日本“地球环境变化观测任务”卫星

□□1997年,在《联合国气候变化公约》缔约方第3次会议上，日本承诺研制发射“温室气体观测卫星”（GOSAT）和由6颗星组成的“地球环境变化观测任务”（GCOM）卫星。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）于2004年1月发射了GOSAT，同时计划2012年夏天在种子岛宇航中心发射GCOM的第1颗卫星—地球水环境变化监测卫星－1（GCOM-W1）。

1 GCOM概况

GCOM研制背景及卫星简介

1997年12月，在日本京都召开了《联合国气候变化公约》缔约方第3次会议，所有缔约国参加了这次会议。会上，缔约国全面、认真地讨论了臭氧层遭破坏、全球气候变暖、自然灾害频发等状况及其给人类生活带来的严重危害，提请所有入会国在气候变化框架条约的基础上签订了《京都议定书》。议定书对限制发达国家温室气体排放量提出了具体要求，明确规定，到2010年，发达国家二氧化氮等6种温室气体的排放量必须比1990年减少5.2%等量化数据，确定条约于2005年2月16日正式生效。在这次会上，日本承诺率先研制并于2008年夏季（实际2009年1月3日）发射GOSAT，同时保证在2009－2013年的5年间向议定书签字国无偿提供GOSAT的观测数据；美国也承诺研制和发射“轨道碳观测”（OCO）卫星，但因火箭故障，未能按预定程序要求抛掉整流罩致使该卫星坠入南极洲海域；按会议要求，日本还要研制和发射由6颗星组成的GCOM卫星。

为实现《联合国气候变化公约》缔约方第3次会议的承诺， JAXA从2005年4月开始GCOM的概念设计，确定GCOM由6颗星，即3颗GCOM－W卫星（GCOM－W1、W2、W3）和3颗GCOM－C卫星（GCOM－C1、C2、C3）组成，旨在构筑一个可全面、有效进行空间观测的系统，利用这一系统，通过长期（10～15年）、高精度、不间断地观测，为监测和保护人类环境服务。它们将从2012年开始先后发射入轨，为达到长期观测的目的，每颗星还配备2颗后继星，计划在上颗星完成预定飞行任务的前一年发射其后继星，以便留有足够的时间确认卫星的性能，完成对星上观测遥感器进行比较、校正，确保观测精度，并确认星上仪器的稳定性，确保它在正式接替上一颗星后可继续不间断、高水准地执行观测任务，为用户提供高可靠性的观测数据。

在JAXA的支持下，日本电气公司（NEC）以招标方式成为GCOM卫星的主承包商，负责卫星公用舱的研制，并与NEC-东芝空间系统公司（NTS）一起负责其主要姿态控制核心部件和遥感器的研制。

如何缩短卫星观测数据传递的潜隐状态时间（从获取观测数据到向用户提供应用数据且传送到应用现场所需的时间）非常重要，因此被列为重要的攻关课题。通常，气象预报用观测数据的有效期仅为3h。GCOM卫星每天绕地球运行14圈，每圈在北极附近的斯巴尔巴托站接收数据，接收到的数据立即被传送回设在日本的接收站，这样，就可大幅度地缩短数据传递的潜隐状态时间，这种实时向地面站传送观测数据的方式，可充分满足用户对数据的即时性要求，确保用户在最短的时间就可获取满意的实时数据。

GCOM地面系统

作为GCOM的总负责机构，JAXA不仅负责卫星总体设计以及计划的审定、综合管理和星载遥测数据评价，还将统筹在轨运行与应用管理；筑波空间中心负责利用JAXA的地面网络系统下达卫星控制指令，并获取卫星运行状况的遥测数据。

利用GCOM进行长期、不间断的观测计划

测试中的GCOM－W1卫星

为进一步拓宽GCOM的每颗卫星观测数据的应用范围，还构建了网页并向用户开放，这样不仅从事气象变化研究的机构、大学和研究所，即便是普通研究人员也可利用网络简便地下载其所需的信息，实时地开展各项研究与应用。

为满足对第1、3、5发星（GCOM－W1、W2、W3）和第2、4、6发星（GCOM-C1、C2、C3）的试验、发射和应用需求，GCOM地面系统起码必须满足长达20年的运行与管理、应用要求。因此，在开发GCOM地面系统时采取了以下有效对策：

