“地球云和氣溶膠輻射探測”衛星2014年升空

肖武平 王存恩（北京空間科技信息研究所）

“地球云和氣溶膠輻射探測”（Ea rthCARE）衛星是日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和歐洲航天局（ESA）共同研制的世界上首顆配備以主動式遙感器—云和氣溶膠觀測雷達（CPR）為主，同時搭載了大氣探測激光雷達（ATLID）、多頻段圖像獲取裝置（MSI）和寬帶輻射收支計量裝置（BBR）的衛星。值得注意的是在云和氣溶膠觀測雷達上安裝了可展開式主反射鏡，且具備功能保持和熱控功能，星上搭載的各種遙感器均具備對內部和外部儀器進行性能校正的能力。就這顆衛星而言，不僅檢測靈敏度和測速精度高，還具備雙頻段多普勒測量功能，是一顆專用于環境監測和對云、氣溶膠進行觀測任務的衛星。它可獲取并以大功率、毫米波向地面發送云上升和下降的動態信息、云粒和氣溶膠生成以及保有狀況等信息，在地面接收包括云粒產生的散射電波等信息，可大幅度提高對云和氣溶膠等的觀測靈敏度和測速精度。地面仿真實驗和多種精密測算認定，這種雷達可以是當前在軌運行衛星搭載的最先進對云觀測雷達靈敏度的10倍。這些高靈敏度、高精度的觀測和測量數據，不僅對搞清楚云和氣溶膠的輻射收支機理，而且對提高氣候變化的觀測與預報精度，以及采取切實有效對策等都有著重要作用。

1 衛星概況

國際氣候變化研究組織（IPCC）多次指出，氣候變化對人類賴以生存的地球環境產生并繼續產生著重大影響。導致氣候變化的原因很多，既有人為的，也有自然產生的。而人為的因素中既有長時間滯留在大氣中的二氧化碳、甲烷、一氧化二碳，也有積聚在平流層和對流層間的臭氧，還有積聚在人們頭頂上云和氣溶膠等。盡管二氧化碳等對氣候變化的影響最大，但由于人們已用科學的方法搞清了其生成的機理，對其預測和估算的誤差也較小；而云和氣溶膠不僅對氣候變化的影響相當大，而且迄今人們尚未找到一種科學的方法查明其生成機理，許多國家和研究機構也建立起了相當數量的數值模型，但這些模型存在著各種各樣的問題，以至對云和氣溶膠進行預測和估算存在著相當大的誤差，有報道說，有的數值模型的預測誤差竟然高達50%。因此，迫切需要發射對云和氣溶膠等進行高精度預測或測量的衛星，以準確地掌握全球氣候變化情況和未來發展趨勢，并采取切實有效的對策，這也是擺在人們面前的一個重大課題。

日本宇宙開發事業團（NASDA，現已被合并）和ESA早在20世紀末就針對共同開發以云和氣溶膠觀測為主的氣候變化觀測任務衛星進行過接觸，就ESA開發衛星平臺、NASDA開發高性能的云和氣溶膠觀測雷達進行過協商；2000年，NASDA和ESA第25次行政長官會議期間，就研制以云和氣溶膠觀測為主的氣候變化觀測任務衛星達成一致意見，希望日本在研制降雨觀測雷達取得成果的基礎上發揮其優勢，開發出性能最先進、具有國際一流水平的云和氣溶膠觀測雷達，NASDA也做出按要求完成開發任務的承諾。其實，當時研究的日本“海洋和地球觀測與探測”計劃中也考慮了這樣一顆衛星，而國家正在考慮如何完善“國家衛星觀測和監視系統”計劃中也有這樣一顆衛星，目的是用來預測導致全球氣候和水循環變化的主要原因—云和氣溶膠等的三維分布，掌握人類向地球施放氣溶膠等的詳細過程和數據，搞清彼此間相互作用的機理，大幅度地降低已建立的氣候數值模型的誤差，為提高對氣候變化和降水數據等的預測、預報精度做貢獻。然而，當時日本的航天開發投入額度無法支持其獨自開發這樣一顆衛星，日歐合作是實現這一目的的首選途徑。2004年，日本組建JAXA后，審定國際合作計劃時，認定了該項計劃，JAXA和ESA決定于2007年8月正式啟動這項研制計劃，目標是2014財年發射這顆衛星。

