首個(gè)星載全球大氣風(fēng)場(chǎng)激光雷達(dá)成功發(fā)射

宋晶晶(北京空間科技信息研究所)

2018年8月22日，歐洲航天局的大氣動(dòng)力學(xué)任務(wù)-風(fēng)神（ADMAeolus）衛(wèi)星搭載“織女星”運(yùn)載火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空，順利進(jìn)入軌道。該衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)從太空對(duì)全球大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行三維觀測(cè)，獲取對(duì)流層和較低平流層的垂直風(fēng)廓線圖，所提供的數(shù)據(jù)有助于科學(xué)家進(jìn)一步完善目前已知的大氣特征參數(shù)，提高建模和地球大氣分析的技術(shù)水平，增強(qiáng)對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)和氣候過程的了解，為提高天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量和氣候?qū)W研究做出直接貢獻(xiàn)。

1 研制歷程

自20世紀(jì)80年代起，歐洲航天局一直在進(jìn)行測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)的研究工作，針對(duì)任務(wù)的可行性研究于1998年啟動(dòng)。1999年，大氣動(dòng)力學(xué)任務(wù)-風(fēng)神衛(wèi)星被選中為歐洲航天局的第4個(gè)“地球探索者”（Earth Explorer）核心任務(wù)，該任務(wù)也是歐洲航天局“生命星球”（Living Planet）計(jì)劃的一部分，又被稱為“風(fēng)神”（Aeolus）衛(wèi)星，整個(gè)任務(wù)的成本預(yù)計(jì)約4.8億歐元。衛(wèi)星系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)工作始于2002年7月。2003年10月，歐洲航天局與阿斯特留姆公司（Astrium）（現(xiàn)空客防務(wù)與航天公司）簽署合同，授予阿斯特留姆公司為“風(fēng)神”任務(wù)的總承包方，同時(shí)還由其負(fù)責(zé)主要有效載荷大氣激光多普勒雷達(dá)（ALADIN）和衛(wèi)星平臺(tái)電子分系統(tǒng)的建造工作。

“風(fēng)神”衛(wèi)星最初計(jì)劃于2007年發(fā)射，但其主載荷——大氣激光多普勒雷達(dá)在研制過程中遇到大量問題而進(jìn)行多次設(shè)計(jì)更改，其中在2010年秋季將激光器的工作模式由“觸發(fā)模式”（burst mode）更改為“連續(xù)模式”（continuous mode），是對(duì)其設(shè)計(jì)基線進(jìn)行的最重大的一次更改，從而導(dǎo)致仿真器以及地面有效載荷數(shù)據(jù)處理軟件也需要進(jìn)行相應(yīng)升級(jí)，由此造成“風(fēng)神”衛(wèi)星的發(fā)射日期一再被延期。最終空客防務(wù)與航天公司于2016年8月完成有效載荷交付，2016年10月完成衛(wèi)星總裝并開始進(jìn)行測(cè)試。

“風(fēng)神”衛(wèi)星任務(wù)旨在驗(yàn)證采用新的激光技術(shù)從太空對(duì)全球風(fēng)廓線進(jìn)行測(cè)量，因此被看作是為了將未來氣象衛(wèi)星用于地球大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量而鋪平道路的一個(gè)先驅(qū)任務(wù)。大氣激光多普勒雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于提升熱帶區(qū)域的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平尤其關(guān)鍵，它不僅是全球首個(gè)天基測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，還是首個(gè)用于獲取氣溶膠/云光學(xué)特性（后向散射和消光系數(shù)）的高光譜分辨率激光雷達(dá)（HSRL）。

2 衛(wèi)星設(shè)計(jì)及性能

“風(fēng)神”衛(wèi)星的飛行軌道高度約為400km，軌道傾角為97°，發(fā)射質(zhì)量約為1366kg，其中有效載荷占460kg，發(fā)射時(shí)的尺寸為1.74m×1.9m×2.0m，衛(wèi)星體裝有2個(gè)可展開的太陽電池翼，長(zhǎng)度跨越13m，設(shè)計(jì)壽命為3年。衛(wèi)星平臺(tái)由空客防務(wù)與航天公司研制，是基于歐洲航天局包括“冷衛(wèi)星”（CryoSat）和“羅塞塔”（Rosetta）探測(cè)器在內(nèi)的其他任務(wù)建造，該平臺(tái)采用了技術(shù)較為成熟的傳統(tǒng)箱型結(jié)構(gòu)，以相對(duì)簡(jiǎn)單的操作為設(shè)計(jì)目的，從而降低了整個(gè)生命周期的運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)未來與“風(fēng)神”相似的衛(wèi)星投入業(yè)務(wù)應(yīng)用極為重要。

“風(fēng)神”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖

3 有效載荷

大氣激光多普勒雷達(dá)是“風(fēng)神”衛(wèi)星攜帶的唯一一個(gè)大型有效載荷，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。由于大氣激光多普勒雷達(dá)單次發(fā)射產(chǎn)生的信號(hào)較弱，因此在對(duì)應(yīng)地面50km的觀測(cè)距離內(nèi)將發(fā)射700個(gè)激光脈沖進(jìn)行累加和集成，通過平均多點(diǎn)光束重疊，可獲取更高精度的風(fēng)場(chǎng)廓線圖。大氣激光多普勒雷達(dá)具有單一固定視距，所有測(cè)量都沿著視線方向進(jìn)行。

