiment

其中，激光雷達(dá)校飛樣機(jī)為星載儀器縮比樣機(jī)（考慮校飛與衛(wèi)星在軌運(yùn)行高度差異，對(duì)激光發(fā)射能量、樣機(jī)接收視場角進(jìn)行了適應(yīng)性更改，確保雷達(dá)樣機(jī)與星載雷達(dá)接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)），高精度偏振掃描儀校飛樣機(jī)為工程樣機(jī)，同時(shí)偏振相機(jī)為替代多角度偏振成像儀（由于多角度偏振成像儀是利用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)像元配準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)針對(duì)特定的軌道高度，不適用于機(jī)載試驗(yàn)）。

針對(duì)本次試驗(yàn)，新研了激光雷達(dá)校飛樣機(jī)，改造了高精度偏振掃描儀工程樣機(jī)（樣機(jī)與星上單機(jī)指標(biāo)比對(duì)見表1），采購了同時(shí)偏振相機(jī)（相機(jī)與星上單機(jī)指標(biāo)比對(duì)見表2），并對(duì)3 臺(tái)校飛儀器進(jìn)行了驗(yàn)收測(cè)試（如圖2 所示），測(cè)試結(jié)果均滿足要求。試驗(yàn)時(shí)，不同的地面觀測(cè)站上布置了不同的儀器。具體的分布站點(diǎn)和儀器見表3。

表1 ACDL 星載與機(jī)載指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of the spaceborne and airborne indexes for the ACDL

表2 雙偏振載荷星載與機(jī)載指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of the spaceborne and airborne indexes for the dual polarization payload

表3 地面站分布及攜帶的儀器Tab.3 Distributions and instruments of the ground stations

圖2 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星校飛試驗(yàn)載荷Fig.2 Payloads of the DQ-1 satellite aerial experiment

2 飛行試驗(yàn)方案

本次校飛試驗(yàn)采用Y8F-750 號(hào)（運(yùn)八）飛機(jī)作為試驗(yàn)載機(jī)，搭載星載設(shè)備進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，如圖3 所示。Y8F-750 號(hào)運(yùn)輸機(jī)是中國航空工業(yè)陜西飛機(jī)制造公司研制的四發(fā)渦輪螺槳中程運(yùn)輸機(jī)，隸屬于中國飛行試驗(yàn)研究院。飛機(jī)的巡航速度為350～480 km/h。整個(gè)校飛試驗(yàn)方案包括飛機(jī)改裝、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)3 部分。

圖3 校飛試驗(yàn)用Y8F-750 號(hào)飛機(jī)Fig.3 Y8F-750 airplane for the aerial experiment

2.1 飛機(jī)改裝方案

考慮到機(jī)載設(shè)備的重量和工作模式，將激光雷達(dá)、偏振相機(jī)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備統(tǒng)一安裝在前機(jī)身左側(cè)機(jī)腹的吊艙內(nèi)，如圖4 所示。吊艙中段底部分別為激光雷達(dá)載荷/偏振載荷設(shè)置有一個(gè)平面凹陷與兩個(gè)開口，以確保證視場內(nèi)無任何遮擋。其余電子機(jī)柜、溫濕風(fēng)壓傳感器、CO2原位測(cè)量裝置等設(shè)備安裝在貨艙前部的氣密套艙內(nèi)。

圖4 吊艙在飛機(jī)上的安裝布局Fig.4 Layout of the pod installation on the aircraft

為保證參試儀器的溫度和壓力環(huán)境，飛機(jī)新增一套環(huán)控增壓和氧氣系統(tǒng)，貨艙后部加裝了一套液冷系統(tǒng)，吊艙的掛裝位置確定在運(yùn)-8/750 飛機(jī)前機(jī)身12 框-19 框左下側(cè)壁板處，氣密套艙安裝在貨艙前部13-21 框處。

2.2 地面試驗(yàn)方案

飛機(jī)改裝完成后，進(jìn)行載荷與機(jī)上全系統(tǒng)地面聯(lián)試，對(duì)被試設(shè)備工作狀態(tài)、與機(jī)載航電設(shè)備的電磁兼容性進(jìn)行檢查。

