日本“地球環境變化觀測任務”衛星

□□1997年,在《聯合國氣候變化公約》締約方第3次會議上，日本承諾研制發射“溫室氣體觀測衛星”（GOSAT）和由6顆星組成的“地球環境變化觀測任務”（GCOM）衛星。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）于2004年1月發射了GOSAT，同時計劃2012年夏天在種子島宇航中心發射GCOM的第1顆衛星—地球水環境變化監測衛星－1（GCOM-W1）。

1 GCOM概況

GCOM研制背景及衛星簡介

1997年12月，在日本京都召開了《聯合國氣候變化公約》締約方第3次會議，所有締約國參加了這次會議。會上，締約國全面、認真地討論了臭氧層遭破壞、全球氣候變暖、自然災害頻發等狀況及其給人類生活帶來的嚴重危害，提請所有入會國在氣候變化框架條約的基礎上簽訂了《京都議定書》。議定書對限制發達國家溫室氣體排放量提出了具體要求，明確規定，到2010年，發達國家二氧化氮等6種溫室氣體的排放量必須比1990年減少5.2%等量化數據，確定條約于2005年2月16日正式生效。在這次會上，日本承諾率先研制并于2008年夏季（實際2009年1月3日）發射GOSAT，同時保證在2009－2013年的5年間向議定書簽字國無償提供GOSAT的觀測數據；美國也承諾研制和發射“軌道碳觀測”（OCO）衛星，但因火箭故障，未能按預定程序要求拋掉整流罩致使該衛星墜入南極洲海域；按會議要求，日本還要研制和發射由6顆星組成的GCOM衛星。

為實現《聯合國氣候變化公約》締約方第3次會議的承諾， JAXA從2005年4月開始GCOM的概念設計，確定GCOM由6顆星，即3顆GCOM－W衛星（GCOM－W1、W2、W3）和3顆GCOM－C衛星（GCOM－C1、C2、C3）組成，旨在構筑一個可全面、有效進行空間觀測的系統，利用這一系統，通過長期（10～15年）、高精度、不間斷地觀測，為監測和保護人類環境服務。它們將從2012年開始先后發射入軌，為達到長期觀測的目的，每顆星還配備2顆后繼星，計劃在上顆星完成預定飛行任務的前一年發射其后繼星，以便留有足夠的時間確認衛星的性能，完成對星上觀測遙感器進行比較、校正，確保觀測精度，并確認星上儀器的穩定性，確保它在正式接替上一顆星后可繼續不間斷、高水準地執行觀測任務，為用戶提供高可靠性的觀測數據。

在JAXA的支持下，日本電氣公司（NEC）以招標方式成為GCOM衛星的主承包商，負責衛星公用艙的研制，并與NEC-東芝空間系統公司（NTS）一起負責其主要姿態控制核心部件和遙感器的研制。

如何縮短衛星觀測數據傳遞的潛隱狀態時間（從獲取觀測數據到向用戶提供應用數據且傳送到應用現場所需的時間）非常重要，因此被列為重要的攻關課題。通常，氣象預報用觀測數據的有效期僅為3h。GCOM衛星每天繞地球運行14圈，每圈在北極附近的斯巴爾巴托站接收數據，接收到的數據立即被傳送回設在日本的接收站，這樣，就可大幅度地縮短數據傳遞的潛隱狀態時間，這種實時向地面站傳送觀測數據的方式，可充分滿足用戶對數據的即時性要求，確保用戶在最短的時間就可獲取滿意的實時數據。

GCOM地面系統

作為GCOM的總負責機構，JAXA不僅負責衛星總體設計以及計劃的審定、綜合管理和星載遙測數據評價，還將統籌在軌運行與應用管理；筑波空間中心負責利用JAXA的地面網絡系統下達衛星控制指令，并獲取衛星運行狀況的遙測數據。