大氣激光多普勒雷達(dá)由空客防務(wù)與航天法國(guó)分公司研制，是一個(gè)非相干直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，由一個(gè)邊緣成像接收器（用于分析氣溶膠/云后向散射信號(hào)）和一個(gè)雙邊接收器（用于分析大氣分子后向散射信號(hào)）結(jié)合而成，共有3個(gè)通道，其中2個(gè)通道用來接收大氣分子信號(hào)，1個(gè)通道用來接收氣溶膠/云信號(hào)。該遙感儀器采用了突破性新技術(shù)，由一個(gè)強(qiáng)大的激光發(fā)射器組件、一個(gè)光機(jī)系統(tǒng)和一個(gè)接收器組件組成，工作在紫外譜段，向大氣發(fā)射激光脈沖，并接收后向散射信號(hào)。儀器質(zhì)量500kg，平均功率840W，最大數(shù)據(jù)率11kbit/s。

衛(wèi)星測(cè)量幾何原理圖

大氣激光多普勒雷達(dá)主要指標(biāo)

大氣激光多普勒雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

4 地面處理及應(yīng)用

“風(fēng)神”衛(wèi)星的主要任務(wù)目標(biāo)包括：①對(duì)高度0～30km的全球大氣風(fēng)廓線進(jìn)行測(cè)量；②以1m/s的風(fēng)速精度，對(duì)地表（高度0～2km）的大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；③以2m/s的風(fēng)速精度，對(duì)自由對(duì)流層內(nèi)（高度0～16km）的大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；④確定50km足跡內(nèi)的平均風(fēng)速以及每小時(shí)測(cè)量120個(gè)風(fēng)廓線。

“風(fēng)神”任務(wù)的觀測(cè)要求和預(yù)期指標(biāo)

“風(fēng)神”衛(wèi)星由歐洲空間運(yùn)行中心（ESOC）位于瑞典基律納的地面站運(yùn)行，該地面段將采用最新的SCOS—2000任務(wù)控制系統(tǒng)（第5版），有效載荷的測(cè)量數(shù)據(jù)由位于挪威斯瓦爾巴特群島的地面站接收，衛(wèi)星每向前移動(dòng)50km時(shí)獲得一個(gè)風(fēng)廓線圖，測(cè)量數(shù)據(jù)每90min被傳送到地面站。衛(wèi)星地面系統(tǒng)的2個(gè)主要部分是飛行控制中心（FOS）和有效載荷數(shù)據(jù)段（PDS）。在整個(gè)任務(wù)期間，位于意大利弗拉斯卡蒂歐洲空間研究所（ESRIN）的有效載荷數(shù)據(jù)段都將獲得設(shè)施和服務(wù)，用于規(guī)劃科學(xué)數(shù)據(jù)采集工作。同時(shí)，有效載荷數(shù)據(jù)段還將負(fù)責(zé)通過X頻段地面站網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)采集、科學(xué)數(shù)據(jù)處理和存檔，以及向氣象中心和整個(gè)科學(xué)界分發(fā)數(shù)據(jù)，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）負(fù)責(zé)風(fēng)廓線反演，地面站將在數(shù)據(jù)接收后5min內(nèi)完成處理。

“風(fēng)神”衛(wèi)星的主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品是1B級(jí)產(chǎn)品，包括經(jīng)過米散射通道和瑞利散射通道校準(zhǔn)的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)以及大量附加參數(shù)。1B級(jí)產(chǎn)品將在探測(cè)后3h內(nèi)發(fā)送至全球的一些氣象服務(wù)中心，對(duì)于指定地區(qū)可在30min內(nèi)傳送到達(dá)。在經(jīng)過溫度或壓力修正以及場(chǎng)景分類后，還有更高級(jí)別的2A級(jí)和2B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其中2A級(jí)產(chǎn)品將包含云和氣溶膠光學(xué)特性信息，2B級(jí)產(chǎn)品將包含水平視線風(fēng)場(chǎng)信息。此外，在歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心模型內(nèi)將2B級(jí)產(chǎn)品同化后，所獲得的產(chǎn)品為2C級(jí)產(chǎn)品。

5 結(jié)語

通過星載激光雷達(dá)直接測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)，能以前所未有的覆蓋區(qū)域和精度，提供高實(shí)時(shí)性、高精度、高分辨率的大氣風(fēng)場(chǎng)垂直分布信息，有效彌補(bǔ)全球天氣觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)三維動(dòng)力場(chǎng)觀測(cè)的不足?！帮L(fēng)神”衛(wèi)星作為多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的首個(gè)技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)，將為未來的天基風(fēng)場(chǎng)探測(cè)任務(wù)提供重要的技術(shù)支撐，憑借其出色的水平和垂直采樣能力，以及3h內(nèi)探測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的連續(xù)可用性，大大提高中短期業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)質(zhì)量，對(duì)未來天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)生不可估量的影響。