大气环境监测卫星方案设计与技术特点

朱 维，吕利清，魏致坤，曹 琼，董长哲，王凤阳

（1.上海航天技术研究院，上海 201109；2.上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年来，我国大气环境形势严峻，国家层面已高度重视。2020 年9 月22 日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布我国力争于2030 年前二氧化碳排放达到峰值的目标，努力争取于2060 年前实现碳中和的愿景。国务院发布的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中明确指出，“研究发射大气环境监测专用卫星”。大气环境高精度监测和污染有效防治是我国生态文明建设的重要要求。目前，我国生态文明建设进入以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。为此，亟须发展卫星遥感手段，与空、地基手段配合，实现大气环境高精度监测。

目前，大气环境探测的遥感手段主要有多光谱［1-2］、高光谱［3-4］、偏振［5-6］、多角度［7］和主动激光［8］等。国际上典型的大气环境监测类卫星，通常单颗卫星仅采用一种或几种探测手段，如美国A-Train星座［9-10］由6 颗运行的分别采用不同探测手段完成探测不同要素的卫星组成，包括探测CO2的OCO-2卫星［11-12］、利用微波手段观测水循环的GCOM-W1卫星［13-14］、利用多光谱手段观测降水和地表水的Aqua 卫星［15-16］、利用激光雷达手段测量云信息的CloudSat 卫星［17-18］、利用激光雷达探测云和气溶胶信息的CALIPSO 卫星［19］、利用多光谱手段探测大气及气候的Aura 卫星［20］，以及之前的PARASOL卫星［21］。

相较于传统被动光学遥感手段，激光遥感技术不依赖于太阳光，能够实现大气成分全天时高精度全球探测，且能获取大气气溶胶垂直分布信息，是大气环境遥感监测的重要发展方向。美国于2006年发射了CALIPSO 卫星，装载了国际首个星载大气探测激光雷达CALIOP［8］，具备大气气溶胶垂直探测能力，开创了星载激光大气探测技术在轨应用先河。此外，欧空局在2018 年发射了Aeolus 卫星［22］，装载了星载测风激光雷达Aladin［23］，也能对大气气溶胶进行垂直探测。我国在轨气象和环境卫星如FY-3（04、05）［24］、GF-5（02、01A）［25-26］等具备一定的大气气溶胶、污染气体、温室气体探测能力，但CO2柱浓度探测精度不足，且不具备气溶胶垂直分布探测能力。

DQ-1 卫星是我国第一颗大气环境专用监测卫星和第一颗激光雷达大气探测卫星，于2022 年4 月16 日在太原卫星中心成功发射，卫星牵头用户为生态环境部，主用户包括中国气象局、农业农村部等。DQ-1 卫星在国际上首次采用主动激光雷达手段，实现全天时高精度全球CO2柱浓度探测（探测精度优于1×10-6）；首次采用主被动结合技术体制，填补近地面细颗粒物（PM2.5等）大范围高精度监测的空白，对推动减污降碳协同增效，促进我国环境监测与保护事业具有重要意义。

1 卫星总体方案

DQ-1 卫星发射总质量≤2 800 kg，采用标称高度为705 km、升交点地方时为13：30 的太阳同步轨道，其在轨飞行状态如图1 所示。

图1 DQ-1 卫星在轨飞行Fig.1 Diagram of the DQ-1 satellite flighting in orbit

卫星继承SAST-ML1（SAST3000）公用平台方案，由11 个平台分系统、6 个载荷分系统组成，系统组成如图2 所示。DQ-1 卫星发射状态如图3所示。

图2 DQ-1 卫星组成Fig.2 Composition of the DQ-1 satellite

图3 DQ-1 卫星发射状态Fig.3 Schematic diagram of the launch status of the DQ-1 satellite

卫星结构由服务平台和有效载荷舱组成，采用的主要部件有承力筒、蜂窝夹层板以及星箭连接环等。

卫星供配电采用太阳电池阵+蓄电池组联合供电、42 V 全调节直流母线方案，二次电源主要采用分散式供电方式。卫星太阳电池阵设计成单翼、一维对日定向。太阳电池片采用三结砷化镓，蓄电池采用2 组180 Ah 锂离子电池组。

热控分系统采用主动和被动热控方式相结合，被动热控为主，辅以电加热器主动热控的技术方案。卫星的有效载荷舱和服务平台采取有效的热连接，通过整星选取合适的散热面，将整星的温度水平控制在合适的范围内。