利用GCOM進行長期、不間斷的觀測計劃

測試中的GCOM－W1衛星

為進一步拓寬GCOM的每顆衛星觀測數據的應用范圍，還構建了網頁并向用戶開放，這樣不僅從事氣象變化研究的機構、大學和研究所，即便是普通研究人員也可利用網絡簡便地下載其所需的信息，實時地開展各項研究與應用。

為滿足對第1、3、5發星（GCOM－W1、W2、W3）和第2、4、6發星（GCOM-C1、C2、C3）的試驗、發射和應用需求，GCOM地面系統起碼必須滿足長達20年的運行與管理、應用要求。因此，在開發GCOM地面系統時采取了以下有效對策：

1）必須確保系統既能在短時間內滿足衛星應用計劃需求，又可通過及時改造成為足以滿足長期計劃需求的高可靠系統。

2）必須確保系統成為一個既可長時間進行衛星數據處理，又可生成指令的系統。

3）必須使系統成為一個可用于長期評價衛星遙測數據的高可靠系統。

4）必須使系統成為迄今可以最快速度接收衛星所提供的各種觀測數據，特別是接收實時遙測數據的最先進的接收站。

5）必須確保系統成為一個既可處理各項觀測數據，又可精確地計算出各種物理量的系統。

6）通過調動公開招募的研究人員與筑波空間中心的研究人員的積極性，使之精誠合作，共同開發出一種實用、可精確計算出所需物理量的算法。

7）必須使這一系統成為一個既可長期、安全地保存所計算出的各種物理量，又可向用戶（既包括研究機構，也包括普通研究人員）實時地提供所保存的這些物理量和衛星數據的系統。

利用這一系統必須能夠完成包括結構、微調、正弦波、振動、沖擊、音響、真空、電波、輻射、電磁相容性，以及衛星各分系統、整星試驗等在內的衛星發射前所必須進行的全部試驗，以確保衛星可按計劃要求準時發射。

GCOM－W1和GCOM－C1分別于2006年和2007年開始研制。前者的研制工作順利，已利用地面系統對GCOM－W1衛星進行了除系統聯試之外的所有試驗，衛星將于2012年發射；后者的研制和試驗也進行得比較順利，衛星計劃于2013年發射。

GCOM衛星的主要性能參數

2 GCOM衛星的主要特點

NEC公司有開發“向日葵”系列氣象衛星（GMS）、先進地球觀測衛星-1、2（ADEOS－1、2）和“先進陸地觀測衛星”（ALOS，也稱大地號）的經驗。JAXA 和NEC 等認真查找了ADEOS－1、2在軌運行所出現的故障，深入分析了其原因，總結了其成功經驗和失敗教訓，從提高可靠性、確保在軌運行壽命與應用成效，有效地降低衛星質量（控制在2t之內）和控制開發成本的角度考慮，采用新的系統工程設計理念完成了GCOM衛星設計。

最大幅度利用現有的成熟技術

JAXA在向宇宙開發委員會所遞交的報告書中承諾：一定要最大幅度利用現有的成熟技術，在最短時間內研制出一種性能可靠、運行穩定且低成本的公用艙。GCOM衛星第一期工程參考了美國航空航天局（NASA）的技術準備等級（TRL）等一系列文件，結合日本本國的實際情況，制定了日本國家技術準備等級標準，并分9個步驟對經飛行考驗的ALOS、“超高速互聯網衛星”（WINDS）和“月女神”（SELENE）等的儀器和技術進行了逐一評價，并從技術管理角度將GCOM衛星第一期工程分為4個階段，評價其技術成熟度和技術變更程度及其隱含的危險率；而對那些關鍵儀器和部件，則研制了開發模型，并以試驗的方法進行性能評價，確認其性能，從而達到確保可靠性和縮短研制周期的目的。

GCOM衛星第1期工程所采用的成熟技術

全面提高可靠性

GCOM系列衛星第一期工程采用了GOSAT所采用的雙電源系統和雙太陽電池翼系統，也就是說電源系統向星載儀器供電所采用的是雙系統設計：無論是太陽電池翼還是電源總線中的任何一個系統出現故障，衛星的公用艙都不會喪失功能。此外，還設計了被稱之為“簡并化模式”的衛星工作模式，可做到縱然太陽電池翼系統和電源系統中有一個系統出故障，衛星仍可繼續執行飛行任務；即便電源系統的供電能力減半，依然能夠繼續進行觀測，這樣可有效地提高衛星的生存能力。

