（北京空間科技信息研究所）

美國(guó)首顆溫室氣體探測(cè)衛(wèi)星—軌道碳觀測(cè)－2于7月入軌

龔燃（北京空間科技信息研究所）

美國(guó)航空航天局（NASA）首顆專門用于探測(cè)二氧化碳的衛(wèi)星—軌道碳觀測(cè)－2（OCO－2）于2014年7月2日由德?tīng)査?火箭成功發(fā)射。OCO－2是美國(guó)航空航天局“地球系統(tǒng)科學(xué)探路者”（ESSP）計(jì)劃中的一項(xiàng)任務(wù)，主要用于觀測(cè)地球大氣的二氧化碳水平，進(jìn)一步了解人類在溫室氣體排放、導(dǎo)致全球氣候變化方面所扮演的角色。OCO－2將提供完整的二氧化碳（人為和自然產(chǎn)生）碳源與碳匯圖像，并研究其隨時(shí)間的變化。2009年2月24日，OCO－1由于“金牛座”火箭故障而導(dǎo)致發(fā)射失敗。

1 衛(wèi)星概況

OCO－2運(yùn)行在705km高的太陽(yáng)同步軌道，傾角98.2°，周期98.8min，重訪周期16天，升交點(diǎn)赤道時(shí)間13：15。衛(wèi)星發(fā)射升空后將加入“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS）的“下午-列車”（A-train）衛(wèi)星編隊(duì)，與一系列其他地球觀測(cè)衛(wèi)星自由編隊(duì)飛行。在編隊(duì)飛行時(shí)，OCO－2運(yùn)行在“水”（Aqua）衛(wèi)星前約15min。

OCO－2是OCO－1的后續(xù)星，基于OCO－1研制。該衛(wèi)星采用軌道科學(xué)公司的低軌星－2（LEOStar－2）衛(wèi)星平臺(tái)，三軸零動(dòng)量穩(wěn)定方式。姿態(tài)控制分系統(tǒng)（ACS）采用4個(gè)反作用輪控制俯仰、滾動(dòng)和偏航角。一套3個(gè)磁力矩棒用于減緩動(dòng)量輪的旋轉(zhuǎn)。OCO－2使用OCO－1上的同類型古德里奇/伊薩科反作用輪和扭力桿。盡管如此，反作用輪還是進(jìn)行了改進(jìn)。姿態(tài)信息通過(guò)星跟蹤器（索登公司研制）、微型慣性測(cè)量單元（MIMU，霍尼韋爾公司研制）和磁強(qiáng)計(jì)（古德里奇公司研制）提供。衛(wèi)星軌道確定采用通用動(dòng)力公司的GPS接收機(jī)。

該衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)為六棱柱體，長(zhǎng)2.1 2 m，寬0.94m。電源分系統(tǒng)（EPS）采用砷化鎵電池，由2副可展開(kāi)太陽(yáng)電池翼提供，當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射時(shí)功率可達(dá)900W，鎳氫電池容量為35A ·h。中央電子單元采用BAE系統(tǒng)公司的RAD－6000飛控計(jì)算機(jī)，對(duì)姿態(tài)控制、功率、推進(jìn)和通信系統(tǒng)進(jìn)行管理。

OCO－2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用L3通信X頻段發(fā)射機(jī)和自安裝X頻段貼片天線，數(shù)據(jù)傳輸速率150Mbit/s，遙感器數(shù)據(jù)也可以通過(guò)S頻段發(fā)射機(jī)或通過(guò)“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）系統(tǒng)傳送至地面站；測(cè)控鏈路采用S頻段接收機(jī)或1副全向天線。OCO－2使用泰雷茲-阿萊尼亞空間公司研制的S頻段硬件來(lái)達(dá)到和OCO－1一樣的性能需求，但其設(shè)計(jì)是全新和全數(shù)字化的。

“下午-列車”衛(wèi)星編隊(duì)

2 衛(wèi)星有效載荷

OCO－2基本參數(shù)

OCO－2與OCO－1一樣，只裝載1臺(tái)遙感器。該遙感器由漢勝遙感器系統(tǒng)公司研制，包含3個(gè)共孔徑、長(zhǎng)狹縫光柵、高分辨率成像光譜儀，可獲取迄今為止最高精度的大氣二氧化碳空間觀測(cè)數(shù)據(jù)。這2顆衛(wèi)星的遙感器幾乎一樣，主要變化是零部件更新，改進(jìn)了一些已知的性能問(wèn)題。