1）必须确保系统既能在短时间内满足卫星应用计划需求，又可通过及时改造成为足以满足长期计划需求的高可靠系统。

2）必须确保系统成为一个既可长时间进行卫星数据处理，又可生成指令的系统。

3）必须使系统成为一个可用于长期评价卫星遥测数据的高可靠系统。

4）必须使系统成为迄今可以最快速度接收卫星所提供的各种观测数据，特别是接收实时遥测数据的最先进的接收站。

5）必须确保系统成为一个既可处理各项观测数据，又可精确地计算出各种物理量的系统。

6）通过调动公开招募的研究人员与筑波空间中心的研究人员的积极性，使之精诚合作，共同开发出一种实用、可精确计算出所需物理量的算法。

7）必须使这一系统成为一个既可长期、安全地保存所计算出的各种物理量，又可向用户（既包括研究机构，也包括普通研究人员）实时地提供所保存的这些物理量和卫星数据的系统。

利用这一系统必须能够完成包括结构、微调、正弦波、振动、冲击、音响、真空、电波、辐射、电磁相容性，以及卫星各分系统、整星试验等在内的卫星发射前所必须进行的全部试验，以确保卫星可按计划要求准时发射。

GCOM－W1和GCOM－C1分别于2006年和2007年开始研制。前者的研制工作顺利，已利用地面系统对GCOM－W1卫星进行了除系统联试之外的所有试验，卫星将于2012年发射；后者的研制和试验也进行得比较顺利，卫星计划于2013年发射。

GCOM卫星的主要性能参数

2 GCOM卫星的主要特点

NEC公司有开发“向日葵”系列气象卫星（GMS）、先进地球观测卫星-1、2（ADEOS－1、2）和“先进陆地观测卫星”（ALOS，也称大地号）的经验。JAXA 和NEC 等认真查找了ADEOS－1、2在轨运行所出现的故障，深入分析了其原因，总结了其成功经验和失败教训，从提高可靠性、确保在轨运行寿命与应用成效，有效地降低卫星质量（控制在2t之内）和控制开发成本的角度考虑，采用新的系统工程设计理念完成了GCOM卫星设计。

最大幅度利用现有的成熟技术

JAXA在向宇宙开发委员会所递交的报告书中承诺：一定要最大幅度利用现有的成熟技术，在最短时间内研制出一种性能可靠、运行稳定且低成本的公用舱。GCOM卫星第一期工程参考了美国航空航天局（NASA）的技术准备等级（TRL）等一系列文件，结合日本本国的实际情况，制定了日本国家技术准备等级标准，并分9个步骤对经飞行考验的ALOS、“超高速互联网卫星”（WINDS）和“月女神”（SELENE）等的仪器和技术进行了逐一评价，并从技术管理角度将GCOM卫星第一期工程分为4个阶段，评价其技术成熟度和技术变更程度及其隐含的危险率；而对那些关键仪器和部件，则研制了开发模型，并以试验的方法进行性能评价，确认其性能，从而达到确保可靠性和缩短研制周期的目的。

GCOM卫星第1期工程所采用的成熟技术

全面提高可靠性

GCOM系列卫星第一期工程采用了GOSAT所采用的双电源系统和双太阳电池翼系统，也就是说电源系统向星载仪器供电所采用的是双系统设计：无论是太阳电池翼还是电源总线中的任何一个系统出现故障，卫星的公用舱都不会丧失功能。此外，还设计了被称之为“简并化模式”的卫星工作模式，可做到纵然太阳电池翼系统和电源系统中有一个系统出故障，卫星仍可继续执行飞行任务；即便电源系统的供电能力减半，依然能够继续进行观测，这样可有效地提高卫星的生存能力。

其实，设计者不仅在卫星公用舱，而且在如何提高观测遥感器可靠性方面也采取了许多有效对策，如AMSR－2不仅继承了经在轨飞行验证证明性能可靠的AMSR、改进型高性能微波辐射计（AMSR-E）的成果，而且稳妥地采用了冗余设计：在信号处理部分以及用于对AMSR－2进行角动量补偿的动量轮等均采用了冗余设计，这样就可有效地降低，乃至杜绝因单点故障所可能造成的卫星无法完成整个飞行任务等风险；而对SGLI[由可见光近红外辐射计（VNR）和红外扫描辐射计（IRS）两个模块组成]则采取了VNR和IRS系统中辐射计部分所采取的彼此独立设计等措施，以提高鲁棒性。

GOSAT卫星在轨示意图

通用化设计

GCOM－W1、W2、W3和GCOM－C1、C2、C3这6颗卫星均采用统一的箱型公用舱，其壳体上配备桁架结构体，结构体上搭载观测遥感器等与执行任务有关的飞行任务仪器；公用舱上的仪器和设备80%以上均为标准化、通用化、系列化设计的部件。