EarthCARE衛星執行全球氣候與水循環變化觀測任務，其核心任務是全面地進行云和氣溶膠觀測，同時執行以下4項觀測和評價任務：

1）對全球（自然生成和人為產生的）氣溶膠的分布、微物理特性進行觀測，搞清它與云的相互作用關系；

EarthCARE衛星的外觀圖（左）及結構（右）

云和氣溶膠觀測雷達的外觀圖

2）對全球大氣中的云水、云冰的垂直分布和通過云輸送的云水、云冰進行觀測，搞清其輻射機理和效果；

3）對云的分布（含重疊狀況下）、云和降水的相互作用，及其在云層內的垂直方向運動等進行觀測；

4）匯總以上觀測結果，利用所獲得的云和氣溶膠的各種特性，評價通過大氣場評價后的大氣輻射所致的加熱/冷卻及其垂直分布信息。

EarthCARE衛星的主要性能參數

2 EarthCARE衛星搭載的主要遙感器

根據觀測目的和飛行任務要求，同時為確保其綜合應用效果，JAXA和ESA決定在EarthCARE衛星上配備以云和氣溶膠觀測雷達為主，同時包括云和氣溶膠觀測雷達、大氣探測激光雷達、多頻段圖像獲取裝置和寬帶輻射收支計量裝置4種遙感器。

Earth CARE衛星有效載荷中的核心遙感器是云和氣溶膠觀測雷達，由JAXA和日本信息通信技術研究所（NICT）共同研究設計，日本電氣公司（NEC）加工生產，配備了迄今發射的衛星上所配備的觀測雷達上未曾配備過的大型天線，主要是要大幅度地提高觀測靈敏度。利用云和氣溶膠觀測雷達不僅可以獲取全球范圍內云的垂直結構圖譜，還可以掌握云的上升和下降等動態信息。

呈展開狀態時的云和氣溶膠觀測雷達

云和氣溶膠觀測雷達的結構

云和氣溶膠觀測雷達由主反射鏡（MREF）、展開機構（DPM）、保持與釋放機構（HRM）、支持機構（STR）、準光學供電部分（QOF）以及平臺6個部分組成。平臺內配備有發射接收分系統（TRS）、信號處理部分（SPU）和散熱器開關（HSW）。為了散熱，在平臺的表面貼有太陽反射鏡（OSR），除此之外，其他結構體表面均覆有以鍺為主的熱控蒸著鍍膜。主反射鏡發射時呈收攏后的折疊狀態，衛星發射入軌后才展開。觀測雷達中的準光學供電部分和發射接收分系統由NICT和JAXA共同研制，保有專利權。

云和氣溶膠觀測雷達具備隨衛星在軌運行高度的變化，其脈沖重復頻率也隨之變化，并發送94GH z的電波，測量不同云粒的散亂信號（回聲）強度和相位分布變化的功能。當云的散亂信號變化為中頻后，對強度進行對數檢波，對相位進行同相/正交檢波，然后進行模數（AD）變換，以及積分等數字信號處理，再通過衛星本體的數據傳輸系統把獲取的觀測數據發送到地球站。

（1）主要性能

·最高檢測靈敏度：優于-35dBZ（位于大氣頂端的最高層）；

·多普勒測速精度：優于1.0m/s。

（2）主要功能

·具備對所搭載的內部和外部儀器進行校正的能力；

·具備主反射鏡的展開和保持功能，以及熱控功能。

為實現功能和性能需解決的技術問題

（1）系統和信號處理部分

云和氣溶膠觀測雷達觀測范圍為一個直徑為700m的圓形區域，衛星在軌高速運行階段，其運行速度為7km/s，飛經觀測范圍的時間僅為0.1s。在這種高速運行狀態下，要確保觀測雷達能夠按要求精度對沿垂直方向運動的云粒進行高精度測量，在系統設計時采用一邊用仿真的方法詳細地獲取其多普勒速度信息并確認設計的穩妥性，一邊進行系統設計的方法。另外，為滿足用戶對多普勒測速方法和測速精度的要求，需要進行分辨率相當于優于16bit的AD變換實驗和驗證。可是當前衛星所搭載，即已投入應用的AD變換器還沒有優于15bit的，因此采用了分辨率相當于14bit的AD變換器并輔以過采樣信號處理技術進行了反復實驗和驗證，確保了開發的云和氣溶膠觀測雷達滿足所要求的技術指標。

