朱 維，呂利清，魏致坤，曹 瓊，董長(zhǎng)哲，王鳳陽

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來，我國(guó)大氣環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，國(guó)家層面已高度重視。2020 年9 月22 日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布我國(guó)力爭(zhēng)于2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值的目標(biāo)，努力爭(zhēng)取于2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的愿景。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》中明確指出，“研究發(fā)射大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)專用衛(wèi)星”。大氣環(huán)境高精度監(jiān)測(cè)和污染有效防治是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重要要求。目前，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向、推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期。為此，亟須發(fā)展衛(wèi)星遙感手段，與空、地基手段配合，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境高精度監(jiān)測(cè)。

目前，大氣環(huán)境探測(cè)的遙感手段主要有多光譜［1-2］、高光譜［3-4］、偏振［5-6］、多角度［7］和主動(dòng)激光［8］等。國(guó)際上典型的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)類衛(wèi)星，通常單顆衛(wèi)星僅采用一種或幾種探測(cè)手段，如美國(guó)A-Train星座［9-10］由6 顆運(yùn)行的分別采用不同探測(cè)手段完成探測(cè)不同要素的衛(wèi)星組成，包括探測(cè)CO2的OCO-2衛(wèi)星［11-12］、利用微波手段觀測(cè)水循環(huán)的GCOM-W1衛(wèi)星［13-14］、利用多光譜手段觀測(cè)降水和地表水的Aqua 衛(wèi)星［15-16］、利用激光雷達(dá)手段測(cè)量云信息的CloudSat 衛(wèi)星［17-18］、利用激光雷達(dá)探測(cè)云和氣溶膠信息的CALIPSO 衛(wèi)星［19］、利用多光譜手段探測(cè)大氣及氣候的Aura 衛(wèi)星［20］，以及之前的PARASOL衛(wèi)星［21］。

相較于傳統(tǒng)被動(dòng)光學(xué)遙感手段，激光遙感技術(shù)不依賴于太陽光，能夠?qū)崿F(xiàn)大氣成分全天時(shí)高精度全球探測(cè)，且能獲取大氣氣溶膠垂直分布信息，是大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向。美國(guó)于2006年發(fā)射了CALIPSO 衛(wèi)星，裝載了國(guó)際首個(gè)星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)CALIOP［8］，具備大氣氣溶膠垂直探測(cè)能力，開創(chuàng)了星載激光大氣探測(cè)技術(shù)在軌應(yīng)用先河。此外，歐空局在2018 年發(fā)射了Aeolus 衛(wèi)星［22］，裝載了星載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)Aladin［23］，也能對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行垂直探測(cè)。我國(guó)在軌氣象和環(huán)境衛(wèi)星如FY-3（04、05）［24］、GF-5（02、01A）［25-26］等具備一定的大氣氣溶膠、污染氣體、溫室氣體探測(cè)能力，但CO2柱濃度探測(cè)精度不足，且不具備氣溶膠垂直分布探測(cè)能力。

DQ-1 衛(wèi)星是我國(guó)第一顆大氣環(huán)境專用監(jiān)測(cè)衛(wèi)星和第一顆激光雷達(dá)大氣探測(cè)衛(wèi)星，于2022 年4 月16 日在太原衛(wèi)星中心成功發(fā)射，衛(wèi)星牽頭用戶為生態(tài)環(huán)境部，主用戶包括中國(guó)氣象局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等。DQ-1 衛(wèi)星在國(guó)際上首次采用主動(dòng)激光雷達(dá)手段，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)高精度全球CO2柱濃度探測(cè)（探測(cè)精度優(yōu)于1×10-6）；首次采用主被動(dòng)結(jié)合技術(shù)體制，填補(bǔ)近地面細(xì)顆粒物（PM2.5等）大范圍高精度監(jiān)測(cè)的空白，對(duì)推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效，促進(jìn)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)事業(yè)具有重要意義。