其實，設計者不僅在衛星公用艙，而且在如何提高觀測遙感器可靠性方面也采取了許多有效對策，如AMSR－2不僅繼承了經在軌飛行驗證證明性能可靠的AMSR、改進型高性能微波輻射計（AMSR-E）的成果，而且穩妥地采用了冗余設計：在信號處理部分以及用于對AMSR－2進行角動量補償的動量輪等均采用了冗余設計，這樣就可有效地降低，乃至杜絕因單點故障所可能造成的衛星無法完成整個飛行任務等風險；而對SGLI[由可見光近紅外輻射計（VNR）和紅外掃描輻射計（IRS）兩個模塊組成]則采取了VNR和IRS系統中輻射計部分所采取的彼此獨立設計等措施，以提高魯棒性。

GOSAT衛星在軌示意圖

通用化設計

GCOM－W1、W2、W3和GCOM－C1、C2、C3這6顆衛星均采用統一的箱型公用艙，其殼體上配備桁架結構體，結構體上搭載觀測遙感器等與執行任務有關的飛行任務儀器；公用艙上的儀器和設備80%以上均為標準化、通用化、系列化設計的部件。

系統工程管理

GCOM－W1衛星外觀及主要部件配置圖（左），GCOM－C1衛星外觀及主要部件配置圖（右）

GCOM衛星自第一期工程起就采用JAXA先進的系統工程管理方法，重點抓提高各類人員和團隊的素質問題；通過建立一個高素質的開發、管理隊伍和構筑一個完善的可有效防止人為差錯的防御網，并從加強對設計、采購、制造、組裝的質量跟蹤管理入手，努力提高分系統、系統的研制水平，確保可靠性，降低風險度。做到：從最高決策者到全體參加設計的工程師都具備根據飛行任務要求，可實時、高效、跟蹤和分析星載系統、地面管控、操作系統等是否滿足系統設計規格明細、衛星系統開發規格明細，乃至產品出廠檢測文件—設計規格明細等的要求，特別是對最高決策者，要求不僅要具備確認其領導的各級各類人員的這種追蹤能力的強弱，還要具備根據對其直接管理的高層人員的追蹤狀況以及獲取的信息，定期地對他們進行能力分析，早期發現其薄弱環節，實時、有針對性地對其每位直接管理的高層人員提出從各系統設計規格明細到衛星運行等管理方面的具體要求，以及各部門、各關鍵崗位可能出現和亟待解決的問題、應采取的對策，及時更改設計規格明細中的相關文件等，以確保設計和加工的正確性，開發的有序性，試驗的順暢性，從而盡最大可能有效地防止人為差錯，達到好、快、省的開發，并將這一系列的每顆星都按計劃送入預定軌道，順利完成既定飛行任務的目的。

GCOM－W1衛星的主要監測參數

3 GCOM－W1

早在2009年就已完成GCOM－W1衛星的詳細設計，2010年8月完成了GCOM－W1飛行樣機制作，自2011年初開始系統聯試，原計劃2011年秋用H－2A火箭將GCOM－W1和“韓國多用途衛星”（KOMPSAT）發射到預定軌道上。

公用艙

6顆GCOM衛星的公用艙采用的都是以日本ALOS公用艙（NEC公司研制）為基礎，經認真修改實現部件小型、輕型化，大幅度增加有效載荷比的中型衛星的公用艙。它分別由遙測、跟蹤與控制系統（TT＆C），飛行任務數據處理系統（MDHS），展開監控系統（DM），太陽電池翼系統（PDL），電源系統（EPS），姿態、軌道與控制系統（AOCS），推進系統（RCS），熱控系統（TCS）和儀表系統（INT）組成。各系統特點如下：