主反射鏡（左）及其蜂窩結構的活性芯（右）

（2）高精度的主反射鏡

云和氣溶膠觀測雷達采用孔徑為2.5m的主反射鏡，可以滿足云和氣溶膠觀測雷達在高靈敏度觀測和多普勒測速等的性能指標要求。對主反射鏡而言，不僅要經受住苛刻的溫度環境考驗（衛星在軌運行過程中氣溫在-50～＋60℃間變化），總體設計對質量方面的限制也相當嚴格，因此主反射鏡采用以特殊的高彈性碳纖維增強塑料（CFRP）面板，中間夾有采用新標準和新技術開發的可繞曲蜂窩結構的活性芯，這種活性芯既有非常好的可繞曲性，又保持了理想的柔性，可大幅度地降低主反射鏡鏡面內外的熱伸縮性及其變形所致的風險，確保無論是制造時還是入軌后的飛行任務階段，都不會產生超過要求的變形系數而導致變形。

（3）可有效地抑制太陽光集光問題

EarthCARE衛星在穩態運行過程中，云和氣溶膠觀測雷達指向地球，但一旦衛星姿態出現異常，就有可能出現在太陽光聚焦到位于反射鏡聚焦點附近的準光學供電部分的風險，進而可能出現在短時間內溫度急劇上升的現象，導致準光學供電部分受損，影響正常執行任務，乃至導致整個任務失敗。為有效地抑制出現這種集光問題，采取了在主反射鏡反射面上蒸鍍鍺薄膜的方法，這是一種適用于抑制太陽光吸收與擴散的新技術。為將這種太陽光聚焦現象對94GHz量級電波的影響抑制到最小，采取用若干層厚度僅為25μm的極薄的薄膜對準光學供電部分進行連接覆蓋，同時將主反射鏡的孔徑定為2.5m，這是一經過反復推算與實驗驗證確認的最佳尺寸。

在云和氣溶膠觀測雷達設計和開發過程中，不僅選擇用中心頻率為94.05GHz，采用大孔徑（2.5m）、輕型碳纖維增強塑料材質、高指向精度（優于0.015°）的天線進行多普勒測量，而且還采用大功率的發射管和低噪聲的放大器，同時選擇在盡量低（450km）的太陽同步準回歸軌道上運行，其目的是要確保高可靠性和高靈敏度；針對多普勒測量時所存在的衛星移動速度過快、對觀測對象的觀測時間相對較短等問題，選擇了高脈沖重復頻率，將雷達觀測高度范圍選擇為20km、16km和12km這3種模式，同時可根據緯度變化按需求進行切換，尤其是在12km這一高度，采用高脈沖重復頻率觀測模式，不僅可獲得理想的多普勒特性，還可滿足Z=-19dBZ時多普勒測量精度優于1m/s的技術指標要求。

云和氣溶膠觀測雷達的主要性能和參數

3 開發的目的和意義

目的

（1）大幅度地提高對云和氣溶膠的觀測靈敏度

日本研制的這種云和氣溶膠觀測雷達是世界上首個具備多普勒計測功能的W頻段雷達，可大幅度地提高觀測靈敏度，相當于當前在軌運行的環境觀測衛星上所搭載的云觀測雷達觀測靈敏度的10倍。

（2）可生成云和氣溶膠觀測雷達的單體產品

通過云和氣溶膠觀測雷達以及大氣探測激光雷達等遙感器間的相互配合，可實現對全球各區段云的分布和垂直結構以及云層內部的垂直運動進行實時觀測，可生成云和氣溶膠觀測雷達的單體產品。

（3）可生成供若干個遙感器用的復合產品

接收包括大氣探測激光雷達、多頻段圖像獲取裝置和寬帶放射收支計量裝置等提供的數據，可生成供若干個遙感器使用的復合產品。

（4）不僅可提高預測精度，還能為確定與氣候變化相關的政策提供有力的信息支持

通過促進氣候數值模型用戶機構間的密切合作，以及開展預測方法等的研究，采取改進數值模型等相關措施，不僅可提高長期氣候變化的預測精度，還能夠為確定與氣候變化相關的政策提供強力的信息支持。

（5）可形成綜合的應用數據系統

通過EarthCARE衛星的地面觀測數據和其他衛星觀測數據的有機結合，可形成綜合的應用數據系統。

意義

（1）可改變目前氣候變化預測、預報精度過低的現狀

利用EarthCARE衛星進行云和氣溶膠觀測的效果圖

國際氣候變化研究組織和許多參加國際氣候變化研究的機構都認為：當前國際上所用的數值模型因人為因素對氣候變化影響的預測精度都較低，特別是云和氣溶膠對氣候變化影響的預測精度更低，乃至無法采取有效的應對措施，確保人類賴以生存和穩定生活的環境也就成了一句空話。