1 衛(wèi)星總體方案

DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射總質(zhì)量≤2 800 kg，采用標(biāo)稱高度為705 km、升交點(diǎn)地方時(shí)為13：30 的太陽同步軌道，其在軌飛行狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 DQ-1 衛(wèi)星在軌飛行Fig.1 Diagram of the DQ-1 satellite flighting in orbit

衛(wèi)星繼承SAST-ML1（SAST3000）公用平臺(tái)方案，由11 個(gè)平臺(tái)分系統(tǒng)、6 個(gè)載荷分系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成如圖2 所示。DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)如圖3所示。

圖2 DQ-1 衛(wèi)星組成Fig.2 Composition of the DQ-1 satellite

圖3 DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)Fig.3 Schematic diagram of the launch status of the DQ-1 satellite

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)由服務(wù)平臺(tái)和有效載荷艙組成，采用的主要部件有承力筒、蜂窩夾層板以及星箭連接環(huán)等。

衛(wèi)星供配電采用太陽電池陣+蓄電池組聯(lián)合供電、42 V 全調(diào)節(jié)直流母線方案，二次電源主要采用分散式供電方式。衛(wèi)星太陽電池陣設(shè)計(jì)成單翼、一維對(duì)日定向。太陽電池片采用三結(jié)砷化鎵，蓄電池采用2 組180 Ah 鋰離子電池組。

熱控分系統(tǒng)采用主動(dòng)和被動(dòng)熱控方式相結(jié)合，被動(dòng)熱控為主，輔以電加熱器主動(dòng)熱控的技術(shù)方案。衛(wèi)星的有效載荷艙和服務(wù)平臺(tái)采取有效的熱連接，通過整星選取合適的散熱面，將整星的溫度水平控制在合適的范圍內(nèi)。

測(cè)控分系統(tǒng)采用統(tǒng)一S 波段（USB）體制+GPS/BD2 的測(cè)控方案。

綜合電子分系統(tǒng)采用基于1553B 總線的二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜電計(jì)算機(jī)為一級(jí)主控制器，各個(gè)有效載荷、GPS 接收機(jī)、數(shù)傳綜合處理器等為二級(jí)管理單元。綜合電子分系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行遙控和遙測(cè)信息采集。

姿軌控分系統(tǒng)采用零動(dòng)量三軸穩(wěn)定對(duì)地定向控制，以星敏感器+陀螺為主要姿態(tài)敏感器，飛輪與推力器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌姿態(tài)穩(wěn)定控制與軌道控制。

衛(wèi)星推進(jìn)分系統(tǒng)采用技術(shù)成熟的落壓式無水肼催化分解方案，配置了2 個(gè)50 L 貯箱和16 臺(tái)5 N推力器，完成姿態(tài)控制與軌道控制功能。

數(shù)傳分系統(tǒng)由2 條X 波段傳輸信道組成，通過二維點(diǎn)波束天線下傳信號(hào)，采用極化復(fù)用技術(shù)，每條X 波段信道的碼速率為450 Mbit/s。系統(tǒng)采用CCSDS AOS 傳輸協(xié)議。

根據(jù)用戶需求及目標(biāo)任務(wù)，DQ-1 衛(wèi)星共裝載5臺(tái)遙感儀器，如圖3 所示。其中1 臺(tái)主動(dòng)遙感儀器為大氣探測(cè)激光雷達(dá)（Aerosol and Carbon Detection Lidar，ACDL），4 臺(tái)被動(dòng)遙感儀器為高精度偏振掃描儀（Particulate Observing Scanning Polarimeter，POSP）、多角度偏振成像儀（Directional Polarization Camera，DPC）、紫外高光譜大氣成分探測(cè)儀（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）及寬幅成像光譜儀（Wide Swath Imager，WSI）。其中，ACDL 能夠獲取大氣氣溶膠廓線信息，結(jié)合2 臺(tái)偏振探測(cè)儀器和WSI 獲取的氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）、細(xì)粒子比參數(shù)等，最終得到細(xì)顆粒物濃度分布。同時(shí)激光雷達(dá)還利用1 572 nm 通道差分吸收方法實(shí)現(xiàn)CO2柱總量探測(cè)。WSI 的多光譜探測(cè)能力還可實(shí)現(xiàn)對(duì)沙塵、陸地生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境和農(nóng)作物遙感監(jiān)測(cè)。EMI 利用紫外至可見波段的高光譜探測(cè)，實(shí)現(xiàn)SO2、NO2和臭氧等污染氣體探測(cè)。

