肖武平 王存恩（北京空間科技信息研究所）

“地球云和氣溶膠輻射探測”（Ea rthCARE）衛(wèi)星是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）和歐洲航天局（ESA）共同研制的世界上首顆配備以主動式遙感器—云和氣溶膠觀測雷達(dá)（CPR）為主，同時搭載了大氣探測激光雷達(dá)（ATLID）、多頻段圖像獲取裝置（MSI）和寬帶輻射收支計量裝置（BBR）的衛(wèi)星。值得注意的是在云和氣溶膠觀測雷達(dá)上安裝了可展開式主反射鏡，且具備功能保持和熱控功能，星上搭載的各種遙感器均具備對內(nèi)部和外部儀器進(jìn)行性能校正的能力。就這顆衛(wèi)星而言，不僅檢測靈敏度和測速精度高，還具備雙頻段多普勒測量功能，是一顆專用于環(huán)境監(jiān)測和對云、氣溶膠進(jìn)行觀測任務(wù)的衛(wèi)星。它可獲取并以大功率、毫米波向地面發(fā)送云上升和下降的動態(tài)信息、云粒和氣溶膠生成以及保有狀況等信息，在地面接收包括云粒產(chǎn)生的散射電波等信息，可大幅度提高對云和氣溶膠等的觀測靈敏度和測速精度。地面仿真實驗和多種精密測算認(rèn)定，這種雷達(dá)可以是當(dāng)前在軌運(yùn)行衛(wèi)星搭載的最先進(jìn)對云觀測雷達(dá)靈敏度的10倍。這些高靈敏度、高精度的觀測和測量數(shù)據(jù)，不僅對搞清楚云和氣溶膠的輻射收支機(jī)理，而且對提高氣候變化的觀測與預(yù)報精度，以及采取切實有效對策等都有著重要作用。

1 衛(wèi)星概況

國際氣候變化研究組織（IPCC）多次指出，氣候變化對人類賴以生存的地球環(huán)境產(chǎn)生并繼續(xù)產(chǎn)生著重大影響。導(dǎo)致氣候變化的原因很多，既有人為的，也有自然產(chǎn)生的。而人為的因素中既有長時間滯留在大氣中的二氧化碳、甲烷、一氧化二碳，也有積聚在平流層和對流層間的臭氧，還有積聚在人們頭頂上云和氣溶膠等。盡管二氧化碳等對氣候變化的影響最大，但由于人們已用科學(xué)的方法搞清了其生成的機(jī)理，對其預(yù)測和估算的誤差也較??；而云和氣溶膠不僅對氣候變化的影響相當(dāng)大，而且迄今人們尚未找到一種科學(xué)的方法查明其生成機(jī)理，許多國家和研究機(jī)構(gòu)也建立起了相當(dāng)數(shù)量的數(shù)值模型，但這些模型存在著各種各樣的問題，以至對云和氣溶膠進(jìn)行預(yù)測和估算存在著相當(dāng)大的誤差，有報道說，有的數(shù)值模型的預(yù)測誤差竟然高達(dá)50%。因此，迫切需要發(fā)射對云和氣溶膠等進(jìn)行高精度預(yù)測或測量的衛(wèi)星，以準(zhǔn)確地掌握全球氣候變化情況和未來發(fā)展趨勢，并采取切實有效的對策，這也是擺在人們面前的一個重大課題。

