OCO-2卫星情况调研

2017-04-10 17:39阅读：

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OCO-2卫星全称Orbiting Carbon Observatory-2，即“在轨碳观测台-2”，由NASA研制开发，用于研究大气层中CO₂含量，OCO-2可以提供人类社会及自然界之间二氧化碳的“源”和“沉”的分布地图，即这些温室效应气体是从哪里排放入大气层的，又是在哪里被存储起来的？任务的目标是将这些源和沉在地理空间中的分布及其随时间的变迁用地图的方式描绘出来。
OCO-2卫星被期望能够提供这样的问题答案，诸如：“是什么控制了大气中的二氧化碳？”
自然系统，包括海洋和陆地上植被同时吸收并排放二氧化碳。
同时，这些自然系统吸收了因人类社会活动而释放的半数以上的CO₂。
这些自然界的CO₂“沉”正在对CO₂建立起对全球气候的影响构成约束。
目前我们对以下情况一无所知：
CO₂确切地说在

哪里被吸收，在哪里被释放？
我们到目前所释放的CO₂，自然界需要多长时间的才能将它们吸收并消化掉？

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图1：CO₂气体的源和沉
卫星情况：
OCO-2卫星的研制基于Orbiting Carbon Observatory卫星，OCO-2卫星将作为专用卫星携载单一的载荷，该载荷合并了3台高分辨率光栅光谱仪。
卫星使用三轴零动量稳定模式，并采用了轨道科学公司生产的LeoStar-2卫星平台，这种平台还被用于OCO、SORCE和GALEX卫星的研制。卫星平台驾驭并控制卫星载荷的指向。提供电源，接收并处理来自地面的指令，记录并下传有效载荷获取的测量数据，平台还需要保持整星在A-train卫星编队中的位置，卫星的主体结构由一个长2.12m，直径0.94m的六边形柱体构成。整星重量为449kg。
姿态控制系统用于控制有效载荷在近地空间中的指向，校准观测数据，控制体装式X波段天线指向地面站，确保数据下传。俯仰、偏航、滚动轴由4台动量轮控制，3根磁力矩器用于携载动量轮转速，OCO-2卫星使用与OCO卫星完全相同的Goodrich/Ithaco型动量轮，这种动量轮在过去的十年间经历了多次飞行验证，具有较高的可靠性。

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图2：OCO-2卫星在轨想象图
OCO-2卫星的姿态控制系统包括一台星敏感器，一台小型化惯性测量单元（Miniature Inertial Measurement Unit，简称MIMU），13个太阳敏感器用于安全模式以及1个磁强计用于姿态确定。一套动量轮组合和磁力矩器用于姿态驱动，SED26型星敏感器能获取精密的卫星姿态数据，该型星敏感器可以以10Hz的频率更新卫星姿态框架数据。
SED26型星敏感器可以在视野中出现行星和月球的情况下依旧可以工作，并且通过遮光罩，只要太阳矢量偏离星敏感器主光轴25º~30º，星敏即可正常工作，恒星在星敏视野中以10º/s的角速度划过时，星敏依旧可以捕获恒星信息，每台星敏重量为3.5kg，外形尺寸为16×17×30cm。
卫星的三轴角度测量由MIMU提供，该设备由霍尼韦尔公司制造，惯性测量单元（Inertial Measurement Unit简称IMU）继承了具有大量飞行实践的GG1320光纤陀螺，由它提供精密的角速度测量。
卫星的姿态控制由动量轮组合（Reaction Wheel Assembly简称RWA）提供，RWA包含4个动量轮，建立起对每一个轴的冗余控制能力，其中一个动量轮为斜装动量轮，可以对每一个轴施加额外控制能力。卫星的轨道测量由GPS接收机提供。
星上两块展开式太阳电池阵可提供最大功率900W的电功率（太阳电池阵被太阳正照），电池阵采用砷化镓电池片。卫星在星蚀期间，由容量为35Ah的Eagle Picher型镍氢蓄电池提供电力。而OCO-2卫星采用单轴驱动帆板，整星在轨平均功耗只有521W。
星上计算机系统中心处理器为RAD-6000型单板飞行电脑，由BAE公司负责研制，用于管理卫星姿态、电源、推进和对地通信系统，拥有容量为128Gbit的存储器负责存储载荷获取的科学数据。RAD6000型单板电脑经过改进，更换了SRAM（固态存储器）器件。CPU由110万个微晶体管组成。