1）載荷地面聯(lián)調(diào)測(cè)試。

改裝完成后，進(jìn)行載荷通電聯(lián)調(diào)，檢查被試設(shè)備工作是否正常，各被試設(shè)備之間是否存在干擾現(xiàn)象。

2）電磁兼容性定性檢查。

3）電源車供電檢查。

檢查各被試設(shè)備機(jī)械安裝是否牢靠，信號(hào)、電源等電氣接口匹配性是否協(xié)調(diào)。用地面電源車對(duì)被試系統(tǒng)、機(jī)上相關(guān)機(jī)載設(shè)備供電，檢查被試系統(tǒng)工作狀態(tài)，與機(jī)上相關(guān)設(shè)備能否兼容工作。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)供電檢查。

載機(jī)地面開車，用機(jī)上電源對(duì)被試系統(tǒng)、機(jī)上相關(guān)機(jī)載設(shè)備供電，檢查被試系統(tǒng)工作狀態(tài)，與載機(jī)上航電設(shè)備能否兼容工作。

2.3 飛行試驗(yàn)方案

本次校飛試驗(yàn)場地選擇閻良機(jī)場與山海關(guān)機(jī)場，任務(wù)區(qū)域安排在山海關(guān)機(jī)場空域范圍內(nèi)，如圖5所示。在閻良機(jī)場開展飛機(jī)平臺(tái)與被試設(shè)備檢飛等工作，在山海關(guān)機(jī)場開展空域適應(yīng)性試飛以及任務(wù)試飛工作。

圖5 山海關(guān)機(jī)場空域范圍Fig.5 Airspace range of the Shanhaiguan Airport for the aerial experiment

根據(jù)給定的山海關(guān)機(jī)場空域范圍，在設(shè)計(jì)飛行航線時(shí)盡量覆蓋城市、山區(qū)、海洋等多種地形地貌，同時(shí)考慮航線盡可能靠近北戴河、撫寧、綏中等地面觀測(cè)站點(diǎn)，通過與試飛院以及空管的多輪協(xié)調(diào)，飛行航線如圖6 所示。

本次飛行試驗(yàn)主要包括改裝后平臺(tái)檢飛、參試設(shè)備檢飛、山海關(guān)空域適應(yīng)性試飛、高度4 km 左右晴朗條件大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)試飛、高度4 km 左右污染條件大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)試飛、高度2～8 km 晴朗條件大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)試飛等內(nèi)容，具體內(nèi)容見表3。

3 試驗(yàn)過程

3.1 地面改裝及測(cè)試過程

2018 年11 月29 日被試系統(tǒng)進(jìn)入試飛院進(jìn)行地面聯(lián)試，衛(wèi)星總體、載荷單位相關(guān)人員對(duì)激光雷達(dá)、雙偏振儀器進(jìn)行地面測(cè)試，為裝機(jī)做好準(zhǔn)備，如圖7、圖8 所示。

圖7 激光雷達(dá)閻良地面測(cè)試Fig.7 Test for the ground in Yanliang District by the ACDL

圖8 雙偏振儀器閻良地面測(cè)試Fig.8 Test for the ground in Yanliang District by the dual polarization instrument

3.2 飛行試驗(yàn)過程

衛(wèi)星載荷校飛樣機(jī)利用中國飛行試驗(yàn)研究院Y8F-750 號(hào)運(yùn)八飛機(jī)共飛行了14 架次，其中9 次進(jìn)行了探測(cè)數(shù)據(jù)采集，見表4。

表4 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星載荷校飛試驗(yàn)執(zhí)行情況Tab.4 Progress of the DQ-1 aerial experiment

從1 月9 日第一次平臺(tái)檢飛開始，在2 個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)共完成了3 次平臺(tái)檢飛、2 次系統(tǒng)檢飛、1 次空域試飛、4 次氣溶膠探測(cè)飛行、2 次CO2探測(cè)飛行以及2 次轉(zhuǎn)場飛行，共計(jì)14 架次飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)中飛機(jī)和載荷工作正常，獲取了有效探測(cè)數(shù)據(jù)。

此外，在山海關(guān)飛行試驗(yàn)期間，地面觀測(cè)站點(diǎn)也同步采集了數(shù)據(jù)，與飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)研究。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對(duì)激光雷達(dá)和雙偏振載荷機(jī)載樣機(jī)在飛行試驗(yàn)中獲取的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，通過反演獲取了CO2柱濃度、氣溶膠垂直廓線、氣溶膠光學(xué)厚度等應(yīng)用產(chǎn)品，并與地面設(shè)備獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，一致性較好。

