美国首颗温室气体探测卫星—轨道碳观测－2于7月入轨

（北京空间科技信息研究所）

美国首颗温室气体探测卫星—轨道碳观测－2于7月入轨

龚燃（北京空间科技信息研究所）

美国航空航天局（NASA）首颗专门用于探测二氧化碳的卫星—轨道碳观测－2（OCO－2）于2014年7月2日由德尔他－2火箭成功发射。OCO－2是美国航空航天局“地球系统科学探路者”（ESSP）计划中的一项任务，主要用于观测地球大气的二氧化碳水平，进一步了解人类在温室气体排放、导致全球气候变化方面所扮演的角色。OCO－2将提供完整的二氧化碳（人为和自然产生）碳源与碳汇图像，并研究其随时间的变化。2009年2月24日，OCO－1由于“金牛座”火箭故障而导致发射失败。

1 卫星概况

OCO－2运行在705km高的太阳同步轨道，倾角98.2°，周期98.8min，重访周期16天，升交点赤道时间13：15。卫星发射升空后将加入“地球观测系统”（EOS）的“下午-列车”（A-train）卫星编队，与一系列其他地球观测卫星自由编队飞行。在编队飞行时，OCO－2运行在“水”（Aqua）卫星前约15min。

OCO－2是OCO－1的后续星，基于OCO－1研制。该卫星采用轨道科学公司的低轨星－2（LEOStar－2）卫星平台，三轴零动量稳定方式。姿态控制分系统（ACS）采用4个反作用轮控制俯仰、滚动和偏航角。一套3个磁力矩棒用于减缓动量轮的旋转。OCO－2使用OCO－1上的同类型古德里奇/伊萨科反作用轮和扭力杆。尽管如此，反作用轮还是进行了改进。姿态信息通过星跟踪器（索登公司研制）、微型惯性测量单元（MIMU，霍尼韦尔公司研制）和磁强计（古德里奇公司研制）提供。卫星轨道确定采用通用动力公司的GPS接收机。

该卫星主体结构为六棱柱体，长2.1 2 m，宽0.94m。电源分系统（EPS）采用砷化镓电池，由2副可展开太阳电池翼提供，当太阳光垂直入射时功率可达900W，镍氢电池容量为35A ·h。中央电子单元采用BAE系统公司的RAD－6000飞控计算机，对姿态控制、功率、推进和通信系统进行管理。

OCO－2数据传输系统采用L3通信X频段发射机和自安装X频段贴片天线，数据传输速率150Mbit/s，遥感器数据也可以通过S频段发射机或通过“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）系统传送至地面站；测控链路采用S频段接收机或1副全向天线。OCO－2使用泰雷兹-阿莱尼亚空间公司研制的S频段硬件来达到和OCO－1一样的性能需求，但其设计是全新和全数字化的。

“下午-列车”卫星编队

2 卫星有效载荷

OCO－2基本参数

OCO－2与OCO－1一样，只装载1台遥感器。该遥感器由汉胜遥感器系统公司研制，包含3个共孔径、长狭缝光栅、高分辨率成像光谱仪，可获取迄今为止最高精度的大气二氧化碳空间观测数据。这2颗卫星的遥感器几乎一样，主要变化是零部件更新，改进了一些已知的性能问题。

OCO－2星载光谱仪的目标是测量地球表面在氧气A波段（0.76µm）和二氧化碳波段（1.61µm、2.06µm）处反射的太阳光。每个光谱仪均可在光谱特定区域内进行测量，相应的焦平面可探测这些光谱范围内波长的细小区别。由于大气中的二氧化碳分子和氧分子只在特定颜色或波长吸收光能，抵达光谱仪的光线在那些特征波长会出现能量减弱。因此，该光谱仪采用了衍射光栅，由按规律平整排列的一组凹槽组成，可将光分解为多种颜色组成的谱段。OCO－2光谱仪的衍射光栅凹槽将进行精调，将光谱扩展至大量的窄波段或颜色范围内，以探测二氧化碳特征光谱图中波长范围内出现的所有变化。

这3个光谱仪采用相似的光学设计，并共用一个结构，包括1个低温制冷器、1副卡塞格林望远镜和1个光学组件，以及一些共用电子器件，以提高系统刚度和热稳定性。其中，低温制冷器能将光谱仪温度保持在－120℃左右，以减小其中每台相机光探测仪的测量误差；望远镜的主镜和副镜孔径一样，均为11cm；光学组件含折叠反射镜、分色光束分离器、带分离滤波器和二次成像镜。每个光谱仪均由狭缝、双透镜瞄准仪、光栅和双透镜相机组成。3个光谱仪结构几乎完全一样，其细微的差别包括涂层、透镜组和光栅、带通数量等。仪器光学系统的焦比范围为f/1.6～f/1.9。

为实现快速、高光谱分辨率的光学测量系统，OCO－2的哨仪兵器－2采卫用星折射和反射光学技术组合的形式。由于望远镜和光学组件中的光线没有分为3个不同的波段，这些仪器分系统主要采用反射光学系统。另一方面，极窄带通通道可忽略光谱仪中潜在的色差，使折射光学系统能有效使用。