日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA，現(xiàn)已被合并）和ESA早在20世紀(jì)末就針對共同開發(fā)以云和氣溶膠觀測為主的氣候變化觀測任務(wù)衛(wèi)星進(jìn)行過接觸，就ESA開發(fā)衛(wèi)星平臺、NASDA開發(fā)高性能的云和氣溶膠觀測雷達(dá)進(jìn)行過協(xié)商；2000年，NASDA和ESA第25次行政長官會議期間，就研制以云和氣溶膠觀測為主的氣候變化觀測任務(wù)衛(wèi)星達(dá)成一致意見，希望日本在研制降雨觀測雷達(dá)取得成果的基礎(chǔ)上發(fā)揮其優(yōu)勢，開發(fā)出性能最先進(jìn)、具有國際一流水平的云和氣溶膠觀測雷達(dá)，NASDA也做出按要求完成開發(fā)任務(wù)的承諾。其實，當(dāng)時研究的日本“海洋和地球觀測與探測”計劃中也考慮了這樣一顆衛(wèi)星，而國家正在考慮如何完善“國家衛(wèi)星觀測和監(jiān)視系統(tǒng)”計劃中也有這樣一顆衛(wèi)星，目的是用來預(yù)測導(dǎo)致全球氣候和水循環(huán)變化的主要原因—云和氣溶膠等的三維分布，掌握人類向地球施放氣溶膠等的詳細(xì)過程和數(shù)據(jù)，搞清彼此間相互作用的機(jī)理，大幅度地降低已建立的氣候數(shù)值模型的誤差，為提高對氣候變化和降水?dāng)?shù)據(jù)等的預(yù)測、預(yù)報精度做貢獻(xiàn)。然而，當(dāng)時日本的航天開發(fā)投入額度無法支持其獨(dú)自開發(fā)這樣一顆衛(wèi)星，日歐合作是實現(xiàn)這一目的的首選途徑。2004年，日本組建JAXA后，審定國際合作計劃時，認(rèn)定了該項計劃，JAXA和ESA決定于2007年8月正式啟動這項研制計劃，目標(biāo)是2014財年發(fā)射這顆衛(wèi)星。

EarthCARE衛(wèi)星執(zhí)行全球氣候與水循環(huán)變化觀測任務(wù)，其核心任務(wù)是全面地進(jìn)行云和氣溶膠觀測，同時執(zhí)行以下4項觀測和評價任務(wù)：

1）對全球（自然生成和人為產(chǎn)生的）氣溶膠的分布、微物理特性進(jìn)行觀測，搞清它與云的相互作用關(guān)系；

EarthCARE衛(wèi)星的外觀圖（左）及結(jié)構(gòu)（右）

云和氣溶膠觀測雷達(dá)的外觀圖

2）對全球大氣中的云水、云冰的垂直分布和通過云輸送的云水、云冰進(jìn)行觀測，搞清其輻射機(jī)理和效果；

3）對云的分布（含重疊狀況下）、云和降水的相互作用，及其在云層內(nèi)的垂直方向運(yùn)動等進(jìn)行觀測；

4）匯總以上觀測結(jié)果，利用所獲得的云和氣溶膠的各種特性，評價通過大氣場評價后的大氣輻射所致的加熱/冷卻及其垂直分布信息。

EarthCARE衛(wèi)星的主要性能參數(shù)

2 EarthCARE衛(wèi)星搭載的主要遙感器

根據(jù)觀測目的和飛行任務(wù)要求，同時為確保其綜合應(yīng)用效果，JAXA和ESA決定在EarthCARE衛(wèi)星上配備以云和氣溶膠觀測雷達(dá)為主，同時包括云和氣溶膠觀測雷達(dá)、大氣探測激光雷達(dá)、多頻段圖像獲取裝置和寬帶輻射收支計量裝置4種遙感器。

Earth CARE衛(wèi)星有效載荷中的核心遙感器是云和氣溶膠觀測雷達(dá)，由JAXA和日本信息通信技術(shù)研究所（NICT）共同研究設(shè)計，日本電氣公司（NEC）加工生產(chǎn)，配備了迄今發(fā)射的衛(wèi)星上所配備的觀測雷達(dá)上未曾配備過的大型天線，主要是要大幅度地提高觀測靈敏度。利用云和氣溶膠觀測雷達(dá)不僅可以獲取全球范圍內(nèi)云的垂直結(jié)構(gòu)圖譜，還可以掌握云的上升和下降等動態(tài)信息。