考慮衛(wèi)星及星下點(diǎn)光照條件、軌跡等因素，DQ-1 衛(wèi)星設(shè)計(jì)運(yùn)行在705 km 高度的太陽同步回歸軌道，保證地面觀測(cè)區(qū)域的覆蓋和重訪能力。在此軌道上，ACDL 實(shí)現(xiàn)51 d 重訪，CO2探測(cè)全球覆蓋，與CALIPSO 衛(wèi)星軌道高度相同，有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，相互驗(yàn)證數(shù)據(jù)精度，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量；同時(shí)該軌道可保證大視場(chǎng)的被動(dòng)探測(cè)載荷在1～2 d 內(nèi)全球覆蓋，保證遙感數(shù)據(jù)時(shí)效性，如圖4 所示。衛(wèi)星軌道高度與GF-5 系列衛(wèi)星一致，入軌工作后能與GF-5 系列衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)，提高觀測(cè)效能。DQ-1 衛(wèi)星綜合探測(cè)能力已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 DQ-1 衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main specifications of the DQ-1 satellite

圖4 DQ-1 衛(wèi)星軌道覆蓋效能Fig.4 Orbital coverage efficiency of the DQ-1 satellite

2 衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

DQ-1 衛(wèi)星是國(guó)際首顆主被動(dòng)結(jié)合、多手段綜合高精度大氣環(huán)境遙感衛(wèi)星。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行綜合探測(cè)，DQ-1 衛(wèi)星上配置了5 臺(tái)有效載荷，在國(guó)際上首次同時(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)手段同源觀測(cè)；保證了在相同的幾何條件、光照條件、時(shí)間和空間條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)相同探測(cè)要素不同手段和多種探測(cè)要素（污染氣體、顆粒物等）的同源高精度綜合觀測(cè)；提升了大氣環(huán)境數(shù)據(jù)融合和處理分析精度，服務(wù)于多種大氣要素（污染氣體、顆粒物等）的時(shí)空關(guān)聯(lián)對(duì)比研究。

作為我國(guó)首顆大氣環(huán)境專用監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，DQ-1衛(wèi)星具有多手段綜合探測(cè)、綜合性能優(yōu)、探測(cè)精度高、激光器設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)、激光雷達(dá)指標(biāo)要求高等特點(diǎn)，對(duì)于整星設(shè)計(jì)（衛(wèi)星構(gòu)型布局、熱控、激光器研制等）、測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證手段等帶來了挑戰(zhàn)：

1）開展了衛(wèi)星平臺(tái)和多載荷結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，仿真優(yōu)化整星構(gòu)型布局。衛(wèi)星配置了5 臺(tái)光學(xué)遙感載荷和2 臺(tái)二維驅(qū)動(dòng)數(shù)傳天線，載荷數(shù)量多、尺寸大、重量重。載荷大多具有高精度定標(biāo)要求，且被動(dòng)對(duì)地視場(chǎng)均達(dá)100°以上；具有視場(chǎng)綜合統(tǒng)籌要求高、安裝承載實(shí)現(xiàn)難度大的特點(diǎn)。衛(wèi)星采用了高精度星敏與激光雷達(dá)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)視激光光軸指向偏差；對(duì)雙偏振載荷（POSP 和DPC）進(jìn)行觀測(cè)視場(chǎng)匹配設(shè)計(jì)，采用高精度的安裝工藝保證雙載荷視軸的一致性；協(xié)調(diào)整星熱控布局，最大限度地滿足了WSI 輻射制冷器散熱能力。