OCO－2星载遥感器结构

OCO－2光谱仪光学系统方案示意图

每个光谱仪狭缝长约3mm、宽25µm，这些狭缝排成一行，可产生宽0.0001rad和长0.0146rad的共孔径视场。由于衍射光栅只有在偏振光与狭缝方向平行时才会有效传播，因此在狭缝前装有一台偏振器，在进入光谱仪之前过滤掉多余的偏振光，帮助生成背景散射光。一旦光线穿过光谱仪狭缝，便利用二元折射瞄准器进行校准，通过镀金的反射平面全息衍射光栅进行传播，然后在再次穿过带通滤波器后，利用二维焦平面阵列（FPA）上的二元镜头进行聚焦。带通滤波器位于焦平面阵列上方，冷却至180K时便可过滤掉穿过遥感器的热辐射。

与O C O－1的设计一样，O C O－2每个通道的光谱谱段和分辨率均包含整个分子吸收带以及附近的连续介质，以限制表面气溶胶和吸附性气体的光学特性。为满足这些要求，氧气A波段通道范围为0.7 5 8～0.7 7 2µm，光谱分辨率大于17000，二氧化碳通道范围为1.594～1.619µm和2.042～2.082µm，光谱分辨率均大于20000。

光谱仪光学系统可生成二维图像，焦平面阵列像素为1024×1024，像元大小为18µm。光栅在垂直于狭缝长轴方向传播1024像素的宽谱段。焦平面阵列上的狭缝图像半最大值全宽度（FWHM），在光传播方向以2～3个像素的频率进行采样。正常情况下，焦平面阵列可在3Hz频率下连续读出。为降低下行数据传输率，并增加信噪比（SNR），焦平面阵列中与狭缝平行维度的20个相邻像素（如焦平面阵列照明与读出方案图中的空间方向）在沿着狭缝处共能产生多达8个空间平均光谱。这些空间平均“超级像素”的沿狭缝视场角约为1.8mrad。

焦平面阵列照明与读出方案

OCO－2的3种观测模式

OCO－2星载遥感器参数

OCO－1遥感器采用1.61µm和2.06µm的二氧化碳通道的碲镉汞（HgCdTe）焦平面阵列和氧气A波段通道的混合硅激光（HyViSi）焦平面阵列，3个焦平面阵列均采用特里达因科学与成像公司的HAWAII－1RG型焦平面阵列。而OCO－2遥感器采用了新型HAWAII－1RG型焦平面阵列，该阵列采用了去除基片碲镉汞技术。采用新型焦平面阵列主要有2个原因：①没有足够的高质量备用碲镉汞焦平面阵列，无法为OCO－2仪器的二氧化碳通道提供飞行和飞行备用焦平面阵列。②OCO－2迫切希望减缓OCO－1预飞行试验期间混合硅激光焦平面阵列中发现的残余图像伪影。

新型焦平面阵列存在较小的低读出噪声。此外，该阵列对于氧气A波段通道和二氧化碳通道采样的波长较敏感，因此可以在3个通道均使用焦平面阵列。另外，碲镉汞焦平面阵列不存在混合硅激光焦平面阵列出现的残余图像问题。

由于高暗电流，OCO－1上2个二氧化碳通道的焦平面阵列温度保持在120K以下，而氧气A波段通道的焦平面阵列温度可低至180K以下。对于OCO－2仪器，焦平面阵列低温系统已重新设计，以保持3个焦平面阵列温度均低于120K。这样就可以确保在3个通道内均使用去除基片碲镉汞技术的焦平面阵列，同时也有利于在氧气A波段通道使用现有的混合硅极光焦平面阵列。

OCO－2具有3种工作模式。

1）天底模式：仪器直接指向地面，观测下方的地面，太阳高度角小于85°。

2）微光模式：仪器指向太阳光直接反射地表的位置。当地太阳高度角小于75°。微光模式增强了遥感器获取高精度测量数据的能力，特别是对于海洋上空的观测。此外，微光模式下观测海洋时还能提供更高的信噪比值。

3）目标模式：在卫星经过时，遥感器对某一特定表面目标进行连续观测（最长可持续9min）。目标模式可提供获取某地区上空二氧化碳大量观测数据的能力，而这些地区也可以采用地基和机载遥感器进行观测。OCO－2科学组将比较地基和机载遥感器所获得的数据，用于OCO－2遥感器定标和任务数据验证。

OCO－2观测模式示意图

OCO－2地面系统

3 卫星地面系统

OCO－2地面系统每天与观测站通信1次，每天都会出现目标观测区域。这些目标由验证小组在与轨道任务运行小组通信前选定。大量科学数据的下传需要高度自动化的科学数据处理系统，并在美国喷气推进实验室科学小组、轨道科学公司和戈达德航天飞行中心运行小组之间进行高度协调。OCO－2地面系统负责在每日的数据上传和下传时在各个小组之间进行协调。