测控分系统采用统一S 波段（USB）体制+GPS/BD2 的测控方案。

综合电子分系统采用基于1553B 总线的二级拓扑结构，综电计算机为一级主控制器，各个有效载荷、GPS 接收机、数传综合处理器等为二级管理单元。综合电子分系统对卫星进行遥控和遥测信息采集。

姿轨控分系统采用零动量三轴稳定对地定向控制，以星敏感器+陀螺为主要姿态敏感器，飞轮与推力器为执行机构实现卫星长期在轨姿态稳定控制与轨道控制。

卫星推进分系统采用技术成熟的落压式无水肼催化分解方案，配置了2 个50 L 贮箱和16 台5 N推力器，完成姿态控制与轨道控制功能。

数传分系统由2 条X 波段传输信道组成，通过二维点波束天线下传信号，采用极化复用技术，每条X 波段信道的码速率为450 Mbit/s。系统采用CCSDS AOS 传输协议。

根据用户需求及目标任务，DQ-1 卫星共装载5台遥感仪器，如图3 所示。其中1 台主动遥感仪器为大气探测激光雷达（Aerosol and Carbon Detection Lidar，ACDL），4 台被动遥感仪器为高精度偏振扫描仪（Particulate Observing Scanning Polarimeter，POSP）、多角度偏振成像仪（Directional Polarization Camera，DPC）、紫外高光谱大气成分探测仪（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）及宽幅成像光谱仪（Wide Swath Imager，WSI）。其中，ACDL 能够获取大气气溶胶廓线信息，结合2 台偏振探测仪器和WSI 获取的气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）、细粒子比参数等，最终得到细颗粒物浓度分布。同时激光雷达还利用1 572 nm 通道差分吸收方法实现CO2柱总量探测。WSI 的多光谱探测能力还可实现对沙尘、陆地生态环境、水环境和农作物遥感监测。EMI 利用紫外至可见波段的高光谱探测，实现SO2、NO2和臭氧等污染气体探测。

考虑卫星及星下点光照条件、轨迹等因素，DQ-1 卫星设计运行在705 km 高度的太阳同步回归轨道，保证地面观测区域的覆盖和重访能力。在此轨道上，ACDL 实现51 d 重访，CO2探测全球覆盖，与CALIPSO 卫星轨道高度相同，有利于进行数据比对，相互验证数据精度，提升数据质量；同时该轨道可保证大视场的被动探测载荷在1～2 d 内全球覆盖，保证遥感数据时效性，如图4 所示。卫星轨道高度与GF-5 系列卫星一致，入轨工作后能与GF-5 系列卫星组网观测，提高观测效能。DQ-1 卫星综合探测能力已达到国际领先水平，主要技术指标见表1。

表1 DQ-1 卫星主要技术指标Tab.1 Main specifications of the DQ-1 satellite

图4 DQ-1 卫星轨道覆盖效能Fig.4 Orbital coverage efficiency of the DQ-1 satellite

2 卫星技术特点

DQ-1 卫星是国际首颗主被动结合、多手段综合高精度大气环境遥感卫星。为了实现对大气环境进行综合探测，DQ-1 卫星上配置了5 台有效载荷，在国际上首次同时采用主动激光、多角度、偏振、多光谱和高光谱等多种探测手段同源观测；保证了在相同的几何条件、光照条件、时间和空间条件下，实现对相同探测要素不同手段和多种探测要素（污染气体、颗粒物等）的同源高精度综合观测；提升了大气环境数据融合和处理分析精度，服务于多种大气要素（污染气体、颗粒物等）的时空关联对比研究。

作为我国首颗大气环境专用监测卫星，DQ-1卫星具有多手段综合探测、综合性能优、探测精度高、激光器设计寿命长、激光雷达指标要求高等特点，对于整星设计（卫星构型布局、热控、激光器研制等）、测试和试验验证手段等带来了挑战：

1）开展了卫星平台和多载荷结构联动设计，仿真优化整星构型布局。卫星配置了5 台光学遥感载荷和2 台二维驱动数传天线，载荷数量多、尺寸大、重量重。载荷大多具有高精度定标要求，且被动对地视场均达100°以上；具有视场综合统筹要求高、安装承载实现难度大的特点。卫星采用了高精度星敏与激光雷达进行一体化设计，实时监视激光光轴指向偏差；对双偏振载荷（POSP 和DPC）进行观测视场匹配设计，采用高精度的安装工艺保证双载荷视轴的一致性；协调整星热控布局，最大限度地满足了WSI 辐射制冷器散热能力。