OCO－2星載光譜儀的目標(biāo)是測(cè)量地球表面在氧氣A波段（0.76μm）和二氧化碳波段（1.61μm、2.06μm）處反射的太陽(yáng)光。每個(gè)光譜儀均可在光譜特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，相應(yīng)的焦平面可探測(cè)這些光譜范圍內(nèi)波長(zhǎng)的細(xì)小區(qū)別。由于大氣中的二氧化碳分子和氧分子只在特定顏色或波長(zhǎng)吸收光能，抵達(dá)光譜儀的光線在那些特征波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)能量減弱。因此，該光譜儀采用了衍射光柵，由按規(guī)律平整排列的一組凹槽組成，可將光分解為多種顏色組成的譜段。OCO－2光譜儀的衍射光柵凹槽將進(jìn)行精調(diào)，將光譜擴(kuò)展至大量的窄波段或顏色范圍內(nèi)，以探測(cè)二氧化碳特征光譜圖中波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)的所有變化。

這3個(gè)光譜儀采用相似的光學(xué)設(shè)計(jì)，并共用一個(gè)結(jié)構(gòu)，包括1個(gè)低溫制冷器、1副卡塞格林望遠(yuǎn)鏡和1個(gè)光學(xué)組件，以及一些共用電子器件，以提高系統(tǒng)剛度和熱穩(wěn)定性。其中，低溫制冷器能將光譜儀溫度保持在－120℃左右，以減小其中每臺(tái)相機(jī)光探測(cè)儀的測(cè)量誤差；望遠(yuǎn)鏡的主鏡和副鏡孔徑一樣，均為11cm；光學(xué)組件含折疊反射鏡、分色光束分離器、帶分離濾波器和二次成像鏡。每個(gè)光譜儀均由狹縫、雙透鏡瞄準(zhǔn)儀、光柵和雙透鏡相機(jī)組成。3個(gè)光譜儀結(jié)構(gòu)幾乎完全一樣，其細(xì)微的差別包括涂層、透鏡組和光柵、帶通數(shù)量等。儀器光學(xué)系統(tǒng)的焦比范圍為f/1.6～f/1.9。

為實(shí)現(xiàn)快速、高光譜分辨率的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，OCO－2的哨儀兵器－2采衛(wèi)用星折射和反射光學(xué)技術(shù)組合的形式。由于望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)組件中的光線沒(méi)有分為3個(gè)不同的波段，這些儀器分系統(tǒng)主要采用反射光學(xué)系統(tǒng)。另一方面，極窄帶通通道可忽略光譜儀中潛在的色差，使折射光學(xué)系統(tǒng)能有效使用。

OCO－2星載遙感器結(jié)構(gòu)

OCO－2光譜儀光學(xué)系統(tǒng)方案示意圖

每個(gè)光譜儀狹縫長(zhǎng)約3mm、寬25μm，這些狹縫排成一行，可產(chǎn)生寬0.0001rad和長(zhǎng)0.0146rad的共孔徑視場(chǎng)。由于衍射光柵只有在偏振光與狹縫方向平行時(shí)才會(huì)有效傳播，因此在狹縫前裝有一臺(tái)偏振器，在進(jìn)入光譜儀之前過(guò)濾掉多余的偏振光，幫助生成背景散射光。一旦光線穿過(guò)光譜儀狹縫，便利用二元折射瞄準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)鍍金的反射平面全息衍射光柵進(jìn)行傳播，然后在再次穿過(guò)帶通濾波器后，利用二維焦平面陣列（FPA）上的二元鏡頭進(jìn)行聚焦。帶通濾波器位于焦平面陣列上方，冷卻至180K時(shí)便可過(guò)濾掉穿過(guò)遙感器的熱輻射。

與O C O－1的設(shè)計(jì)一樣，O C O－2每個(gè)通道的光譜譜段和分辨率均包含整個(gè)分子吸收帶以及附近的連續(xù)介質(zhì)，以限制表面氣溶膠和吸附性氣體的光學(xué)特性。為滿足這些要求，氧氣A波段通道范圍為0.7 5 8～0.7 7 2μm，光譜分辨率大于17000，二氧化碳通道范圍為1.594～1.619μm和2.042～2.082μm，光譜分辨率均大于20000。