2）開展了載荷大熱流密度的熱控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)ACDL 精細(xì)化高精密溫控。主載荷ACDL 具有熱流密度大（功耗高達(dá)1 280 W）、結(jié)構(gòu)尺寸較大（接收光學(xué)主鏡1 m）、材料導(dǎo)熱能力較差（支承筒和望遠(yuǎn)鏡支架）、激光器功放熱耗較大且內(nèi)部熱源分散、控溫精度高等特點(diǎn)，熱設(shè)計(jì)存在難點(diǎn)。為此開展了精細(xì)化的等溫化設(shè)計(jì)和高精度溫控設(shè)計(jì)，建立完備的激光雷達(dá)仿真熱模型，結(jié)合實(shí)際熱控效果多次迭代，優(yōu)化熱界面（傳熱系數(shù)），改進(jìn)熱控工藝，滿足激光雷達(dá)熱耗大、熱流密度大、溫度均勻性和梯度要求高等需求，將激光雷達(dá)關(guān)鍵部位的溫度梯度控制在0.5 ℃以內(nèi)。其次，開展了一系列地面熱試驗(yàn)，結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際在軌外熱流的變化情況，分析整星的溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)熱變形等對(duì)載荷探測(cè)性能的影響。目前衛(wèi)星在軌經(jīng)過加熱去污后，激光雷達(dá)各項(xiàng)溫度均符合指標(biāo)要求，熱變形導(dǎo)致的視軸漂移也在誤差范圍以內(nèi)。

3）大氣激光雷達(dá)首次實(shí)現(xiàn)雙體制激光，具有CO2、細(xì)顆粒物高光譜星載探測(cè)能力，其CO2柱濃度測(cè)量精度優(yōu)于1×10-6，而國(guó)際上只有被動(dòng)手段，且CO2柱總量的探測(cè)精度一般為（3～4）×10-6。大氣CO2探測(cè)采用路徑積分差分吸收激光雷達(dá)方法，使用雙波長(zhǎng)1 572 nm 激光測(cè)量CO2柱濃度。此外，該激光雷達(dá)還可以同時(shí)獲取大氣、氣溶膠和云光學(xué)特性參數(shù)，以及云和氣溶膠的垂直分布信息。采用激光雷達(dá)532 nm 高光譜分辨、后向散射和偏振探測(cè)通道，以及1 064 nm 后向散射通道，可精確地測(cè)量大氣氣溶膠和云參數(shù)，同時(shí)給被動(dòng)觀測(cè)載荷提供邊界層高度測(cè)量數(shù)據(jù)，用于細(xì)顆粒物濃度分布反演。國(guó)際上，測(cè)量氣溶膠和云與測(cè)量CO2激光雷達(dá)均是分開實(shí)現(xiàn)的，目前國(guó)際上還未有CO2激光雷達(dá)衛(wèi)星，而且測(cè)量云和氣溶膠無高光譜探測(cè)通道。大氣激光雷達(dá)是國(guó)際首次采用三波長(zhǎng)雙體制探測(cè)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣顆粒物廓線探測(cè)能力和CO2高精度（1×10-6）探測(cè)能力。