（1）遙測、跟蹤與控制系統

GCOM衛星公用艙的遙測、跟蹤與控制系統采用ALOS上所使用的的數據處理系統，以及已在日本多顆衛星上采用的射頻系統等成熟技術。

（2）飛行任務數據處理系統

為確保滿足對全球觀測和實時信息傳輸等飛行任務要求，飛行任務數據處理系統采用了日本SELENE上的數據處理系統/通信系統的成熟技術。

（3）展開監控系統

展開監控系統采用WINDS上所使用并證明性能穩定、可靠的展開監控系統。

（4）太陽電池翼系統

GCOM衛星采用WINDS衛星上的太陽電池翼，可確保提供4000W以上的電能，即便是太陽電池雙翼中有某一翼喪失供電能力，仍可確保在壓縮少量應用項目后的供電需求。

（5）電源系統

其電源系統采用SELENE用的雙電源系統，其主要特點是供電能力強，夠經受住空間苛刻的環境考驗，而且噪聲低。它采用交叉緊固夾板式雙總線連接，萬一太陽電池翼系統中某一翼出現故障，該電源系統仍可通過提供蓄電池的全部蓄能來確保衛星在設計壽命期間圓滿地完成各項觀測任務。

（6）姿態、軌道與控制系統

GCOM－W1衛星 姿態、軌道與控制系統原封不動地繼承了在軌積累了豐富運行和管理經驗的ALOS衛星的姿態、軌道與控制系統星載計算機的先進技術：配備64位MPU控制器，采用三重冗余設計，在軌運行期間即便發生諸如因強輻射等原因導致出現的軟件差錯等，依然可保證計算機安全連續運行，確保完成飛行任務。

GCOM－W1的 姿態、軌道與控制系統配置12個4N的推力器，其中8個用于姿態控制，4個用于軌道控制。這樣，即便配備直徑達2m天線的AMSR－2出現異常，產生大的干擾力矩，軌道控制推力器出現雙重故障時，仍可確保提供軌道控制運行所需的推力。

（8）熱控系統

熱控系統采用以電子控制方式為主系統，機械控制方式為輔系統的雙重熱控系統。這樣即便電子控制方式出現雙重故障，仍可以機械控制方式有效地工作完成熱控任務，保證星載儀器在設計容許的溫度范圍內有效地工作，確保完成全部飛行任務。

（9）儀表系統

衛星的三大分系統—飛行任務、公用艙和推進系統的儀表系統全部采用分離模塊結構，所以可采用并行方式進行組裝集成，縮短了制作時間，確保有足夠的試驗時間。此外，GCOM－W1與GCOM－C1衛星的公用艙模塊和反作用控制系統模塊不僅設計成完全通用，而且在設計時還充分考慮了這兩個模塊必須滿足AMSR－2在軌所要執行的飛行任務的要求。

AMSR-2

AMSR－2是在NTS公司為ADEOS－2研制的AMSR和為NASA“水”（Aqua）衛星研制的AMSR－E的基礎上，研制、配有當今世界上最大主反射鏡（2m）的新型圓錐掃描式波輻射計。它包括主反射鏡、微波輻射接收機，在軌運行期間，其轉速為40r/min，與地表觀測站點的垂直入射角為55°。它是一種在對地表進行掃描（掃描寬度為1450km）的同時，以微波方式對地表放射出7個頻帶（帶寬為6～89GHz）的微波進行觀測和測量的高精度測量遙感器，可獲得全球降水量、水蒸氣量、海洋風速、水溫、陸域水分含量、積雪深度等詳細數據。

GCOM－W1的主要性能、參數

AMSR－2對地表進行觀測的概念圖

GCOM-W1衛星的設計方法及其特點

進行GCOM－W1衛星系統設計時充分考慮了如何對這樣一個系統較龐大、結構復雜的衛星系統更有效地進行設計和管理等問題，采用了系統工程管理方法，同時繼承了傳統的衛星系統設計方法中系統設計管理的成功經驗，事實證明非常有效。