4.1 激光雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1） CO2數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

采用2019 年3 月14 日進(jìn)行了7 km 飛行高度的激光雷達(dá)飛行校驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演。為了研究碳的匯和源，所選飛行區(qū)域依次經(jīng)過了海洋、陸地及山地3 種地形。飛過相應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的時(shí)間、地形及對(duì)應(yīng)激光落腳點(diǎn)的高度如圖9 所示。

圖9 2019 年3 月14 日飛行路線及高度Fig.9 Flight route and flight altitude of the aerial experiment

圖10 激光雷達(dá)與原位測(cè)量儀測(cè)量結(jié)果的對(duì)比Fig.10 Comparison of the results measured by the ACDL and the in-situ measuring instrument

將機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量CO2柱線濃度數(shù)據(jù)與機(jī)載原位測(cè)量儀獲得的單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，兩者相關(guān)性達(dá)到92.67%。

選取了陸地區(qū)域如圖11 所示，對(duì)應(yīng)時(shí)間為11：31：49—11：33：20，反演的柱線CO2濃度為427.94×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.975×10-6。

圖11 選取陸地部分區(qū)域計(jì)算的XCO2濃度偏差Fig.11 XCO2 concentration deviation calculated from parts of the land

4.2 氣溶膠數(shù)據(jù)處理結(jié)果

同樣選取2019 年3 月14 日飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理反演。通過3 月14 日機(jī)載探測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的氣溶膠后向散射系數(shù)廓線和退偏系數(shù)廓線等參數(shù)隨時(shí)間和高度的變化如圖12 所示，氣溶膠消光系數(shù)廓線如圖13 所示，氣溶膠激光雷達(dá)比廓線如圖14所示。

圖12 2019 年3 月14 日氣溶膠后向散射系數(shù)廓線/退偏廓線Fig.12 Profiles of the aerosol backscatter coefficient and depolarization on March 14，2019

圖13 2019 年3 月14 日氣溶膠消光系數(shù)廓線Fig.13 Aerosol extinction coefficient profile on March 14，2019

選取飛機(jī)經(jīng)過地面撫寧站臨近時(shí)刻的氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）進(jìn)行對(duì)比，由圖15 可知，機(jī)載532 nm 高光譜通道在臨近地面時(shí)刻的光學(xué)厚度的變化趨勢(shì)和數(shù)值與地面CE318的一致性良好，說明532 nm 高光譜通道數(shù)據(jù)探測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度的準(zhǔn)確性。

圖15 臨近時(shí)刻機(jī)載532 通道和CE318 AOD 對(duì)比Fig.15 Comparison of the AOD of the airborne 532 channel and CE318 at the approaching moment

將機(jī)載532 nm 高光譜通道數(shù)據(jù)（High Spectral Resolution Lidar，HSRL）與地面微脈沖激光雷達(dá)（Micro Pulse Lidar，MPL）獲取的532 nm 探測(cè)通道后向散射系數(shù)對(duì)比（如圖16 所示），黑色實(shí)線是機(jī)載532 nm 通道的測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色虛線是微脈沖激光雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果，從比較結(jié)果可以看出，機(jī)載激光雷達(dá)與地面微脈沖激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，兩者都可以探測(cè)到大約3.3 km 高度的邊界層高度。

圖16 機(jī)載HSRL 與地面MPL 獲取的532 nm 探測(cè)通道后向散射系數(shù)對(duì)比Fig.16 Comparison of the backscatter coefficient of the 532 nm detection channel obtained by the ground MPL with the airborne HSRL

將機(jī)載532 通道后向散射系數(shù)與美國CALIPSO 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（如圖17 所示），CALIPSO 衛(wèi)星過境時(shí)間比飛機(jī)晚12 h 左右，機(jī)載星下點(diǎn)與CALIPSO 衛(wèi)星星下點(diǎn)地理位置相差120 km 左右。從對(duì)比結(jié)果看，后向散射系數(shù)廓線趨勢(shì)以及數(shù)值方面較為接近，在3.5 km 高度左右都探測(cè)到了氣溶膠層。