系统工程管理

GCOM－W1卫星外观及主要部件配置图（左），GCOM－C1卫星外观及主要部件配置图（右）

GCOM卫星自第一期工程起就采用JAXA先进的系统工程管理方法，重点抓提高各类人员和团队的素质问题；通过建立一个高素质的开发、管理队伍和构筑一个完善的可有效防止人为差错的防御网，并从加强对设计、采购、制造、组装的质量跟踪管理入手，努力提高分系统、系统的研制水平，确保可靠性，降低风险度。做到：从最高决策者到全体参加设计的工程师都具备根据飞行任务要求，可实时、高效、跟踪和分析星载系统、地面管控、操作系统等是否满足系统设计规格明细、卫星系统开发规格明细，乃至产品出厂检测文件—设计规格明细等的要求，特别是对最高决策者，要求不仅要具备确认其领导的各级各类人员的这种追踪能力的强弱，还要具备根据对其直接管理的高层人员的追踪状况以及获取的信息，定期地对他们进行能力分析，早期发现其薄弱环节，实时、有针对性地对其每位直接管理的高层人员提出从各系统设计规格明细到卫星运行等管理方面的具体要求，以及各部门、各关键岗位可能出现和亟待解决的问题、应采取的对策，及时更改设计规格明细中的相关文件等，以确保设计和加工的正确性，开发的有序性，试验的顺畅性，从而尽最大可能有效地防止人为差错，达到好、快、省的开发，并将这一系列的每颗星都按计划送入预定轨道，顺利完成既定飞行任务的目的。

GCOM－W1卫星的主要监测参数

3 GCOM－W1

早在2009年就已完成GCOM－W1卫星的详细设计，2010年8月完成了GCOM－W1飞行样机制作，自2011年初开始系统联试，原计划2011年秋用H－2A火箭将GCOM－W1和“韩国多用途卫星”（KOMPSAT）发射到预定轨道上。

公用舱

6颗GCOM卫星的公用舱采用的都是以日本ALOS公用舱（NEC公司研制）为基础，经认真修改实现部件小型、轻型化，大幅度增加有效载荷比的中型卫星的公用舱。它分别由遥测、跟踪与控制系统（TT＆C），飞行任务数据处理系统（MDHS），展开监控系统（DM），太阳电池翼系统（PDL），电源系统（EPS），姿态、轨道与控制系统（AOCS），推进系统（RCS），热控系统（TCS）和仪表系统（INT）组成。各系统特点如下：

（1）遥测、跟踪与控制系统

GCOM卫星公用舱的遥测、跟踪与控制系统采用ALOS上所使用的的数据处理系统，以及已在日本多颗卫星上采用的射频系统等成熟技术。

（2）飞行任务数据处理系统

为确保满足对全球观测和实时信息传输等飞行任务要求，飞行任务数据处理系统采用了日本SELENE上的数据处理系统/通信系统的成熟技术。

（3）展开监控系统

展开监控系统采用WINDS上所使用并证明性能稳定、可靠的展开监控系统。

（4）太阳电池翼系统

GCOM卫星采用WINDS卫星上的太阳电池翼，可确保提供4000W以上的电能，即便是太阳电池双翼中有某一翼丧失供电能力，仍可确保在压缩少量应用项目后的供电需求。

（5）电源系统

其电源系统采用SELENE用的双电源系统，其主要特点是供电能力强，够经受住空间苛刻的环境考验，而且噪声低。它采用交叉紧固夹板式双总线连接，万一太阳电池翼系统中某一翼出现故障，该电源系统仍可通过提供蓄电池的全部蓄能来确保卫星在设计寿命期间圆满地完成各项观测任务。

（6）姿态、轨道与控制系统

GCOM－W1卫星 姿态、轨道与控制系统原封不动地继承了在轨积累了丰富运行和管理经验的ALOS卫星的姿态、轨道与控制系统星载计算机的先进技术：配备64位MPU控制器，采用三重冗余设计，在轨运行期间即便发生诸如因强辐射等原因导致出现的软件差错等，依然可保证计算机安全连续运行，确保完成飞行任务。

GCOM－W1的 姿态、轨道与控制系统配置12个4N的推力器，其中8个用于姿态控制，4个用于轨道控制。这样，即便配备直径达2m天线的AMSR－2出现异常，产生大的干扰力矩，轨道控制推力器出现双重故障时，仍可确保提供轨道控制运行所需的推力。

（8）热控系统

热控系统采用以电子控制方式为主系统，机械控制方式为辅系统的双重热控系统。这样即便电子控制方式出现双重故障，仍可以机械控制方式有效地工作完成热控任务，保证星载仪器在设计容许的温度范围内有效地工作，确保完成全部飞行任务。

