大气环境监测卫星校飞试验设计与验证

董长哲，张 娟，石新宇，袁金如，王凤阳，张 扬，杨巨鑫，李朕阳

（1.上海卫星工程研究所，上海 201109；2.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800；3.中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

大气环境监测卫星（代号大气一号，DQ-1）是国际首颗同时采用主动激光、多角度、偏振、多光谱和高光谱等多种探测手段，实现对大气环境的高精度综合探测的卫星。DQ-1 卫星于2022 年4 月16 日成功发射，目前在轨运行稳定。

在大气一号发射之前，国际上在轨的、具有应用基础的卫星均采用单一手段进行探测。典型的有利用激光手段进行气溶胶探测的CALIPSO 卫星、利用高光谱手段进行二氧化碳监测的OCO-2 和GOSAT-2 卫星、利用偏振手段进行气溶胶探测的PARASOL 卫星等，没有一颗卫星上有主被动载荷数据融合使用而带来的多载荷协同观测体制问题。

另外，大气一号卫星上采用了国际上先进的探测技术，包括大气探测激光雷达（Aerosol and Carbon Detection Lindar，ACDL）、高精度偏振，不仅在国内无相关载荷在轨及可供研究的遥感数据，激光雷达采用的是后向散射，且具有高光谱探测和差分吸收探测双体制，国际上也未有先例。对于卫星探测效能检验与评价、地面同步开展的针对新研载荷数据处理及反演研究，真实遥感数据是重要的基础输入，也急需在卫星发射前，开展航空校飞获取新研载荷数据，用以地面数据处理及反演研究。同时，需要尽早开展新研载荷的偏振、激光波长定标技术及数据处理方法的研究，积累地面经验，以使卫星发射后及早投入应用。

航空校飞试验是验证星载遥感仪器原理以及性能的重要方法，能够模拟星载遥感仪器的探测，得到了国际遥感领域主流学界的公认。美国ASECNDS 计划采用差分吸收激光雷达进行大气中二氧化碳柱浓度探测，已开展了近十年的校飞试验验证。

针对以上考虑，在大气一号卫星研制初样阶段开展了多载荷综合探测航空校飞试验，验证ACDL探测性能以及双偏振载荷匹配探测原理，并为地面应用系统提供真实数据源，验证数据处理方法的正确性。

1 试验设备组成

大气环境监测卫星载荷校飞试验参试载荷包括激光雷达校飞样机、高精度偏振扫描仪校飞样机和同时偏振相机。为了获取辅助数据，同时在飞机上搭载了温湿风压传感器、CO2原位测量设备等设备，在试验前进行了标校，符合试验要求。同时为了开展地面比对，在地面布置了太阳光度计（CE318）、微脉冲激光雷达、偏振米散射激光雷达、温室气体原位测量仪等地面设备。校飞试验设备组成如图1 所示。

图1 大气环境监测卫星校飞试验设备组成Fig.1 Equipment component of the DQ-1satellite aerial experiment

其中，激光雷达校飞样机为星载仪器缩比样机（考虑校飞与卫星在轨运行高度差异，对激光发射能量、样机接收视场角进行了适应性更改，确保雷达样机与星载雷达接收到的回波信号强度相当），高精度偏振扫描仪校飞样机为工程样机，同时偏振相机为替代多角度偏振成像仪（由于多角度偏振成像仪是利用运动补偿实现像元配准，其设计针对特定的轨道高度，不适用于机载试验）。

针对本次试验，新研了激光雷达校飞样机，改造了高精度偏振扫描仪工程样机（样机与星上单机指标比对见表1），采购了同时偏振相机（相机与星上单机指标比对见表2），并对3 台校飞仪器进行了验收测试（如图2 所示），测试结果均满足要求。试验时，不同的地面观测站上布置了不同的仪器。具体的分布站点和仪器见表3。