在本研究所觀測的由新異oddball范式所誘發的ERPs成分中，與注意功能關系最為密切的是P3。P3包括P3a和P3b兩個亞型[6]，正如在本研究中新異刺激和靶刺激均能成功地誘發P3，但兩者的認知加工意義(在本研究中是注意功能)則有所區別。

衛星開發所選擇的V曲線法

（1）V曲線式的開發方法

衛星開發選擇的是V曲線法，按自上向下的設計方法提出的初樣設計要求；以試驗和組裝順序、按自底向上的方法確定從產品組裝到完成整個系統制造的全過程，而且還以設計和制造為中心制定了試驗計劃。而GCOM－W1開發則是將初樣設計階段作為要求分析階段；把初樣設計階段作為方案驗證階段所要驗證內容。通過設計分析和開發試驗，確認了采用這一方法進行設計和驗證的穩妥性，之后才正式啟動開發階段的各項工作。

在GCOM－W1系統研制過程中，由初樣設計階段的以開發設計規格明細為基礎，過渡到按細目分解，進一步則要過度到對以系統設計為基礎的分系統設計規格明細、部件設計規格明細進行詳細分解—要求以分析活動為重點，展開按細目分類分析，然后才過渡到初樣、正樣設計階段。

（2）從要求到設計的可追蹤性

按照衛星開發V曲線法，在GCOM－W1系統設計過程中主抓了系統工程要求分析，在此基礎上開展各項設計活動。在系統工程階段有5個與要求有關的主要質量要素：完整性；一致性；可追蹤性；可測試性；奇異性。

GCOM－W1衛星系統開發方法

正確地設定并嚴格按要求、依據分析結果—系統設計規格明細和分系統設計規格明細進行開發與試驗，是確保產品質量的關鍵。為確保質量的可追蹤性，還開發了用于確認跟蹤能力的矩陣，從而確保相對于開發規格明細的系統設計規格明細，以及相對于系統設計規格明細的分系統設計規格明細的可追蹤性及其質量的高可靠性。

由JAXA主抓可追蹤性管理活動，它以提示開發規格明細為主，目的是確保從飛行任務要求條件說明書到開發規格明細表在內的所有文件均具有可追蹤性。為此，GCOM－W1衛星系統采取了一種可確保從對飛行任務要求到衛星系統要素—分系統設計規格明細都能夠進行追蹤的設計方法。

利用這一方法所取得的基本設計結果，制定了系統樣機飛行試驗（PFT）計劃，對系統設計說明書的可追蹤性進行了評價；然后將這一評價結果反映到初樣設計階段，在此基礎上進一步細化，形成了具體試驗計劃。

（3）開展以應用概念為基礎的規格明細設計

按照系統工程要求，對整個壽命周期內的具體要求進行了分析，主抓了應用階段的要求分析，明確了使用方法。在這里以應用概念為基礎所進行的規格明細設計為例進行了說明。

通過根據飛行任務要求條件進行追蹤確定了GCOM－W1衛星的應用概念。JAXA負責這一概念的提示，以應用概念為基礎開展了應用最佳化設計，其設計結果已反映到衛星系統設計規格明細中。此外，在初樣設計階段，通過分析，驗證了應用最佳化活動后才進行正樣設計，取得了滿意的結果，然后再將其作為應用文件輸入到檔案庫，供后繼星研制用。

采取這樣的方法就可確保從飛行任務要求條件到衛星系統規格明細的一致性，從而實現確保應用設計的可實現性和可追蹤性。

4 GCOM－C1

GCOM－C1的公用艙與GCOM－W1的主要異同點

GCOM－C1與GCOM－W1衛星采用相同的公用艙，發射火箭和軌道壽命也相同，但搭載的遙感器不同，軌道高度、質量和供電能力也略有不同。GCOM－C1搭載的是SGLI，為滿足飛行任務要求，與GCOM－W1相比，GCOM－C1在公用艙設計方面有3點變化。