（9）仪表系统

卫星的三大分系统—飞行任务、公用舱和推进系统的仪表系统全部采用分离模块结构，所以可采用并行方式进行组装集成，缩短了制作时间，确保有足够的试验时间。此外，GCOM－W1与GCOM－C1卫星的公用舱模块和反作用控制系统模块不仅设计成完全通用，而且在设计时还充分考虑了这两个模块必须满足AMSR－2在轨所要执行的飞行任务的要求。

AMSR-2

AMSR－2是在NTS公司为ADEOS－2研制的AMSR和为NASA“水”（Aqua）卫星研制的AMSR－E的基础上，研制、配有当今世界上最大主反射镜（2m）的新型圆锥扫描式波辐射计。它包括主反射镜、微波辐射接收机，在轨运行期间，其转速为40r/min，与地表观测站点的垂直入射角为55°。它是一种在对地表进行扫描（扫描宽度为1450km）的同时，以微波方式对地表放射出7个频带（带宽为6～89GHz）的微波进行观测和测量的高精度测量遥感器，可获得全球降水量、水蒸气量、海洋风速、水温、陆域水分含量、积雪深度等详细数据。

GCOM－W1的主要性能、参数

AMSR－2对地表进行观测的概念图

GCOM-W1卫星的设计方法及其特点

进行GCOM－W1卫星系统设计时充分考虑了如何对这样一个系统较庞大、结构复杂的卫星系统更有效地进行设计和管理等问题，采用了系统工程管理方法，同时继承了传统的卫星系统设计方法中系统设计管理的成功经验，事实证明非常有效。

在本研究所观测的由新异oddball范式所诱发的ERPs成分中，与注意功能关系最为密切的是P3。P3包括P3a和P3b两个亚型[6]，正如在本研究中新异刺激和靶刺激均能成功地诱发P3，但两者的认知加工意义(在本研究中是注意功能)则有所区别。

卫星开发所选择的V曲线法

（1）V曲线式的开发方法

卫星开发选择的是V曲线法，按自上向下的设计方法提出的初样设计要求；以试验和组装顺序、按自底向上的方法确定从产品组装到完成整个系统制造的全过程，而且还以设计和制造为中心制定了试验计划。而GCOM－W1开发则是将初样设计阶段作为要求分析阶段；把初样设计阶段作为方案验证阶段所要验证内容。通过设计分析和开发试验，确认了采用这一方法进行设计和验证的稳妥性，之后才正式启动开发阶段的各项工作。

在GCOM－W1系统研制过程中，由初样设计阶段的以开发设计规格明细为基础，过渡到按细目分解，进一步则要过度到对以系统设计为基础的分系统设计规格明细、部件设计规格明细进行详细分解—要求以分析活动为重点，展开按细目分类分析，然后才过渡到初样、正样设计阶段。

（2）从要求到设计的可追踪性

按照卫星开发V曲线法，在GCOM－W1系统设计过程中主抓了系统工程要求分析，在此基础上开展各项设计活动。在系统工程阶段有5个与要求有关的主要质量要素：完整性；一致性；可追踪性；可测试性；奇异性。

GCOM－W1卫星系统开发方法

正确地设定并严格按要求、依据分析结果—系统设计规格明细和分系统设计规格明细进行开发与试验，是确保产品质量的关键。为确保质量的可追踪性，还开发了用于确认跟踪能力的矩阵，从而确保相对于开发规格明细的系统设计规格明细，以及相对于系统设计规格明细的分系统设计规格明细的可追踪性及其质量的高可靠性。

由JAXA主抓可追踪性管理活动，它以提示开发规格明细为主，目的是确保从飞行任务要求条件说明书到开发规格明细表在内的所有文件均具有可追踪性。为此，GCOM－W1卫星系统采取了一种可确保从对飞行任务要求到卫星系统要素—分系统设计规格明细都能够进行追踪的设计方法。

利用这一方法所取得的基本设计结果，制定了系统样机飞行试验（PFT）计划，对系统设计说明书的可追踪性进行了评价；然后将这一评价结果反映到初样设计阶段，在此基础上进一步细化，形成了具体试验计划。

（3）开展以应用概念为基础的规格明细设计

按照系统工程要求，对整个寿命周期内的具体要求进行了分析，主抓了应用阶段的要求分析，明确了使用方法。在这里以应用概念为基础所进行的规格明细设计为例进行了说明。

通过根据飞行任务要求条件进行追踪确定了GCOM－W1卫星的应用概念。JAXA负责这一概念的提示，以应用概念为基础开展了应用最佳化设计，其设计结果已反映到卫星系统设计规格明细中。此外，在初样设计阶段，通过分析，验证了应用最佳化活动后才进行正样设计，取得了满意的结果，然后再将其作为应用文件输入到档案库，供后继星研制用。