呈展開狀態(tài)時的云和氣溶膠觀測雷達(dá)

云和氣溶膠觀測雷達(dá)的結(jié)構(gòu)

云和氣溶膠觀測雷達(dá)由主反射鏡（MREF）、展開機(jī)構(gòu)（DPM）、保持與釋放機(jī)構(gòu)（HRM）、支持機(jī)構(gòu)（STR）、準(zhǔn)光學(xué)供電部分（QOF）以及平臺6個部分組成。平臺內(nèi)配備有發(fā)射接收分系統(tǒng)（TRS）、信號處理部分（SPU）和散熱器開關(guān)（HSW）。為了散熱，在平臺的表面貼有太陽反射鏡（OSR），除此之外，其他結(jié)構(gòu)體表面均覆有以鍺為主的熱控蒸著鍍膜。主反射鏡發(fā)射時呈收攏后的折疊狀態(tài)，衛(wèi)星發(fā)射入軌后才展開。觀測雷達(dá)中的準(zhǔn)光學(xué)供電部分和發(fā)射接收分系統(tǒng)由NICT和JAXA共同研制，保有專利權(quán)。

云和氣溶膠觀測雷達(dá)具備隨衛(wèi)星在軌運(yùn)行高度的變化，其脈沖重復(fù)頻率也隨之變化，并發(fā)送94GH z的電波，測量不同云粒的散亂信號（回聲）強(qiáng)度和相位分布變化的功能。當(dāng)云的散亂信號變化為中頻后，對強(qiáng)度進(jìn)行對數(shù)檢波，對相位進(jìn)行同相/正交檢波，然后進(jìn)行模數(shù)（AD）變換，以及積分等數(shù)字信號處理，再通過衛(wèi)星本體的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)把獲取的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到地球站。

（1）主要性能

·最高檢測靈敏度：優(yōu)于-35dBZ（位于大氣頂端的最高層）；

·多普勒測速精度：優(yōu)于1.0m/s。

（2）主要功能

·具備對所搭載的內(nèi)部和外部儀器進(jìn)行校正的能力；

·具備主反射鏡的展開和保持功能，以及熱控功能。

為實現(xiàn)功能和性能需解決的技術(shù)問題

（1）系統(tǒng)和信號處理部分

云和氣溶膠觀測雷達(dá)觀測范圍為一個直徑為700m的圓形區(qū)域，衛(wèi)星在軌高速運(yùn)行階段，其運(yùn)行速度為7km/s，飛經(jīng)觀測范圍的時間僅為0.1s。在這種高速運(yùn)行狀態(tài)下，要確保觀測雷達(dá)能夠按要求精度對沿垂直方向運(yùn)動的云粒進(jìn)行高精度測量，在系統(tǒng)設(shè)計時采用一邊用仿真的方法詳細(xì)地獲取其多普勒速度信息并確認(rèn)設(shè)計的穩(wěn)妥性，一邊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的方法。另外，為滿足用戶對多普勒測速方法和測速精度的要求，需要進(jìn)行分辨率相當(dāng)于優(yōu)于16bit的AD變換實驗和驗證?？墒钱?dāng)前衛(wèi)星所搭載，即已投入應(yīng)用的AD變換器還沒有優(yōu)于15bit的，因此采用了分辨率相當(dāng)于14bit的AD變換器并輔以過采樣信號處理技術(shù)進(jìn)行了反復(fù)實驗和驗證，確保了開發(fā)的云和氣溶膠觀測雷達(dá)滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)。