（1）飛行任務數據傳輸系統

GCOM－C1所搭載的SGLI的最大傳輸速率（20.4Mbit/s）約為GCOM－W1所搭載的AMSR－2（111.1kbit/s）的200倍，為滿足發射輸出頻率要求，GCOM－C1改用了X頻段傳輸系統。

（2）增加了姿態軌道控制系統恒星敏感器的配置數量

GCOM－C1搭載的SGLI的數據傳輸量大，對指向控制精度要求更加嚴格，因此GCOM－C1公用艙恒星敏感器配置數量由原來的2臺增加至3臺。

（3）調整了太陽電池翼的安裝位置

由于存在太陽電池翼干擾AMSR－2視場的問題，所以GCOM－W1的太陽電池翼偏置安裝在正負面的+Z方向上，而GCOM－C1不存在這一問題，因此將太陽電池翼仍按傳統方法安裝在±Y面的中心位置附近。

GCOM-C1搭載的遙感器—SGLI

VNR結構圖

IRS結構圖

SGLI是ADEOS－2搭載的、全球圖像遙感器（SGL）的后繼遙感器，它可對近紫外到熱紅外頻段（380nm～12μm）的多頻段進行測量，觀測并獲取云、浮塵、海洋顏色、植物生長、積雪、冰層覆蓋等多種信息。與SGL相比，SGLI拓展了觀測范圍，不僅可對海洋，還能對包括海洋沿岸的陸域進行觀測，其地表分辨率比SGL高（1km→250m）,因為采用了非偏振光以及多方向觀測的方法，所以可對陸地的浮塵進行觀測。

GCOM衛星的應用計劃

VNR是一種采用CCD的電子掃描式輻射計，不僅可對非偏振光（11個頻段），還可對偏振光（2個頻段）進行測量的遙感器。就偏振光而言，不僅可對與衛星垂直方向，還可對與衛星前進方向成±45°角的其他方向進行觀測。VNR對地面的掃描寬度達1150km，采用非偏振光進行觀測時，其空間分辨率可達250m，采用偏振光進行觀測時，其空間分辨率可達1km。

IRS 是一種機械掃描式輻射計，有短波紅外和熱紅外2個頻段，其中短波紅外為4個頻段，熱紅外為2個頻段，對地面的掃描寬度達1400km。其空間分辨率因頻段不同而異，短波紅外頻段為250m，熱紅外頻段為500m。

VNRI和IR系統均配備對太陽光和深空進行觀測用的校正窗口。

5 應用計劃

JAXA通過發射GCOM將構筑起一項通過長期（15～20年）觀測、構建一個可不間斷地觀測與應用系統，GCOM的任何一顆衛星在軌運行過程中每1～2天就可覆蓋整個地球1次，獲取并向地面用戶提供包括海面水溫、土壤水分、云和浮塵等的相關觀測數據，用戶根據這些數據可計算出大量、有效地預測氣候變化的物理量，根據這些物理量可搞清楚全球氣候變化、水循環機理所需的各種數據。其中，GCOM－W配備的AMSR－2用于構建一個可長期、不間斷地進行全球氣候變化和水循環機理的系統，利用這一系統獲取的數據可進行氣候變化研究和發布氣象預測與漁業狀況等的大量信息；GCOM－C配備的SGLI則可進行多頻段的觀測與測量，獲取的信息可用來對云、浮塵、海洋顏色、海面水溫、海洋生物、植物分布、冰和雪等的觀測。

GCOM衛星的應用計劃

GCOM所獲取的各種大量觀測數據將分送到相關部門作為氣象預報，掌握漁業和海洋情況，發布海水和冰層等相關信息速報，以及作為人類掌握厄爾尼諾現象等與海洋氣象異常、赤道附近東太平洋海水溫度異常下降等有關現象的重要依據，為抑制北極海水減少以及全球谷物干旱，采取對策，設法減少自然災害，確保農、林、牧、漁豐收，以及人類為更好地制定長期、穩妥地保護地球環境方案提供依據。

GCOM將會對人類準確地掌握大量的監測數據、制定控制和改善人類賴以生存的地球環境的方針大計奠定初步基礎。