首个星载全球大气风场激光雷达成功发射

宋晶晶(北京空间科技信息研究所)

2018年8月22日，欧洲航天局的大气动力学任务-风神（ADMAeolus）卫星搭载“织女星”运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，顺利进入轨道。该卫星首次实现从太空对全球大气风场进行三维观测，获取对流层和较低平流层的垂直风廓线图，所提供的数据有助于科学家进一步完善目前已知的大气特征参数，提高建模和地球大气分析的技术水平，增强对大气动力学和气候过程的了解，为提高天气预报质量和气候学研究做出直接贡献。

1 研制历程

自20世纪80年代起，欧洲航天局一直在进行测风激光雷达技术的研究工作，针对任务的可行性研究于1998年启动。1999年，大气动力学任务-风神卫星被选中为欧洲航天局的第4个“地球探索者”（Earth Explorer）核心任务，该任务也是欧洲航天局“生命星球”（Living Planet）计划的一部分，又被称为“风神”（Aeolus）卫星，整个任务的成本预计约4.8亿欧元。卫星系统的方案设计工作始于2002年7月。2003年10月，欧洲航天局与阿斯特留姆公司（Astrium）（现空客防务与航天公司）签署合同，授予阿斯特留姆公司为“风神”任务的总承包方，同时还由其负责主要有效载荷大气激光多普勒雷达（ALADIN）和卫星平台电子分系统的建造工作。

“风神”卫星最初计划于2007年发射，但其主载荷——大气激光多普勒雷达在研制过程中遇到大量问题而进行多次设计更改，其中在2010年秋季将激光器的工作模式由“触发模式”（burst mode）更改为“连续模式”（continuous mode），是对其设计基线进行的最重大的一次更改，从而导致仿真器以及地面有效载荷数据处理软件也需要进行相应升级，由此造成“风神”卫星的发射日期一再被延期。最终空客防务与航天公司于2016年8月完成有效载荷交付，2016年10月完成卫星总装并开始进行测试。

“风神”卫星任务旨在验证采用新的激光技术从太空对全球风廓线进行测量，因此被看作是为了将未来气象卫星用于地球大气风场测量而铺平道路的一个先驱任务。大气激光多普勒雷达的测量数据对于提升热带区域的数值天气预报水平尤其关键，它不仅是全球首个天基测风激光雷达，还是首个用于获取气溶胶/云光学特性（后向散射和消光系数）的高光谱分辨率激光雷达（HSRL）。

2 卫星设计及性能

“风神”卫星的飞行轨道高度约为400km，轨道倾角为97°，发射质量约为1366kg，其中有效载荷占460kg，发射时的尺寸为1.74m×1.9m×2.0m，卫星体装有2个可展开的太阳电池翼，长度跨越13m，设计寿命为3年。卫星平台由空客防务与航天公司研制，是基于欧洲航天局包括“冷卫星”（CryoSat）和“罗塞塔”（Rosetta）探测器在内的其他任务建造，该平台采用了技术较为成熟的传统箱型结构，以相对简单的操作为设计目的，从而降低了整个生命周期的运营成本，对未来与“风神”相似的卫星投入业务应用极为重要。

“风神”卫星结构图

3 有效载荷

大气激光多普勒雷达是“风神”卫星携带的唯一一个大型有效载荷，它的设计目标是实现全球覆盖。由于大气激光多普勒雷达单次发射产生的信号较弱，因此在对应地面50km的观测距离内将发射700个激光脉冲进行累加和集成，通过平均多点光束重叠，可获取更高精度的风场廓线图。大气激光多普勒雷达具有单一固定视距，所有测量都沿着视线方向进行。

大气激光多普勒雷达由空客防务与航天法国分公司研制，是一个非相干直接探测多普勒测风激光雷达，由一个边缘成像接收器（用于分析气溶胶/云后向散射信号）和一个双边接收器（用于分析大气分子后向散射信号）结合而成，共有3个通道，其中2个通道用来接收大气分子信号，1个通道用来接收气溶胶/云信号。该遥感仪器采用了突破性新技术，由一个强大的激光发射器组件、一个光机系统和一个接收器组件组成，工作在紫外谱段，向大气发射激光脉冲，并接收后向散射信号。仪器质量500kg，平均功率840W，最大数据率11kbit/s。

卫星测量几何原理图

大气激光多普勒雷达主要指标

大气激光多普勒雷达结构示意图

4 地面处理及应用

“风神”卫星的主要任务目标包括：①对高度0～30km的全球大气风廓线进行测量；②以1m/s的风速精度，对地表（高度0～2km）的大气风场进行测量；③以2m/s的风速精度，对自由对流层内（高度0～16km）的大气风场进行测量；④确定50km足迹内的平均风速以及每小时测量120个风廓线。

“风神”任务的观测要求和预期指标

“风神”卫星由欧洲空间运行中心（ESOC）位于瑞典基律纳的地面站运行，该地面段将采用最新的SCOS—2000任务控制系统（第5版），有效载荷的测量数据由位于挪威斯瓦尔巴特群岛的地面站接收，卫星每向前移动50km时获得一个风廓线图，测量数据每90min被传送到地面站。卫星地面系统的2个主要部分是飞行控制中心（FOS）和有效载荷数据段（PDS）。在整个任务期间，位于意大利弗拉斯卡蒂欧洲空间研究所（ESRIN）的有效载荷数据段都将获得设施和服务，用于规划科学数据采集工作。同时，有效载荷数据段还将负责通过X频段地面站网络，进行测量数据采集、科学数据处理和存档，以及向气象中心和整个科学界分发数据，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）负责风廓线反演，地面站将在数据接收后5min内完成处理。

“风神”卫星的主要数据产品是1B级产品，包括经过米散射通道和瑞利散射通道校准的风速观测数据以及大量附加参数。1B级产品将在探测后3h内发送至全球的一些气象服务中心，对于指定地区可在30min内传送到达。在经过温度或压力修正以及场景分类后，还有更高级别的2A级和2B级数据产品，其中2A级产品将包含云和气溶胶光学特性信息，2B级产品将包含水平视线风场信息。此外，在欧洲中期天气预报中心模型内将2B级产品同化后，所获得的产品为2C级产品。

5 结语

通过星载激光雷达直接测量大气风场，能以前所未有的覆盖区域和精度，提供高实时性、高精度、高分辨率的大气风场垂直分布信息，有效弥补全球天气观测系统对三维动力场观测的不足。“风神”卫星作为多普勒测风激光雷达的首个技术验证任务，将为未来的天基风场探测任务提供重要的技术支撑，凭借其出色的水平和垂直采样能力，以及3h内探测数据产品的连续可用性，大大提高中短期业务预报质量，对未来天气预报产生不可估量的影响。