表1 ACDL 星载与机载指标对比Tab.1 Comparison of the spaceborne and airborne indexes for the ACDL

表2 双偏振载荷星载与机载指标对比Tab.2 Comparison of the spaceborne and airborne indexes for the dual polarization payload

表3 地面站分布及携带的仪器Tab.3 Distributions and instruments of the ground stations

图2 大气环境监测卫星校飞试验载荷Fig.2 Payloads of the DQ-1 satellite aerial experiment

2 飞行试验方案

本次校飞试验采用Y8F-750 号（运八）飞机作为试验载机，搭载星载设备进行对地观测，如图3 所示。Y8F-750 号运输机是中国航空工业陕西飞机制造公司研制的四发涡轮螺桨中程运输机，隶属于中国飞行试验研究院。飞机的巡航速度为350～480 km/h。整个校飞试验方案包括飞机改装、地面试验和飞行试验3 部分。

图3 校飞试验用Y8F-750 号飞机Fig.3 Y8F-750 airplane for the aerial experiment

2.1 飞机改装方案

考虑到机载设备的重量和工作模式，将激光雷达、偏振相机等数据采集设备统一安装在前机身左侧机腹的吊舱内，如图4 所示。吊舱中段底部分别为激光雷达载荷/偏振载荷设置有一个平面凹陷与两个开口，以确保证视场内无任何遮挡。其余电子机柜、温湿风压传感器、CO2原位测量装置等设备安装在货舱前部的气密套舱内。

图4 吊舱在飞机上的安装布局Fig.4 Layout of the pod installation on the aircraft

为保证参试仪器的温度和压力环境，飞机新增一套环控增压和氧气系统，货舱后部加装了一套液冷系统，吊舱的挂装位置确定在运-8/750 飞机前机身12 框-19 框左下侧壁板处，气密套舱安装在货舱前部13-21 框处。

2.2 地面试验方案

飞机改装完成后，进行载荷与机上全系统地面联试，对被试设备工作状态、与机载航电设备的电磁兼容性进行检查。

1）载荷地面联调测试。

改装完成后，进行载荷通电联调，检查被试设备工作是否正常，各被试设备之间是否存在干扰现象。

2）电磁兼容性定性检查。

3）电源车供电检查。

检查各被试设备机械安装是否牢靠，信号、电源等电气接口匹配性是否协调。用地面电源车对被试系统、机上相关机载设备供电，检查被试系统工作状态，与机上相关设备能否兼容工作。

4）发动机供电检查。

载机地面开车，用机上电源对被试系统、机上相关机载设备供电，检查被试系统工作状态，与载机上航电设备能否兼容工作。

2.3 飞行试验方案

本次校飞试验场地选择阎良机场与山海关机场，任务区域安排在山海关机场空域范围内，如图5所示。在阎良机场开展飞机平台与被试设备检飞等工作，在山海关机场开展空域适应性试飞以及任务试飞工作。

图5 山海关机场空域范围Fig.5 Airspace range of the Shanhaiguan Airport for the aerial experiment

根据给定的山海关机场空域范围，在设计飞行航线时尽量覆盖城市、山区、海洋等多种地形地貌，同时考虑航线尽可能靠近北戴河、抚宁、绥中等地面观测站点，通过与试飞院以及空管的多轮协调，飞行航线如图6 所示。

本次飞行试验主要包括改装后平台检飞、参试设备检飞、山海关空域适应性试飞、高度4 km 左右晴朗条件大气环境监测试飞、高度4 km 左右污染条件大气环境监测试飞、高度2～8 km 晴朗条件大气环境监测试飞等内容，具体内容见表3。

3 试验过程

3.1 地面改装及测试过程

2018 年11 月29 日被试系统进入试飞院进行地面联试，卫星总体、载荷单位相关人员对激光雷达、双偏振仪器进行地面测试，为装机做好准备，如图7、图8 所示。

图7 激光雷达阎良地面测试Fig.7 Test for the ground in Yanliang District by the ACDL

图8 双偏振仪器阎良地面测试Fig.8 Test for the ground in Yanliang District by the dual polarization instrument