主反射鏡（左）及其蜂窩結(jié)構(gòu)的活性芯（右）

（2）高精度的主反射鏡

云和氣溶膠觀測雷達(dá)采用孔徑為2.5m的主反射鏡，可以滿足云和氣溶膠觀測雷達(dá)在高靈敏度觀測和多普勒測速等的性能指標(biāo)要求。對主反射鏡而言，不僅要經(jīng)受住苛刻的溫度環(huán)境考驗（衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中氣溫在-50～＋60℃間變化），總體設(shè)計對質(zhì)量方面的限制也相當(dāng)嚴(yán)格，因此主反射鏡采用以特殊的高彈性碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）面板，中間夾有采用新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)開發(fā)的可繞曲蜂窩結(jié)構(gòu)的活性芯，這種活性芯既有非常好的可繞曲性，又保持了理想的柔性，可大幅度地降低主反射鏡鏡面內(nèi)外的熱伸縮性及其變形所致的風(fēng)險，確保無論是制造時還是入軌后的飛行任務(wù)階段，都不會產(chǎn)生超過要求的變形系數(shù)而導(dǎo)致變形。

（3）可有效地抑制太陽光集光問題

EarthCARE衛(wèi)星在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，云和氣溶膠觀測雷達(dá)指向地球，但一旦衛(wèi)星姿態(tài)出現(xiàn)異常，就有可能出現(xiàn)在太陽光聚焦到位于反射鏡聚焦點(diǎn)附近的準(zhǔn)光學(xué)供電部分的風(fēng)險，進(jìn)而可能出現(xiàn)在短時間內(nèi)溫度急劇上升的現(xiàn)象，導(dǎo)致準(zhǔn)光學(xué)供電部分受損，影響正常執(zhí)行任務(wù)，乃至導(dǎo)致整個任務(wù)失敗。為有效地抑制出現(xiàn)這種集光問題，采取了在主反射鏡反射面上蒸鍍鍺薄膜的方法，這是一種適用于抑制太陽光吸收與擴(kuò)散的新技術(shù)。為將這種太陽光聚焦現(xiàn)象對94GHz量級電波的影響抑制到最小，采取用若干層厚度僅為25μm的極薄的薄膜對準(zhǔn)光學(xué)供電部分進(jìn)行連接覆蓋，同時將主反射鏡的孔徑定為2.5m，這是一經(jīng)過反復(fù)推算與實驗驗證確認(rèn)的最佳尺寸。

在云和氣溶膠觀測雷達(dá)設(shè)計和開發(fā)過程中，不僅選擇用中心頻率為94.05GHz，采用大孔徑（2.5m）、輕型碳纖維增強(qiáng)塑料材質(zhì)、高指向精度（優(yōu)于0.015°）的天線進(jìn)行多普勒測量，而且還采用大功率的發(fā)射管和低噪聲的放大器，同時選擇在盡量低（450km）的太陽同步準(zhǔn)回歸軌道上運(yùn)行，其目的是要確保高可靠性和高靈敏度；針對多普勒測量時所存在的衛(wèi)星移動速度過快、對觀測對象的觀測時間相對較短等問題，選擇了高脈沖重復(fù)頻率，將雷達(dá)觀測高度范圍選擇為20km、16km和12km這3種模式，同時可根據(jù)緯度變化按需求進(jìn)行切換，尤其是在12km這一高度，采用高脈沖重復(fù)頻率觀測模式，不僅可獲得理想的多普勒特性，還可滿足Z=-19dBZ時多普勒測量精度優(yōu)于1m/s的技術(shù)指標(biāo)要求。

云和氣溶膠觀測雷達(dá)的主要性能和參數(shù)

3 開發(fā)的目的和意義

目的

（1）大幅度地提高對云和氣溶膠的觀測靈敏度

日本研制的這種云和氣溶膠觀測雷達(dá)是世界上首個具備多普勒計測功能的W頻段雷達(dá)，可大幅度地提高觀測靈敏度，相當(dāng)于當(dāng)前在軌運(yùn)行的環(huán)境觀測衛(wèi)星上所搭載的云觀測雷達(dá)觀測靈敏度的10倍。