4）國(guó)際首次采用系統(tǒng)級(jí)雙偏振融合的探測(cè)方式，偏振測(cè)量精度優(yōu)于0.5%。POSP 具有優(yōu)于0.5%的偏振數(shù)據(jù)精度，可以對(duì)氣溶膠校正參數(shù)及氣溶膠粒子譜分布（PM2.5濃度）進(jìn)行有效的高精度反演，但由于其不具備成像能力，數(shù)據(jù)覆蓋度有所欠缺；DPC 具有較好的多角度成像氣溶膠探測(cè)能力，但其反演精度有限。因此，DQ-1 衛(wèi)星采用了POSP與DPC 系統(tǒng)級(jí)雙偏振融合技術(shù)方案，將多光譜成像技術(shù)、多角度偏振測(cè)量技術(shù)以及星上定標(biāo)技術(shù)等有機(jī)結(jié)合在一起，進(jìn)行多光譜多角度偏振輻射探測(cè)，實(shí)現(xiàn)全球大氣氣溶膠和云特性及其變化探測(cè)功能，以非成像多角度偏振反演數(shù)據(jù)修正多光譜成像數(shù)據(jù)，提高氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品的整體精度。

DPC 和POSP 之間的視場(chǎng)匹配是兩者數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)和研制階段，減少干擾相對(duì)指向精度的因素，主要措施包括：通過合理設(shè)計(jì)裝調(diào)、裝星檢測(cè)方案，消除或抑制載荷光軸與配準(zhǔn)棱鏡間的檢測(cè)誤差，以及裝星時(shí)載荷光軸指向的檢測(cè)誤差；控制衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形，開展地面仿真和試驗(yàn)，評(píng)估衛(wèi)星發(fā)射前后力學(xué)條件引起載荷光軸的指向變化，以及衛(wèi)星發(fā)射前后在軌后熱條件引起載荷光軸的指向變化，完成在軌相對(duì)指向精度修正。2 臺(tái)載荷在軌視場(chǎng)匹配精度優(yōu)于0.15 個(gè)POSP 瞬時(shí)視場(chǎng)，相對(duì)指向精度最大誤差僅為0.007 8°，滿足數(shù)據(jù)反演需求。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)雙偏振融合、高精度信息傳遞，POSP 需要進(jìn)行高精度的定標(biāo)。POSP 配置了2 臺(tái)偏振定標(biāo)器，包括非偏和全偏定標(biāo)器，可以實(shí)現(xiàn)在軌偏振定標(biāo)，保證了偏振測(cè)量精度優(yōu)于0.5%。

5）國(guó)內(nèi)首次采用無控制點(diǎn)激光光軸自標(biāo)定技術(shù)，光軸指向測(cè)量精度優(yōu)于0.008°?？紤]到衛(wèi)星在軌存在飛行速度和激光指向偏離星下點(diǎn)偏離角，激光接收方向上存在相對(duì)速度，由多普勒頻移效應(yīng)引起星上接收激光頻率與發(fā)射激光頻率之間的漂移，導(dǎo)致接收激光在CO2吸收線位置的變化。為實(shí)現(xiàn)1×10-6的CO2高精度探測(cè)，DQ-1 衛(wèi)星的ACDL 需要高精度補(bǔ)償激光束沿軌多普勒效應(yīng)的影響，并精確測(cè)量激光的光軸指向。由于激光雷達(dá)無法成像，無法像成像類載荷一樣利用地面控制點(diǎn)對(duì)姿態(tài)確定中的常值項(xiàng)（如星敏感器Bias 等）及常周期項(xiàng)（如熱變形等）進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。為了提高激光雷達(dá)的光軸測(cè)量精度，衛(wèi)星設(shè)計(jì)了在軌激光雷達(dá)光軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：①衛(wèi)星的星敏感器與激光雷達(dá)的光學(xué)底板進(jìn)行一體化安裝，消除安裝矩陣帶來的影響，為減少星敏感器支架的相對(duì)熱變形影響，對(duì)星敏感器支架進(jìn)行低熱膨脹設(shè)計(jì)以及高精度溫度控制，以保證星敏感器頭部安裝面到星敏支架基準(zhǔn)棱鏡之間的熱變形小于6″；② 姿軌控分系統(tǒng)選擇一套Bias 抖動(dòng)小于11″，噪聲等效誤差角（NEA）及低頻誤差（LFE）小于4.2″的高精度星敏感器，并通過在軌進(jìn)行高精度姿態(tài)融合后使用；③星地協(xié)同保證衛(wèi)星軌道位置測(cè)量精度（小于5 m）及時(shí)統(tǒng)精度（小于1 ms），以滿足衛(wèi)星姿態(tài)確定精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度要求；④ 繼承國(guó)內(nèi)激光光軸指向標(biāo)定成熟方案，與地面系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)了地面激光光軸標(biāo)定方案，實(shí)現(xiàn)在軌激光光軸定標(biāo)。