采取这样的方法就可确保从飞行任务要求条件到卫星系统规格明细的一致性，从而实现确保应用设计的可实现性和可追踪性。

4 GCOM－C1

GCOM－C1的公用舱与GCOM－W1的主要异同点

GCOM－C1与GCOM－W1卫星采用相同的公用舱，发射火箭和轨道寿命也相同，但搭载的遥感器不同，轨道高度、质量和供电能力也略有不同。GCOM－C1搭载的是SGLI，为满足飞行任务要求，与GCOM－W1相比，GCOM－C1在公用舱设计方面有3点变化。

（1）飞行任务数据传输系统

GCOM－C1所搭载的SGLI的最大传输速率（20.4Mbit/s）约为GCOM－W1所搭载的AMSR－2（111.1kbit/s）的200倍，为满足发射输出频率要求，GCOM－C1改用了X频段传输系统。

（2）增加了姿态轨道控制系统恒星敏感器的配置数量

GCOM－C1搭载的SGLI的数据传输量大，对指向控制精度要求更加严格，因此GCOM－C1公用舱恒星敏感器配置数量由原来的2台增加至3台。

（3）调整了太阳电池翼的安装位置

由于存在太阳电池翼干扰AMSR－2视场的问题，所以GCOM－W1的太阳电池翼偏置安装在正负面的+Z方向上，而GCOM－C1不存在这一问题，因此将太阳电池翼仍按传统方法安装在±Y面的中心位置附近。

GCOM-C1搭载的遥感器—SGLI

VNR结构图

IRS结构图

SGLI是ADEOS－2搭载的、全球图像遥感器（SGL）的后继遥感器，它可对近紫外到热红外频段（380nm～12μm）的多频段进行测量，观测并获取云、浮尘、海洋颜色、植物生长、积雪、冰层覆盖等多种信息。与SGL相比，SGLI拓展了观测范围，不仅可对海洋，还能对包括海洋沿岸的陆域进行观测，其地表分辨率比SGL高（1km→250m）,因为采用了非偏振光以及多方向观测的方法，所以可对陆地的浮尘进行观测。

GCOM卫星的应用计划

VNR是一种采用CCD的电子扫描式辐射计，不仅可对非偏振光（11个频段），还可对偏振光（2个频段）进行测量的遥感器。就偏振光而言，不仅可对与卫星垂直方向，还可对与卫星前进方向成±45°角的其他方向进行观测。VNR对地面的扫描宽度达1150km，采用非偏振光进行观测时，其空间分辨率可达250m，采用偏振光进行观测时，其空间分辨率可达1km。

IRS 是一种机械扫描式辐射计，有短波红外和热红外2个频段，其中短波红外为4个频段，热红外为2个频段，对地面的扫描宽度达1400km。其空间分辨率因频段不同而异，短波红外频段为250m，热红外频段为500m。

VNRI和IR系统均配备对太阳光和深空进行观测用的校正窗口。

5 应用计划

JAXA通过发射GCOM将构筑起一项通过长期（15～20年）观测、构建一个可不间断地观测与应用系统，GCOM的任何一颗卫星在轨运行过程中每1～2天就可覆盖整个地球1次，获取并向地面用户提供包括海面水温、土壤水分、云和浮尘等的相关观测数据，用户根据这些数据可计算出大量、有效地预测气候变化的物理量，根据这些物理量可搞清楚全球气候变化、水循环机理所需的各种数据。其中，GCOM－W配备的AMSR－2用于构建一个可长期、不间断地进行全球气候变化和水循环机理的系统，利用这一系统获取的数据可进行气候变化研究和发布气象预测与渔业状况等的大量信息；GCOM－C配备的SGLI则可进行多频段的观测与测量，获取的信息可用来对云、浮尘、海洋颜色、海面水温、海洋生物、植物分布、冰和雪等的观测。

GCOM卫星的应用计划

GCOM所获取的各种大量观测数据将分送到相关部门作为气象预报，掌握渔业和海洋情况，发布海水和冰层等相关信息速报，以及作为人类掌握厄尔尼诺现象等与海洋气象异常、赤道附近东太平洋海水温度异常下降等有关现象的重要依据，为抑制北极海水减少以及全球谷物干旱，采取对策，设法减少自然灾害，确保农、林、牧、渔丰收，以及人类为更好地制定长期、稳妥地保护地球环境方案提供依据。

GCOM将会对人类准确地掌握大量的监测数据、制定控制和改善人类赖以生存的地球环境的方针大计奠定初步基础。