圖17 CALIPSO 衛(wèi)星與機(jī)載532 高光譜后向散射系數(shù)對(duì)比Fig.17 Comparison of the backscatter coefficient of the airborne 532 channel obtained by the ACDL and CALIPSO satellite

4.3 雙偏振載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用雙偏振載荷2019 年3 月9—19 日4 個(gè)架次的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演。2019 年3 月11日秦皇島觀測(cè)點(diǎn)的雙偏振儀器飛行探測(cè)的目標(biāo)Stokes 參數(shù)、偏振度、偏振反射率隨探測(cè)角度變化的曲線如圖18 所示。

圖18 目標(biāo)Stokes 參數(shù)、偏振度、偏振反射率隨探測(cè)角度變化曲線Fig.18 Curves of stokes parameter，degree of polarization，polarization reflectivity over detection angles

續(xù)圖18 目標(biāo)Stokes 參數(shù)、偏振度、偏振反射率隨探測(cè)角度變化曲線Continue fig.18 Curves of stokes parameter，degree of polarization，polarization reflectivity over detection angles.

對(duì)比數(shù)據(jù)選取同架次2 次飛過秦皇島地基觀測(cè)站點(diǎn)時(shí)的雙偏振載荷與CE318 觀測(cè)數(shù)據(jù)，并代入到反演程序中進(jìn)行反演得到AOD。選取同時(shí)刻CE318 產(chǎn)品中675 nm AOD 進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比結(jié)果見表5。從數(shù)據(jù)中可以看出：雙偏振載荷的AOD 結(jié)果普遍略小于CE318 的AOD，原因是機(jī)載數(shù)據(jù)獲取的是地面至飛行高度的AOD，而地面儀器獲取的是整層AOD。綜合4 個(gè)架次觀測(cè)，偏振載荷反演的AOD 與CE318 的AOD 結(jié)果一致性較好，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)大氣AOD 范圍約在0.1～0.4 之間，平均反演誤差約為0.027 8。

表5 偏振載荷與CE318 反演的光學(xué)厚度對(duì)比Tab.5 Comparison of the AOD results of particulate observing scanning polarimeter and CE318

秦皇島當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r為架次1 和架次4 為輕度污染，架次2 為晴天，架次3 為多云天氣，見表5。由表中可以看出，氣溶膠的時(shí)間變化特性與天氣狀況的改變是對(duì)應(yīng)的。在晴好、干凈的天氣，氣溶膠光學(xué)厚度明顯小于輕度污染的情況下。

將機(jī)載數(shù)據(jù)反演的670AOD 與CE318 給出的產(chǎn)品對(duì)應(yīng)相對(duì)應(yīng)，2 個(gè)傳感器反演結(jié)果散點(diǎn)驗(yàn)證如圖19 所示。由圖19 可知，兩傳感器給出的AOD 結(jié)果相關(guān)性較強(qiáng)。

圖19 機(jī)載儀器AOD（τ670）與CE318AOD（τ675）對(duì)應(yīng)散點(diǎn)Fig.19 Scatter diagram of the airborne instrument AOD（τ670）and CE318 AOD（τ675）

5 結(jié)束語

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星校飛試驗(yàn)綜合考慮了試驗(yàn)設(shè)備、飛機(jī)改裝、飛行區(qū)域和路線、地面觀測(cè)站點(diǎn)等因素，于衛(wèi)星研制初樣階段成功完成。整個(gè)飛行試驗(yàn)過程中，機(jī)載與地面探測(cè)儀器均表現(xiàn)良好，獲取了有效探測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)機(jī)載探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理反演，結(jié)果與地面觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，有較好的一致性。

本次試驗(yàn)成功驗(yàn)證了三波長雙體制ACDL 以及雙偏振融合探測(cè)原理，可以實(shí)現(xiàn)CO2柱濃度1×10-6精度的探測(cè)，能夠獲取大氣氣溶膠垂直廓線信息，且為地面應(yīng)用系統(tǒng)提供了真實(shí)數(shù)據(jù)源，對(duì)激光以及雙偏振的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了初步驗(yàn)證，為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在軌效能保證奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為后續(xù)光學(xué)遙感校飛試驗(yàn)積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)。