通過高精度姿態(tài)敏感測(cè)量、高精度軌道測(cè)量、星敏與激光雷達(dá)一體化安裝、光軸與星敏變形監(jiān)視、精細(xì)化熱控設(shè)計(jì)等手段，該套系統(tǒng)可以定期監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)射/接收光軸相對(duì)于星敏感器支架棱鏡的變形誤差，相對(duì)角度變形測(cè)量誤差不超過6.5″，星敏感器支架棱鏡相對(duì)于軌道系的姿態(tài)確定精度不超過15.17″，激光雷達(dá)光軸絕對(duì)指向相對(duì)于衛(wèi)星軌道系的測(cè)量誤差小于0.008°（28.88″）。

6）目前，國(guó)外配置的激光雷達(dá)衛(wèi)星壽命均不長(zhǎng)，532 nm/1 064 nm 兩波長(zhǎng)激光云和氣溶膠探測(cè)的CALIPSO 衛(wèi)星以及裝載355 nm 單波長(zhǎng)高光譜激光雷達(dá)ATLID 的Earth CARE 衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命均為3 a。DQ-1 衛(wèi)星上配置了532 nm/1 064 nm/1 572 nm 三波長(zhǎng)雙體制激光雷達(dá)，解決了由于高損傷閾值激光腔、晶體薄膜衰減以及長(zhǎng)壽命高能量激光器工程化問題，提升了激光雷達(dá)中的激光器在軌壽命，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)8 a。因此，DQ-1衛(wèi)星是目前國(guó)際上設(shè)計(jì)壽命要求最長(zhǎng)的具備激光探測(cè)能力的遙感衛(wèi)星。

3 在軌測(cè)試情況

2022 年4 月16 日DQ-1 衛(wèi)星發(fā)射入軌后，先進(jìn)行為期約1 個(gè)月的加熱去污，5 月12 日起，載荷依次結(jié)束加熱去污，陸續(xù)開機(jī)正常工作。6 月5 日，衛(wèi)星5 臺(tái)載荷完成狀態(tài)設(shè)置和參數(shù)調(diào)優(yōu)后，交付中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心進(jìn)行業(yè)務(wù)測(cè)試。2022 年7 月21 日，完成衛(wèi)星平臺(tái)部分測(cè)試，經(jīng)審查，平臺(tái)各分系統(tǒng)單機(jī)工作正常、性能穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足在軌測(cè)試大綱及細(xì)則要求。衛(wèi)星平臺(tái)各分系統(tǒng)在軌穩(wěn)定性如圖5 所示。

圖5 衛(wèi)星平臺(tái)各分系統(tǒng)在軌穩(wěn)定性Fig.5 Stability of the satellite platform subsystems in orbit

續(xù)圖5 衛(wèi)星平臺(tái)各分系統(tǒng)在軌穩(wěn)定性Continued fig.5 Stability of the satellite platform subsystems in orbit

2022 年8 月19 日，完成有效載荷在軌所有功能、性能項(xiàng)目的在軌測(cè)試，經(jīng)審查，各載荷成像功能正常，性能指標(biāo)穩(wěn)定，載荷各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足在軌測(cè)試大綱、細(xì)則要求及工程研制建設(shè)總要求。