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图3：RAD-6000型单板飞行电脑照片
推进系统用于轨道保持（使用45kg肼），一旦进入轨道，它将用于抬升并调整轨道，在必要情况下还将调整卫星在A-train编队内的相对位置。最后，推进型系统还将在卫星寿命结束时把卫星推离轨道，卫星任务设计寿命2年。
科学数据和平台星务数据都将使用L3通信X波段发射机回传地面，通信码速率150 Mbit/s，X波段天线采用体装式天线，卫星平台和载荷的星务数据还可以通过S波段发射机直传回地面或者通过NASA的TDRS（跟踪和数据中继卫星）系统回传，码速率2 Mbit/s，卫星上行指令由S波段接收机接收，OCO-2卫星的S波段设备硬件由Thales Alenia Space公司提供。
发射情况:
OCO-2卫星于2014年7月2日，由Delta-2 7320-10C型运载火箭从范登堡空军基地发射升空。
OCO-2卫星飞行于太阳同步轨道，轨道高度705km，轨道倾角98.2º，地面轨迹重复周期16天，升交点地方时为13:30。
OCO-2卫星由于属于A-train卫星序列，因此其初始入轨高度为690km，经过相位调整后，通过自身推进装置将轨道高度调整为705km。进而开始在A-train序列中展开工作。
有效载荷情况：
OCO-2卫星的载荷几乎是OCO卫星的翻版，由Hamilton Sundstand Sensor Systems负责设计和研发。
OCO-2光谱仪的设计目标是测量太阳光经过地表反射之后，太阳光将两次穿过地球大气层。大气层中的CO₂分子和O₂分子具有非常特殊的光谱特性，因此，当光线抵达OCO-2卫星有效载荷时，太阳光将在这些特殊谱段上损失相应的能量，OCO-2的光栅光谱仪将太阳光散射开来，就可以获取相应谱段上的CO₂和O₂的吸收能量，从而测量出当地大气中CO₂和O₂的气体含量。

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图4：OCO-2载荷的设计图
OCO-2载荷由3台共视轴，长缝隙光栅光谱仪组成，专门针对O₂气体的A波段0.765 µm和CO₂气体对应的1.61 和2.06 µm进行过优化设计。3台光谱仪采用相似的光学设计，因此，可以整合入一套光学系统中，这有助于提高系统的结构刚度和温度稳定性。它们可以共享同一套结构外壳和卡塞戈林望远镜装置。

望远镜孔径11cm，具有主镜和次镜，在后面的光学通道组件中包括反折镜、双向色分光镜，波段隔离滤镜和再成像镜面，每台光谱仪都包括一个裂缝板、一个双透镜瞄准仪、一个光栅和双透镜相机组成。三台光谱仪中的每一台都具有基本相似的布局。只是在测量光谱上有很小的差别，例如在表面涂层、透镜和光栅方面，考虑到每个通道不同的波长通过特性，光学系统的孔径/焦距比设计在f/1.6 到f/1.9之间变化。

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图5：OCO-2载荷光栅光谱仪光学系统设计图

OCO-2载荷的焦平面组合上探测CO2光谱的元件为碲镉汞元件，用于探测CO₂的两个谱段信号的碲镉汞元件需要工作在低于120K的低温环境中，而用于探测O₂的特征谱段信号的硅探测元件需要工作在低于180K的低温环境中。因此OCO-2载荷还配有低温制冷机，这是一种由Northrup Grumman Space Technology开发出来的脉冲管式的低温制冷机。该设备的设计继承自Aura卫星上的TES设备，并有所改进。

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图6：脉冲管式低温制冷机照片
OCO-2载荷的性能指标见下表：

载荷	3台共视轴，高分辨率成像光栅光谱仪
谱段	O₂波段: 0.765 µm CO₂波段1: 1.61 µm CO₂波段2: 2.06 µm
分析能量	> 20,000
光学系统快速参数	f/1.8，高信噪比
扫描幅宽（穿轨向视场角14 mrad）	-星下点幅宽10.6km（由705km轨道高度和开缝宽度决定） -穿轨向8个足迹点（3Hz情况下） - 每个足迹点尺寸1.29 km×2.25 km
载荷重量、功耗	140kg，105W
相对于OCO的改进	新的焦面组件新的低温制冷机

自OCO-2入轨以来，已经获取了大量的全球CO2分布数据，下图是经过数据处理之后生成的全球碳数据地图。

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图7：OCO-2观测生成的全球CO₂浓度数据

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