2）开展了载荷大热流密度的热控设计，实现ACDL 精细化高精密温控。主载荷ACDL 具有热流密度大（功耗高达1 280 W）、结构尺寸较大（接收光学主镜1 m）、材料导热能力较差（支承筒和望远镜支架）、激光器功放热耗较大且内部热源分散、控温精度高等特点，热设计存在难点。为此开展了精细化的等温化设计和高精度温控设计，建立完备的激光雷达仿真热模型，结合实际热控效果多次迭代，优化热界面（传热系数），改进热控工艺，满足激光雷达热耗大、热流密度大、温度均匀性和梯度要求高等需求，将激光雷达关键部位的温度梯度控制在0.5 ℃以内。其次，开展了一系列地面热试验，结合卫星实际在轨外热流的变化情况，分析整星的温度场、结构热变形等对载荷探测性能的影响。目前卫星在轨经过加热去污后，激光雷达各项温度均符合指标要求，热变形导致的视轴漂移也在误差范围以内。

3）大气激光雷达首次实现双体制激光，具有CO2、细颗粒物高光谱星载探测能力，其CO2柱浓度测量精度优于1×10-6，而国际上只有被动手段，且CO2柱总量的探测精度一般为（3～4）×10-6。大气CO2探测采用路径积分差分吸收激光雷达方法，使用双波长1 572 nm 激光测量CO2柱浓度。此外，该激光雷达还可以同时获取大气、气溶胶和云光学特性参数，以及云和气溶胶的垂直分布信息。采用激光雷达532 nm 高光谱分辨、后向散射和偏振探测通道，以及1 064 nm 后向散射通道，可精确地测量大气气溶胶和云参数，同时给被动观测载荷提供边界层高度测量数据，用于细颗粒物浓度分布反演。国际上，测量气溶胶和云与测量CO2激光雷达均是分开实现的，目前国际上还未有CO2激光雷达卫星，而且测量云和气溶胶无高光谱探测通道。大气激光雷达是国际首次采用三波长双体制探测技术，来实现对大气颗粒物廓线探测能力和CO2高精度（1×10-6）探测能力。

4）国际首次采用系统级双偏振融合的探测方式，偏振测量精度优于0.5%。POSP 具有优于0.5%的偏振数据精度，可以对气溶胶校正参数及气溶胶粒子谱分布（PM2.5浓度）进行有效的高精度反演，但由于其不具备成像能力，数据覆盖度有所欠缺；DPC 具有较好的多角度成像气溶胶探测能力，但其反演精度有限。因此，DQ-1 卫星采用了POSP与DPC 系统级双偏振融合技术方案，将多光谱成像技术、多角度偏振测量技术以及星上定标技术等有机结合在一起，进行多光谱多角度偏振辐射探测，实现全球大气气溶胶和云特性及其变化探测功能，以非成像多角度偏振反演数据修正多光谱成像数据，提高气溶胶数据产品的整体精度。

DPC 和POSP 之间的视场匹配是两者数据融合的基础。在设计和研制阶段，减少干扰相对指向精度的因素，主要措施包括：通过合理设计装调、装星检测方案，消除或抑制载荷光轴与配准棱镜间的检测误差，以及装星时载荷光轴指向的检测误差；控制卫星结构变形，开展地面仿真和试验，评估卫星发射前后力学条件引起载荷光轴的指向变化，以及卫星发射前后在轨后热条件引起载荷光轴的指向变化，完成在轨相对指向精度修正。2 台载荷在轨视场匹配精度优于0.15 个POSP 瞬时视场，相对指向精度最大误差仅为0.007 8°，满足数据反演需求。

同时，为了实现双偏振融合、高精度信息传递，POSP 需要进行高精度的定标。POSP 配置了2 台偏振定标器，包括非偏和全偏定标器，可以实现在轨偏振定标，保证了偏振测量精度优于0.5%。