具體衛(wèi)星各遙感儀器在軌穩(wěn)定性如圖6 所示。由圖可知，5 臺(tái)載荷遙感關(guān)鍵指標(biāo)在軌穩(wěn)定。

圖6 衛(wèi)星各遙感儀器在軌穩(wěn)定性Fig.6 Stability of the remote sensing instruments of the satellite in orbit

綜合以上測(cè)試結(jié)果，按照在軌測(cè)試大綱和細(xì)則的要求完成了DQ-1 衛(wèi)星系統(tǒng)所有的測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)果表明衛(wèi)星平臺(tái)分系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)完整，滿足要求，5 臺(tái)遙感儀器功能正常、性能穩(wěn)定，成像參數(shù)已調(diào)至較優(yōu)狀態(tài)，各載荷的光譜特性、輻射特性和幾何特性等星地一體化指標(biāo)經(jīng)在軌測(cè)試后，均滿足大綱和細(xì)則的要求。

4 衛(wèi)星應(yīng)用示例

DQ-1 衛(wèi)星入軌后，針對(duì)全球CO2柱濃度、云和氣溶膠、污染氣體等開展了應(yīng)用研究。

1） 全球CO2柱濃度監(jiān)測(cè)。

利用ACDL 1 572 nm CO2通道遙感數(shù)據(jù)處理初步結(jié)果，首次實(shí)現(xiàn)精度優(yōu)于1×10-6的CO2柱濃度探測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)兩極區(qū)域CO2柱濃度探測(cè)，以及首次實(shí)現(xiàn)夜間CO2柱濃度探測(cè)。ACDL 獲取的CO2柱數(shù)據(jù)有效率大于60%，遠(yuǎn)高于被動(dòng)手段（一般在10%左右）。ACDL 全球全天時(shí)CO2柱濃度2022 年7月的數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 ACDL 全球全天時(shí)CO2柱濃度2022 年7 月數(shù)據(jù)Fig.7 Global all day CO2 column concentration data in July 2022 by the ACDL

將ACDL 與地面TCCON 站點(diǎn)獲取CO2柱濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行星地初步對(duì)比統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示星相關(guān)系數(shù)0.954，偏差0.27×10-6，均方差0.62×10-6，驗(yàn)證了已優(yōu)于1×10-6的全球測(cè)量精度，如圖8 所示。

圖8 CO2柱總量與TCCON 站星地比對(duì)Fig.8 Comparison of the total CO2 column amount from the TCCON station and DQ-1 satellite

2） 全球云和氣溶膠監(jiān)測(cè)。

利用ACDL 532 nm 偏振&高光譜通道遙感數(shù)據(jù)處理初步結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了全球首次獲得大氣純分子散射信號(hào)，全球首次獲得優(yōu)于20%高精度氣溶膠廓線，以及全球首次獲得云、氣溶膠精確分類信息。ACDL 全球首次直接獲取純分子散射信號(hào)廓線和測(cè)量高精度全球氣溶膠廓線，如圖9～圖10 所示。

圖9 ACDL 全球首次直接獲取純分子散射信號(hào)廓線Fig.9 Global pure molecular scattering signal profiles obtained by the ACDL for the first time

圖10 ACDL 首次測(cè)量高精度全球氣溶膠廓線Fig.10 High-precision global aerosol profiles obtaining by the ACDL for the first time

與美國(guó)CALIPSO 衛(wèi)星激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，ACDL 白天、夜間的信噪比分別約為CALIOP 衛(wèi)星的3 倍和2 倍。

利用雙偏振儀器（POSP&DPC）獲取的單日全球和重點(diǎn)區(qū)域氣溶膠AOD 分布，清晰顯示了陸地上空大氣氣溶膠AOD 的分布特征，并與MODIS 反演結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分布趨勢(shì)具有很高的一致性，如圖11 和圖12 所示。