研制和發射高精度的氣候變化觀測衛星迫在眉睫，盡快發射配備毫米波多普勒測量雷達的Earth CARE衛星，有助于建立包括云和氣溶膠預測在內的精準的全球氣溫預測模型，這不僅可以大幅度地減小對全球氣候變化和水循環變化預測的誤差，還可以獲取氣候變化的準確數據，為掌握全球氣候變化情況并采取切實可行的對策，以及修正已建立的模型，使之成為可獲取精確的預測數值模型，進一步準確地預測氣候變化趨勢奠定基礎。

利用EarthCARE衛星獲取云和氣溶膠垂直分布信息的示意圖（右）及模擬圖（左）

（2）可填補那些僅搭載被動遙感器的遙感衛星無法獲取云層下部信息的空白

EarthCARE衛星配備了云和氣溶膠觀測雷達、大氣探測激光雷達、多頻段圖像獲取裝置和寬帶輻射收支計量裝置4種遙感器，特別是利用新型的云和氣溶膠觀測雷達，以毫米波多普勒測量方式對全球范圍云和氣溶膠的垂直分布、微物理量（云中含水量以及有效粒子的半徑等）和云粒子下落速度等進行觀測，并與大氣探測激光雷達同時進行觀測，不僅可獲取完整的云和氣溶膠的生成和消散信息，捕獲到有關熱帶低氣壓下大規模云層內云的結構并進行詳細地觀測，還可觀測到被動遙感器根本無法觀測到的云層下部（低于平流層到地表）的氣溶膠。

（3）完善氣候數值模型，大幅度地降低利用氣候數值模型進行預測的誤差

Earth CARE衛星利用其所搭載的高性能的云和氣溶膠觀測雷達等主動式遙感器，不僅可有效地觀測云和氣溶膠，同時還可觀測到它們之間的相互作用，獲取包括氣溶膠顆粒直徑的大小與其分布情況和化學成分等與氣溶膠有關的數據；通過完善氣候數值模型，解決當前所使用的數值模型預測誤差過大等問題發揮重要作用，而利用以往在衛星上搭載的被動式遙感器既無法獲取這些詳細的數據，也無法起到減小預測誤差等作用。

4 EarthCARE衛星與其他觀測衛星在對云和氣溶膠觀測效果的比較

EarthCARE衛星搭載的是云和氣溶膠觀測雷達等主動式遙感器；以往發射的地球環境變化觀測衛星，如日本“全球變化觀測任務”[GCOM，共6顆星，包括3顆GCOM-W和3顆GCOM-C衛星，其中GCOM-W 1已于2012年5月17日發射入軌并投入運行；GCOM-C1即將于2014年9月發射]；日美共同研制、已于2014年2月28日發射的“全球降雨觀測”（GPM）計劃的主衛星等搭載的都是被動式遙感器。

1）搭載主動式遙感器可以對全球的云和氣溶膠的垂直分布進行觀測；

2）搭載被動式遙感器的GCOM衛星只能對云和氣溶膠的水平分布進行觀測，無法進行垂直分布觀測；

3）搭載被動式遙感器的GCOM-W只能進行降水和水蒸氣水平分布觀測，無法進行云和氣溶膠觀測；

4）搭載被動式遙感器的GPM計劃的主衛星只能對全球降雨和降雪等進行觀測。

因此，日本希望通過EarthCARE衛星與GCOMC1及其后續星聯合觀測，這樣，不但可對氣溶膠進行垂直觀測，而且還可輔之以水平觀測，獲取更加全面、準確的氣溶膠信息。為弄清其形成機理，完善氣候數值模型，大幅度地降低氣候數值模型預測誤差等發揮重要作用。

EarthCARE與GCOM-W、C衛星搭載的遙感器和觀測對象及效果

EarthCARE與GCOM-W、C和GPM計劃主衛星的功能

5 開發體制、開發應用團隊與任務擔當

Ear th CARE衛星是JAXA和ESA共同研制，采用依據設立的日歐云和氣溶膠觀測任務衛星科學會議的形式，由選定的兩位議長協商并輪流主持會議的形式確定重大事務，成立任務委員會、開發單位、應用機構等，應用單位包括日本海洋研究開發機構（JAMSTEC）、新領域研究中心、環境省/國立研究所、交通運輸省/氣象廳/氣象研究所、東京大學氣候系統研究中心（CCSR）等，在歐洲，其研制和主管單位是ESA，應用單位是歐洲中期預報中心（ECMW F）和哈特萊中心等。