中國科學報：“中國數據”為全球大氣環境監測作貢獻
——記星載大氣成分遙感探測載荷研發團隊
時間：2024-06-04 作者：中國科學報 王敏
在安徽合肥西郊風景秀麗的科學島上，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱安光所）有一支隊伍，數十年來，潛心研制星載大氣成分遙感探測載荷，有力填補了我國在大氣成分數據方面的空白與不足，保障了“中國數據”的自主可控和真實可靠，為環境監管治理和氣象氣候研究提供了有力手段，提升了我國在環境外交中的話語權。
“近期獲得中國科學院科苑名匠團隊的榮譽稱號，是對我們工作非常大的激勵和鼓舞。”團隊負責人、安光所副所長熊偉告訴《中國科學報》。
首獲第一手“中國數據”
衛星載荷，就是衛星上裝載的實現特定衛星任務的儀器或設備。它相當于一臺高分辨率“太空相機”，可以給大氣“拍照”，獲取大氣成分數據。
“每一種氣體都有獨一無二的光譜信息，如同人的指紋。研究人員首先通過載荷獲取這種‘指紋信息’，分析出它是什么氣體，再根據光譜的深淺變化反演出氣體濃度變化，最終準確評估氣體的狀態及其影響。”熊偉說。
大氣環境除了與人們的生活息息相關，還與國家的環境外交有很重要的關系。
熊偉介紹，很長時間里，我國對污染氣體和溫室氣體的監測，比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等，主要依靠歐美及日本的衛星數據。因此，在很多環境污染問題上，中國顯得相對被動，很難有發言權。
2018年5月9日，我國首顆高分辨率大氣環境觀測衛星——高分五號01星成功發射。衛星上搭載了6臺有效載荷，其中3臺由星載大氣成分遙感探測載荷團隊研制。這3臺載荷使得我國從此可以定量獲得空氣質量變化、污染氣體分布輸運的數據。
隨后，針對我國對大氣成分數據的迫切需求，星載大氣成分遙感探測載荷團隊多次承擔了高分專項、空間基礎設施等重大專項中高分五號02星、環境減災二號衛星以及陸地生態系統碳監測衛星等16顆衛星、多類型20臺/套載荷的研發。
“這些載荷對中國獲取、分析全球大氣環境數據，最終發布‘中國數據’起到了重要作用，為我國增強氣候變化監測、環境監測、應急減災等方面能力提供了重要支撐。”熊偉表示。
將載荷“搬上”衛星
2011年12月，星載大氣成分遙感探測載荷團隊首次承擔高分五號01星載荷研制項目，正式邁上航天載荷的研制征途。“研發的設備能跟隨衛星上天，這是科技工作者的榮耀。”熊偉說。
在此之前，他們一直在研發地面探測設備，并取得了諸多成果。這為航天載荷研制奠定了堅實基礎。
衛星載荷研制最大的難點在于提高精確度。“比如，目前二氧化碳濃度已達420ppm，而它一年的變化量只有1ppm，載荷首先要在萬米高空上‘拍到’1ppm這么小的變化量，然后測算出它變化了多少，技術上的挑戰是非常大的。”熊偉說。
不同于一般項目，航天項目都設有嚴格的時間節點。“時間緊、任務重，是研制的另一個難點。所以加班加點是常有的事。”熊偉說。
同時，把衛星載荷這些“大家伙”從實驗室“搬上”衛星，還需要“過五關、斬六將”，在進入發射場前，還會進行震動試驗、高低溫試驗等整星試驗。
最重要的是，航天項目不可返工，必須一次成功。為確保衛星載荷“零差錯”，他們在載荷上裝載了一個定標裝置，這相當于一個秤的砝碼。
“我們把太陽當成一個標準源，通過比對載荷觀測太陽的變化，計算出載荷的衰變，進而修正載荷的觀測數據。”熊偉說。
一點點探索，一點點解決……團隊先后攻克了空間外差超光譜技術、痕量差分光譜探測技術、多角度偏振探測技術等多種關鍵技術，解決了在軌高精度定標及定量化應用等技術難題。
年輕的力量
2009年，在科學島上攻讀研究生的路美娜加入了星載大氣成分遙感探測載荷團隊。在導師的指導下，她擔起讓載荷“成像”的任務。
“簡單來說，就是讓載荷給大氣‘拍照’，把光信號轉換成電信號，對電信號進行采集及傳輸。”路美娜說，原理說起來都清楚，但實施起來卻無從下手，只能靠自己不斷嘗試、調試。
路美娜已記不清自己花了多長時間、經歷了多少次失敗，但一直記得載荷傳出圖像那一刻的感受。“真的特別激動。”
如今，路美娜對各種類型的載荷“成像”都輕車熟路。“做科研最重要的是獨立摸索，在過程中積累經驗，相信付出就會有收獲。”她說。
凌明椿也是從研究生階段進入團隊的。“老師們很注重對我們的培養，敢于放手讓大家嘗試，我們也得以迅速成長。”
2017年12月，星載大氣成分遙感探測載荷團隊承擔高分五號02星4臺載荷的研制工作。與01星不同，這次項目管理單位提出了“一步正樣”的要求，即衛星載荷研制階段直接從原先的原理樣機、工程樣機、初樣、正樣調整為正樣。
這給團隊帶來了很大的挑戰。彼時，路美娜、凌明椿等年輕力量挑起了大梁，他們站在前輩的“肩膀”上，一年時間內迅速研制出4臺衛星載荷。
熊偉介紹，衛星載荷研制涉及光學設計、機械設計、電子學設計、軟硬件開發、數據反演等多學科內容。目前，團隊擁有固定成員30多名，平均年齡35歲。團隊先后獲得安徽省科學技術進步獎一等獎2項、航天貢獻獎等多個集體榮譽和個人獎項。
在熊偉看來，與一群志同道合的同事朝著一個共同的目標，把一件原本認為不可能完成的事情做成了，滿足了國家的需求，這便是做科研最大的樂趣。
“未來，我們將進一步發展相關載荷技術，力爭為我國環境、氣象、資源、遙感等領域的科技自立自強作出更大貢獻。” 熊偉表示，目前，他們正在研制兩臺裝載在“大氣二號”衛星上的載荷。
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