圖11 DQ-1 雙偏振儀器獲取的550 nm 波長(zhǎng)光的氣溶膠AOD 分布信息Fig.11 AOD distribution at 550 nm obtained by the DQ-1 dual polarization instrument

圖12 DQ-1 雙偏振儀器獲取的550 nm 波長(zhǎng)光的AOD 分布與MODIS 獲取AOD 分布對(duì)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）全球污染氣體監(jiān)測(cè)。

利用EMI 紫外至可見高光譜數(shù)據(jù)獲取了全球NO2、O3、HCHO 等污染氣體分布，并與國(guó)外TROPOMI 數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，相關(guān)性良好，如圖13～圖16所示（DU：Dobson unit，多布森單位）。

圖13 DQ-1 EMI 獲取全球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

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

圖15 DQ-1 EMI 獲取全球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

圖16 2022 年5 月25 日EMI 與TROPOMI 獲取的O3 柱 濃度反演結(jié)果對(duì)比Fig.16 Comparison of O3 column concentrations obtained by the EMI and TROOMI on May 25，2022

通過對(duì)EMI 與TROPOMI 全球臭氧反演結(jié)果數(shù)據(jù)重采樣后，選擇區(qū)域進(jìn)行一致性比對(duì)，平均相對(duì)誤差約為2%，平均精度約為98%。

綜合以上，DQ-1 衛(wèi)星在軌初步應(yīng)用成果斐然，標(biāo)志我國(guó)大氣遙感能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。針對(duì)碳監(jiān)測(cè)，DQ-1 衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了3 個(gè)國(guó)際首次，首次獲取了精度優(yōu)于1×10-6的全球CO2柱濃度數(shù)據(jù)，首次獲取了夜間全球CO2柱濃度數(shù)據(jù)，首次獲取了南北兩極CO2柱濃度數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)有效并大幅優(yōu)于被動(dòng)遙感衛(wèi)星，應(yīng)用效果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，有助于我國(guó)掌握碳外交主動(dòng)權(quán)和話語權(quán)。針對(duì)大氣污染監(jiān)測(cè)，DQ-1 衛(wèi)星國(guó)際首次獲取全球高精度氣溶膠廓線數(shù)據(jù)，與被動(dòng)遙感數(shù)據(jù)結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)全球三維高精度探測(cè)，同時(shí)衛(wèi)星獲取了全球污染氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)槲覈?guó)大氣污染防治提供高精度遙感數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)束語

DQ-1 衛(wèi)星采用主動(dòng)激光、高光譜、偏振、多光譜、多角度等多種探測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍、全天時(shí)、多要素綜合觀測(cè)，多項(xiàng)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，遙感能力跨越發(fā)展，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，顯著提高我國(guó)在大氣遙感領(lǐng)域以及激光遙感領(lǐng)域的國(guó)際影響力。此外，我國(guó)在“十四五”期間還將發(fā)射高精度溫室氣體綜合探測(cè)衛(wèi)星（代號(hào)DQ-2），將與DQ-1 衛(wèi)星形成上下午組網(wǎng)觀測(cè)，進(jìn)一步提升我國(guó)天基碳監(jiān)測(cè)和污染監(jiān)測(cè)能力，為我國(guó)“碳達(dá)峰”與“碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略、建設(shè)“美麗中國(guó)”提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

面向我國(guó)“雙碳”和生態(tài)文明建設(shè)國(guó)家戰(zhàn)略對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)提出的更高要求，后續(xù)還將逐步發(fā)展高軌高光譜觀測(cè)衛(wèi)星、高精度臭氧監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等新型衛(wèi)星，形成“高低軌組網(wǎng)、主被動(dòng)結(jié)合”的生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全域排查、全面清理、全量處置、全過程監(jiān)管、全方位提升的“五全”危險(xiǎn)廢物環(huán)境監(jiān)管體系，以及高頻率、高標(biāo)準(zhǔn)、高效率、高質(zhì)量、高密度的“五高”的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)能力。