5）国内首次采用无控制点激光光轴自标定技术，光轴指向测量精度优于0.008°。考虑到卫星在轨存在飞行速度和激光指向偏离星下点偏离角，激光接收方向上存在相对速度，由多普勒频移效应引起星上接收激光频率与发射激光频率之间的漂移，导致接收激光在CO2吸收线位置的变化。为实现1×10-6的CO2高精度探测，DQ-1 卫星的ACDL 需要高精度补偿激光束沿轨多普勒效应的影响，并精确测量激光的光轴指向。由于激光雷达无法成像，无法像成像类载荷一样利用地面控制点对姿态确定中的常值项（如星敏感器Bias 等）及常周期项（如热变形等）进行系统标定。为了提高激光雷达的光轴测量精度，卫星设计了在轨激光雷达光轴监测系统：①卫星的星敏感器与激光雷达的光学底板进行一体化安装，消除安装矩阵带来的影响，为减少星敏感器支架的相对热变形影响，对星敏感器支架进行低热膨胀设计以及高精度温度控制，以保证星敏感器头部安装面到星敏支架基准棱镜之间的热变形小于6″；② 姿轨控分系统选择一套Bias 抖动小于11″，噪声等效误差角（NEA）及低频误差（LFE）小于4.2″的高精度星敏感器，并通过在轨进行高精度姿态融合后使用；③星地协同保证卫星轨道位置测量精度（小于5 m）及时统精度（小于1 ms），以满足卫星姿态确定精度坐标转换的精度要求；④ 继承国内激光光轴指向标定成熟方案，与地面系统协同设计了地面激光光轴标定方案，实现在轨激光光轴定标。

通过高精度姿态敏感测量、高精度轨道测量、星敏与激光雷达一体化安装、光轴与星敏变形监视、精细化热控设计等手段，该套系统可以定期监测激光雷达的发射/接收光轴相对于星敏感器支架棱镜的变形误差，相对角度变形测量误差不超过6.5″，星敏感器支架棱镜相对于轨道系的姿态确定精度不超过15.17″，激光雷达光轴绝对指向相对于卫星轨道系的测量误差小于0.008°（28.88″）。

6）目前，国外配置的激光雷达卫星寿命均不长，532 nm/1 064 nm 两波长激光云和气溶胶探测的CALIPSO 卫星以及装载355 nm 单波长高光谱激光雷达ATLID 的Earth CARE 卫星，设计寿命均为3 a。DQ-1 卫星上配置了532 nm/1 064 nm/1 572 nm 三波长双体制激光雷达，解决了由于高损伤阈值激光腔、晶体薄膜衰减以及长寿命高能量激光器工程化问题，提升了激光雷达中的激光器在轨寿命，卫星设计寿命预期可以实现8 a。因此，DQ-1卫星是目前国际上设计寿命要求最长的具备激光探测能力的遥感卫星。

3 在轨测试情况

2022 年4 月16 日DQ-1 卫星发射入轨后，先进行为期约1 个月的加热去污，5 月12 日起，载荷依次结束加热去污，陆续开机正常工作。6 月5 日，卫星5 台载荷完成状态设置和参数调优后，交付中国资源卫星应用中心进行业务测试。2022 年7 月21 日，完成卫星平台部分测试，经审查，平台各分系统单机工作正常、性能稳定，各项性能指标均满足在轨测试大纲及细则要求。卫星平台各分系统在轨稳定性如图5 所示。

图5 卫星平台各分系统在轨稳定性Fig.5 Stability of the satellite platform subsystems in orbit

续图5 卫星平台各分系统在轨稳定性Continued fig.5 Stability of the satellite platform subsystems in orbit

2022 年8 月19 日，完成有效载荷在轨所有功能、性能项目的在轨测试，经审查，各载荷成像功能正常，性能指标稳定，载荷各项性能指标均满足在轨测试大纲、细则要求及工程研制建设总要求。

具体卫星各遥感仪器在轨稳定性如图6 所示。由图可知，5 台载荷遥感关键指标在轨稳定。

图6 卫星各遥感仪器在轨稳定性Fig.6 Stability of the remote sensing instruments of the satellite in orbit

综合以上测试结果，按照在轨测试大纲和细则的要求完成了DQ-1 卫星系统所有的测试项目，测试结果表明卫星平台分系统性能稳定，测试数据完整，满足要求，5 台遥感仪器功能正常、性能稳定，成像参数已调至较优状态，各载荷的光谱特性、辐射特性和几何特性等星地一体化指标经在轨测试后，均满足大纲和细则的要求。

4 卫星应用示例

DQ-1 卫星入轨后，针对全球CO2柱浓度、云和气溶胶、污染气体等开展了应用研究。

1） 全球CO2柱浓度监测。

利用ACDL 1 572 nm CO2通道遥感数据处理初步结果，首次实现精度优于1×10-6的CO2柱浓度探测，首次实现两极区域CO2柱浓度探测，以及首次实现夜间CO2柱浓度探测。ACDL 获取的CO2柱数据有效率大于60%，远高于被动手段（一般在10%左右）。ACDL 全球全天时CO2柱浓度2022 年7月的数据如图7所示。

图7 ACDL 全球全天时CO2柱浓度2022 年7 月数据Fig.7 Global all day CO2 column concentration data in July 2022 by the ACDL