3.2 飞行试验过程

卫星载荷校飞样机利用中国飞行试验研究院Y8F-750 号运八飞机共飞行了14 架次，其中9 次进行了探测数据采集，见表4。

表4 大气环境监测卫星载荷校飞试验执行情况Tab.4 Progress of the DQ-1 aerial experiment

从1 月9 日第一次平台检飞开始，在2 个多月的时间内共完成了3 次平台检飞、2 次系统检飞、1 次空域试飞、4 次气溶胶探测飞行、2 次CO2探测飞行以及2 次转场飞行，共计14 架次飞行试验。试验中飞机和载荷工作正常，获取了有效探测数据。

此外，在山海关飞行试验期间，地面观测站点也同步采集了数据，与飞行数据进行了比对研究。

4 试验数据处理

对激光雷达和双偏振载荷机载样机在飞行试验中获取的遥感数据进行了处理，通过反演获取了CO2柱浓度、气溶胶垂直廓线、气溶胶光学厚度等应用产品，并与地面设备获取数据进行了比对，一致性较好。

4.1 激光雷达试验数据处理

1） CO2数据处理结果。

采用2019 年3 月14 日进行了7 km 飞行高度的激光雷达飞行校验试验数据进行处理和反演。为了研究碳的汇和源，所选飞行区域依次经过了海洋、陆地及山地3 种地形。飞过相应区域对应的时间、地形及对应激光落脚点的高度如图9 所示。

图9 2019 年3 月14 日飞行路线及高度Fig.9 Flight route and flight altitude of the aerial experiment

图10 激光雷达与原位测量仪测量结果的对比Fig.10 Comparison of the results measured by the ACDL and the in-situ measuring instrument

将机载激光雷达测量CO2柱线浓度数据与机载原位测量仪获得的单点数据进行对比分析，两者相关性达到92.67%。

选取了陆地区域如图11 所示，对应时间为11：31：49—11：33：20，反演的柱线CO2浓度为427.94×10-6，标准偏差为0.975×10-6。

图11 选取陆地部分区域计算的XCO2浓度偏差Fig.11 XCO2 concentration deviation calculated from parts of the land

4.2 气溶胶数据处理结果

同样选取2019 年3 月14 日飞行数据进行处理反演。通过3 月14 日机载探测数据反演得到的气溶胶后向散射系数廓线和退偏系数廓线等参数随时间和高度的变化如图12 所示，气溶胶消光系数廓线如图13 所示，气溶胶激光雷达比廓线如图14所示。

图12 2019 年3 月14 日气溶胶后向散射系数廓线/退偏廓线Fig.12 Profiles of the aerosol backscatter coefficient and depolarization on March 14，2019

图13 2019 年3 月14 日气溶胶消光系数廓线Fig.13 Aerosol extinction coefficient profile on March 14，2019

选取飞机经过地面抚宁站临近时刻的气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）进行对比，由图15 可知，机载532 nm 高光谱通道在临近地面时刻的光学厚度的变化趋势和数值与地面CE318的一致性良好，说明532 nm 高光谱通道数据探测气溶胶光学厚度的准确性。

图15 临近时刻机载532 通道和CE318 AOD 对比Fig.15 Comparison of the AOD of the airborne 532 channel and CE318 at the approaching moment

将机载532 nm 高光谱通道数据（High Spectral Resolution Lidar，HSRL）与地面微脉冲激光雷达（Micro Pulse Lidar，MPL）获取的532 nm 探测通道后向散射系数对比（如图16 所示），黑色实线是机载532 nm 通道的测量结果，蓝色虚线是微脉冲激光雷达的测量结果，从比较结果可以看出，机载激光雷达与地面微脉冲激光雷达的观测结果具有很好的一致性，两者都可以探测到大约3.3 km 高度的边界层高度。