（2）可生成云和氣溶膠觀測雷達(dá)的單體產(chǎn)品

通過云和氣溶膠觀測雷達(dá)以及大氣探測激光雷達(dá)等遙感器間的相互配合，可實現(xiàn)對全球各區(qū)段云的分布和垂直結(jié)構(gòu)以及云層內(nèi)部的垂直運(yùn)動進(jìn)行實時觀測，可生成云和氣溶膠觀測雷達(dá)的單體產(chǎn)品。

（3）可生成供若干個遙感器用的復(fù)合產(chǎn)品

接收包括大氣探測激光雷達(dá)、多頻段圖像獲取裝置和寬帶放射收支計量裝置等提供的數(shù)據(jù)，可生成供若干個遙感器使用的復(fù)合產(chǎn)品。

（4）不僅可提高預(yù)測精度，還能為確定與氣候變化相關(guān)的政策提供有力的信息支持

通過促進(jìn)氣候數(shù)值模型用戶機(jī)構(gòu)間的密切合作，以及開展預(yù)測方法等的研究，采取改進(jìn)數(shù)值模型等相關(guān)措施，不僅可提高長期氣候變化的預(yù)測精度，還能夠為確定與氣候變化相關(guān)的政策提供強(qiáng)力的信息支持。

（5）可形成綜合的應(yīng)用數(shù)據(jù)系統(tǒng)

通過EarthCARE衛(wèi)星的地面觀測數(shù)據(jù)和其他衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，可形成綜合的應(yīng)用數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

意義

（1）可改變目前氣候變化預(yù)測、預(yù)報精度過低的現(xiàn)狀

利用EarthCARE衛(wèi)星進(jìn)行云和氣溶膠觀測的效果圖

國際氣候變化研究組織和許多參加國際氣候變化研究的機(jī)構(gòu)都認(rèn)為：當(dāng)前國際上所用的數(shù)值模型因人為因素對氣候變化影響的預(yù)測精度都較低，特別是云和氣溶膠對氣候變化影響的預(yù)測精度更低，乃至無法采取有效的應(yīng)對措施，確保人類賴以生存和穩(wěn)定生活的環(huán)境也就成了一句空話。

研制和發(fā)射高精度的氣候變化觀測衛(wèi)星迫在眉睫，盡快發(fā)射配備毫米波多普勒測量雷達(dá)的Earth CARE衛(wèi)星，有助于建立包括云和氣溶膠預(yù)測在內(nèi)的精準(zhǔn)的全球氣溫預(yù)測模型，這不僅可以大幅度地減小對全球氣候變化和水循環(huán)變化預(yù)測的誤差，還可以獲取氣候變化的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為掌握全球氣候變化情況并采取切實可行的對策，以及修正已建立的模型，使之成為可獲取精確的預(yù)測數(shù)值模型，進(jìn)一步準(zhǔn)確地預(yù)測氣候變化趨勢奠定基礎(chǔ)。

利用EarthCARE衛(wèi)星獲取云和氣溶膠垂直分布信息的示意圖（右）及模擬圖（左）

（2）可填補(bǔ)那些僅搭載被動遙感器的遙感衛(wèi)星無法獲取云層下部信息的空白

EarthCARE衛(wèi)星配備了云和氣溶膠觀測雷達(dá)、大氣探測激光雷達(dá)、多頻段圖像獲取裝置和寬帶輻射收支計量裝置4種遙感器，特別是利用新型的云和氣溶膠觀測雷達(dá)，以毫米波多普勒測量方式對全球范圍云和氣溶膠的垂直分布、微物理量（云中含水量以及有效粒子的半徑等）和云粒子下落速度等進(jìn)行觀測，并與大氣探測激光雷達(dá)同時進(jìn)行觀測，不僅可獲取完整的云和氣溶膠的生成和消散信息，捕獲到有關(guān)熱帶低氣壓下大規(guī)模云層內(nèi)云的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行詳細(xì)地觀測，還可觀測到被動遙感器根本無法觀測到的云層下部（低于平流層到地表）的氣溶膠。