光譜儀光學(xué)系統(tǒng)可生成二維圖像，焦平面陣列像素為1024×1024，像元大小為18μm。光柵在垂直于狹縫長(zhǎng)軸方向傳播1024像素的寬譜段。焦平面陣列上的狹縫圖像半最大值全寬度（FWHM），在光傳播方向以2～3個(gè)像素的頻率進(jìn)行采樣。正常情況下，焦平面陣列可在3Hz頻率下連續(xù)讀出。為降低下行數(shù)據(jù)傳輸率，并增加信噪比（SNR），焦平面陣列中與狹縫平行維度的20個(gè)相鄰像素（如焦平面陣列照明與讀出方案圖中的空間方向）在沿著狹縫處共能產(chǎn)生多達(dá)8個(gè)空間平均光譜。這些空間平均“超級(jí)像素”的沿狹縫視場(chǎng)角約為1.8mrad。

焦平面陣列照明與讀出方案

OCO－2的3種觀測(cè)模式

OCO－2星載遙感器參數(shù)

OCO－1遙感器采用1.61μm和2.06μm的二氧化碳通道的碲鎘汞（HgCdTe）焦平面陣列和氧氣A波段通道的混合硅激光（HyViSi）焦平面陣列，3個(gè)焦平面陣列均采用特里達(dá)因科學(xué)與成像公司的HAWAII－1RG型焦平面陣列。而OCO－2遙感器采用了新型HAWAII－1RG型焦平面陣列，該陣列采用了去除基片碲鎘汞技術(shù)。采用新型焦平面陣列主要有2個(gè)原因：①?zèng)]有足夠的高質(zhì)量備用碲鎘汞焦平面陣列，無(wú)法為OCO－2儀器的二氧化碳通道提供飛行和飛行備用焦平面陣列。②OCO－2迫切希望減緩OCO－1預(yù)飛行試驗(yàn)期間混合硅激光焦平面陣列中發(fā)現(xiàn)的殘余圖像偽影。

新型焦平面陣列存在較小的低讀出噪聲。此外，該陣列對(duì)于氧氣A波段通道和二氧化碳通道采樣的波長(zhǎng)較敏感，因此可以在3個(gè)通道均使用焦平面陣列。另外，碲鎘汞焦平面陣列不存在混合硅激光焦平面陣列出現(xiàn)的殘余圖像問(wèn)題。

由于高暗電流，OCO－1上2個(gè)二氧化碳通道的焦平面陣列溫度保持在120K以下，而氧氣A波段通道的焦平面陣列溫度可低至180K以下。對(duì)于OCO－2儀器，焦平面陣列低溫系統(tǒng)已重新設(shè)計(jì)，以保持3個(gè)焦平面陣列溫度均低于120K。這樣就可以確保在3個(gè)通道內(nèi)均使用去除基片碲鎘汞技術(shù)的焦平面陣列，同時(shí)也有利于在氧氣A波段通道使用現(xiàn)有的混合硅極光焦平面陣列。

OCO－2具有3種工作模式。

1）天底模式：儀器直接指向地面，觀測(cè)下方的地面，太陽(yáng)高度角小于85°。

2）微光模式：儀器指向太陽(yáng)光直接反射地表的位置。當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角小于75°。微光模式增強(qiáng)了遙感器獲取高精度測(cè)量數(shù)據(jù)的能力，特別是對(duì)于海洋上空的觀測(cè)。此外，微光模式下觀測(cè)海洋時(shí)還能提供更高的信噪比值。

3）目標(biāo)模式：在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)時(shí)，遙感器對(duì)某一特定表面目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)（最長(zhǎng)可持續(xù)9min）。目標(biāo)模式可提供獲取某地區(qū)上空二氧化碳大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的能力，而這些地區(qū)也可以采用地基和機(jī)載遙感器進(jìn)行觀測(cè)。OCO－2科學(xué)組將比較地基和機(jī)載遙感器所獲得的數(shù)據(jù)，用于OCO－2遙感器定標(biāo)和任務(wù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

OCO－2觀測(cè)模式示意圖

OCO－2地面系統(tǒng)

3 衛(wèi)星地面系統(tǒng)

OCO－2地面系統(tǒng)每天與觀測(cè)站通信1次，每天都會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)觀測(cè)區(qū)域。這些目標(biāo)由驗(yàn)證小組在與軌道任務(wù)運(yùn)行小組通信前選定。大量科學(xué)數(shù)據(jù)的下傳需要高度自動(dòng)化的科學(xué)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并在美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)小組、軌道科學(xué)公司和戈達(dá)德航天飛行中心運(yùn)行小組之間進(jìn)行高度協(xié)調(diào)。OCO－2地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)在每日的數(shù)據(jù)上傳和下傳時(shí)在各個(gè)小組之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。