图16 机载HSRL 与地面MPL 获取的532 nm 探测通道后向散射系数对比Fig.16 Comparison of the backscatter coefficient of the 532 nm detection channel obtained by the ground MPL with the airborne HSRL

将机载532 通道后向散射系数与美国CALIPSO 卫星数据进行对比（如图17 所示），CALIPSO 卫星过境时间比飞机晚12 h 左右，机载星下点与CALIPSO 卫星星下点地理位置相差120 km 左右。从对比结果看，后向散射系数廓线趋势以及数值方面较为接近，在3.5 km 高度左右都探测到了气溶胶层。

图17 CALIPSO 卫星与机载532 高光谱后向散射系数对比Fig.17 Comparison of the backscatter coefficient of the airborne 532 channel obtained by the ACDL and CALIPSO satellite

4.3 双偏振载荷试验数据处理

采用双偏振载荷2019 年3 月9—19 日4 个架次的飞行试验数据进行处理和反演。2019 年3 月11日秦皇岛观测点的双偏振仪器飞行探测的目标Stokes 参数、偏振度、偏振反射率随探测角度变化的曲线如图18 所示。

图18 目标Stokes 参数、偏振度、偏振反射率随探测角度变化曲线Fig.18 Curves of stokes parameter，degree of polarization，polarization reflectivity over detection angles

续图18 目标Stokes 参数、偏振度、偏振反射率随探测角度变化曲线Continue fig.18 Curves of stokes parameter，degree of polarization，polarization reflectivity over detection angles.

对比数据选取同架次2 次飞过秦皇岛地基观测站点时的双偏振载荷与CE318 观测数据，并代入到反演程序中进行反演得到AOD。选取同时刻CE318 产品中675 nm AOD 进行验证。对比结果见表5。从数据中可以看出：双偏振载荷的AOD 结果普遍略小于CE318 的AOD，原因是机载数据获取的是地面至飞行高度的AOD，而地面仪器获取的是整层AOD。综合4 个架次观测，偏振载荷反演的AOD 与CE318 的AOD 结果一致性较好，试验进行时大气AOD 范围约在0.1～0.4 之间，平均反演误差约为0.027 8。

表5 偏振载荷与CE318 反演的光学厚度对比Tab.5 Comparison of the AOD results of particulate observing scanning polarimeter and CE318

秦皇岛当地天气状况为架次1 和架次4 为轻度污染，架次2 为晴天，架次3 为多云天气，见表5。由表中可以看出，气溶胶的时间变化特性与天气状况的改变是对应的。在晴好、干净的天气，气溶胶光学厚度明显小于轻度污染的情况下。

将机载数据反演的670AOD 与CE318 给出的产品对应相对应，2 个传感器反演结果散点验证如图19 所示。由图19 可知，两传感器给出的AOD 结果相关性较强。

图19 机载仪器AOD（τ670）与CE318AOD（τ675）对应散点Fig.19 Scatter diagram of the airborne instrument AOD（τ670）and CE318 AOD（τ675）

5 结束语

大气环境监测卫星校飞试验综合考虑了试验设备、飞机改装、飞行区域和路线、地面观测站点等因素，于卫星研制初样阶段成功完成。整个飞行试验过程中，机载与地面探测仪器均表现良好，获取了有效探测数据，并对机载探测数据进行了处理反演，结果与地面观测结果进行了比对，有较好的一致性。

本次试验成功验证了三波长双体制ACDL 以及双偏振融合探测原理，可以实现CO2柱浓度1×10-6精度的探测，能够获取大气气溶胶垂直廓线信息，且为地面应用系统提供了真实数据源，对激光以及双偏振的数据处理方法进行了初步验证，为大气环境监测卫星在轨效能保证奠定了坚实的基础，也为后续光学遥感校飞试验积累了大量工程经验。