（3）完善氣候數(shù)值模型，大幅度地降低利用氣候數(shù)值模型進(jìn)行預(yù)測的誤差

Earth CARE衛(wèi)星利用其所搭載的高性能的云和氣溶膠觀測雷達(dá)等主動式遙感器，不僅可有效地觀測云和氣溶膠，同時還可觀測到它們之間的相互作用，獲取包括氣溶膠顆粒直徑的大小與其分布情況和化學(xué)成分等與氣溶膠有關(guān)的數(shù)據(jù)；通過完善氣候數(shù)值模型，解決當(dāng)前所使用的數(shù)值模型預(yù)測誤差過大等問題發(fā)揮重要作用，而利用以往在衛(wèi)星上搭載的被動式遙感器既無法獲取這些詳細(xì)的數(shù)據(jù)，也無法起到減小預(yù)測誤差等作用。

4 EarthCARE衛(wèi)星與其他觀測衛(wèi)星在對云和氣溶膠觀測效果的比較

EarthCARE衛(wèi)星搭載的是云和氣溶膠觀測雷達(dá)等主動式遙感器；以往發(fā)射的地球環(huán)境變化觀測衛(wèi)星，如日本“全球變化觀測任務(wù)”[GCOM，共6顆星，包括3顆GCOM-W和3顆GCOM-C衛(wèi)星，其中GCOM-W 1已于2012年5月17日發(fā)射入軌并投入運(yùn)行；GCOM-C1即將于2014年9月發(fā)射]；日美共同研制、已于2014年2月28日發(fā)射的“全球降雨觀測”（GPM）計劃的主衛(wèi)星等搭載的都是被動式遙感器。

1）搭載主動式遙感器可以對全球的云和氣溶膠的垂直分布進(jìn)行觀測；

2）搭載被動式遙感器的GCOM衛(wèi)星只能對云和氣溶膠的水平分布進(jìn)行觀測，無法進(jìn)行垂直分布觀測；

3）搭載被動式遙感器的GCOM-W只能進(jìn)行降水和水蒸氣水平分布觀測，無法進(jìn)行云和氣溶膠觀測；

4）搭載被動式遙感器的GPM計劃的主衛(wèi)星只能對全球降雨和降雪等進(jìn)行觀測。

因此，日本希望通過EarthCARE衛(wèi)星與GCOMC1及其后續(xù)星聯(lián)合觀測，這樣，不但可對氣溶膠進(jìn)行垂直觀測，而且還可輔之以水平觀測，獲取更加全面、準(zhǔn)確的氣溶膠信息。為弄清其形成機(jī)理，完善氣候數(shù)值模型，大幅度地降低氣候數(shù)值模型預(yù)測誤差等發(fā)揮重要作用。

EarthCARE與GCOM-W、C衛(wèi)星搭載的遙感器和觀測對象及效果

EarthCARE與GCOM-W、C和GPM計劃主衛(wèi)星的功能

5 開發(fā)體制、開發(fā)應(yīng)用團(tuán)隊與任務(wù)擔(dān)當(dāng)

Ear th CARE衛(wèi)星是JAXA和ESA共同研制，采用依據(jù)設(shè)立的日歐云和氣溶膠觀測任務(wù)衛(wèi)星科學(xué)會議的形式，由選定的兩位議長協(xié)商并輪流主持會議的形式確定重大事務(wù)，成立任務(wù)委員會、開發(fā)單位、應(yīng)用機(jī)構(gòu)等，應(yīng)用單位包括日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAMSTEC）、新領(lǐng)域研究中心、環(huán)境省/國立研究所、交通運(yùn)輸省/氣象廳/氣象研究所、東京大學(xué)氣候系統(tǒng)研究中心（CCSR）等，在歐洲，其研制和主管單位是ESA，應(yīng)用單位是歐洲中期預(yù)報中心（ECMW F）和哈特萊中心等。