将ACDL 与地面TCCON 站点获取CO2柱浓度数据进行星地初步对比统计，结果显示星相关系数0.954，偏差0.27×10-6，均方差0.62×10-6，验证了已优于1×10-6的全球测量精度，如图8 所示。

图8 CO2柱总量与TCCON 站星地比对Fig.8 Comparison of the total CO2 column amount from the TCCON station and DQ-1 satellite

2） 全球云和气溶胶监测。

利用ACDL 532 nm 偏振&高光谱通道遥感数据处理初步结果，实现了全球首次获得大气纯分子散射信号，全球首次获得优于20%高精度气溶胶廓线，以及全球首次获得云、气溶胶精确分类信息。ACDL 全球首次直接获取纯分子散射信号廓线和测量高精度全球气溶胶廓线，如图9～图10 所示。

图9 ACDL 全球首次直接获取纯分子散射信号廓线Fig.9 Global pure molecular scattering signal profiles obtained by the ACDL for the first time

图10 ACDL 首次测量高精度全球气溶胶廓线Fig.10 High-precision global aerosol profiles obtaining by the ACDL for the first time

与美国CALIPSO 卫星激光雷达数据进行对比，结果表明，ACDL 白天、夜间的信噪比分别约为CALIOP 卫星的3 倍和2 倍。

利用双偏振仪器（POSP&DPC）获取的单日全球和重点区域气溶胶AOD 分布，清晰显示了陆地上空大气气溶胶AOD 的分布特征，并与MODIS 反演结果进行了对比，分布趋势具有很高的一致性，如图11 和图12 所示。

图11 DQ-1 双偏振仪器获取的550 nm 波长光的气溶胶AOD 分布信息Fig.11 AOD distribution at 550 nm obtained by the DQ-1 dual polarization instrument

图12 DQ-1 双偏振仪器获取的550 nm 波长光的AOD 分布与MODIS 获取AOD 分布对比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）全球污染气体监测。

利用EMI 紫外至可见高光谱数据获取了全球NO2、O3、HCHO 等污染气体分布，并与国外TROPOMI 数据进行了对比，相关性良好，如图13～图16所示（DU：Dobson unit，多布森单位）。

图13 DQ-1 EMI 获取全球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

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

图15 DQ-1 EMI 获取全球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

图16 2022 年5 月25 日EMI 与TROPOMI 获取的O3 柱 浓度反演结果对比Fig.16 Comparison of O3 column concentrations obtained by the EMI and TROOMI on May 25，2022

通过对EMI 与TROPOMI 全球臭氧反演结果数据重采样后，选择区域进行一致性比对，平均相对误差约为2%，平均精度约为98%。

综合以上，DQ-1 卫星在轨初步应用成果斐然，标志我国大气遥感能力达到国际先进水平。针对碳监测，DQ-1 卫星实现了3 个国际首次，首次获取了精度优于1×10-6的全球CO2柱浓度数据，首次获取了夜间全球CO2柱浓度数据，首次获取了南北两极CO2柱浓度数据，且数据有效并大幅优于被动遥感卫星，应用效果达到国际领先水平，有助于我国掌握碳外交主动权和话语权。针对大气污染监测，DQ-1 卫星国际首次获取全球高精度气溶胶廓线数据，与被动遥感数据结合能够实现全球三维高精度探测，同时卫星获取了全球污染气体监测数据，能够为我国大气污染防治提供高精度遥感数据支撑。

5 结束语

DQ-1 卫星采用主动激光、高光谱、偏振、多光谱、多角度等多种探测手段，实现高精度、大范围、全天时、多要素综合观测，多项指标国际领先，遥感能力跨越发展，达到了国际先进水平，显著提高我国在大气遥感领域以及激光遥感领域的国际影响力。此外，我国在“十四五”期间还将发射高精度温室气体综合探测卫星（代号DQ-2），将与DQ-1 卫星形成上下午组网观测，进一步提升我国天基碳监测和污染监测能力，为我国“碳达峰”与“碳中和”国家战略、建设“美丽中国”提供科学数据支撑。

面向我国“双碳”和生态文明建设国家战略对环境监测提出的更高要求，后续还将逐步发展高轨高光谱观测卫星、高精度臭氧监测卫星等新型卫星，形成“高低轨组网、主被动结合”的生态环境综合监测系统，实现全域排查、全面清理、全量处置、全过程监管、全方位提升的“五全”危险废物环境监管体系，以及高频率、高标准、高效率、高质量、高密度的“五高”的生态环境监测能力。