“中国数据”为全球大气环境监测作贡献

熊伟(右一)在指导研究生设计。齐琼/摄

环境污染和气候变化，是制约全球经济和社会可持续发展的重大因素，事关国际社会共同利益，也关系地球的未来。

在安徽合肥西郊风景秀丽的科学岛上，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(以下简称安光所)有一支队伍，数十年来，潜心研制星载大气成分遥感探测载荷，有力填补了我国在大气成分数据方面的空白与不足，保障了“中国数据”的自主可控和真实可靠，为环境监管治理和气象气候研究提供了有力手段，提升了我国在环境外交中的话语权。

“近期获得中国科学院科苑名匠团队的荣誉称号，是对我们工作非常大的激励和鼓舞。”团队负责人、安光所副所长熊伟告诉《中国科学报》。

首获第一手“中国数据”

卫星载荷，就是卫星上装载的实现特定卫星任务的仪器或设备。它相当于一台高分辨率“太空相机”，可以给大气“拍照”，获取大气成分数据。

“每一种气体都有独一无二的光谱信息，如同人的指纹。研究人员首先通过载荷获取这种‘指纹信息’，分析出它是什么气体，再根据光谱的深浅变化反演出气体浓度变化，最终准确评估气体的状态及其影响。”熊伟说。

大气环境除了与人们的生活息息相关，还与国家的环境外交有很重要的关系。

熊伟介绍，很长时间里，我国对污染气体和温室气体的监测，比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等，主要依靠欧美及日本的卫星数据。因此，在很多环境污染问题上，中国显得相对被动，很难有发言权。

2018年5月9日，我国首颗高分辨率大气环境观测卫星——高分五号01星成功发射。卫星上搭载了6台有效载荷，其中3台由熊伟团队研制。这3台载荷使得我国从此可以定量获得空气质量变化、污染气体分布输运的数据。

随后，针对我国对大气成分数据的迫切需求，熊伟团队多次承担了高分专项、空间基础设施等重大专项中高分五号02星、环境减灾二号卫星以及陆地生态系统碳监测卫星等16颗卫星、多类型20台/套载荷的研发。

“这些载荷对中国获取、分析全球大气环境数据，最终发布‘中国数据’起到了重要作用，为我国增强气候变化监测、环境监测、应急减灾等方面能力提供了重要支撑。”熊伟表示。

将载荷“搬上”卫星

2011年12月，熊伟团队首次承担高分五号01星载荷研制项目，正式迈上航天载荷的研制征途。“研发的设备能跟随卫星上天，这是科技工作者的荣耀。”熊伟说。

在此之前，他们一直在研发地面探测设备，并取得了诸多成果。这为航天载荷研制奠定了坚实基础。

卫星载荷研制最大的难点在于提高精确度。“比如，目前二氧化碳浓度已达420ppm，而它一年的变化量只有1ppm，载荷首先要在万米高空上‘拍到’1ppm这么小的变化量，然后测算出它变化了多少，技术上的挑战是非常大的。”熊伟说。

不同于一般项目，航天项目都设有严格的时间节点。“时间紧、任务重，是研制的另一个难点。所以加班加点是常有的事。”熊伟说。

同时，把卫星载荷这些“大家伙”从实验室“搬上”卫星，还需要“过五关、斩六将”，在进入发射场前，还会进行震动试验、高低温试验等整星试验。

最重要的是，航天项目不可返工，必须一次成功。为确保卫星载荷“零差错”，他们在载荷上装载了一个定标装置，这相当于一个秤的砝码。

“我们把太阳当成一个标准源，通过比对载荷观测太阳的变化，计算出载荷的衰变，进而修正载荷的观测数据。”熊伟说。

一点点探索，一点点解决……熊伟带领团队，攻克了空间外差超光谱技术、痕量差分光谱探测技术、多角度偏振探测技术等多种关键技术，解决了在轨高精度定标及定量化应用等技术难题。

年轻的力量

2009年，在科学岛上攻读研究生的路美娜加入了熊伟团队。在导师的指导下，她担起让载荷“成像”的任务。

“简单来说，就是让载荷给大气‘拍照’，把光信号转换成电信号，对电信号进行采集及传输。”路美娜说，原理说起来都清楚，但实施起来却无从下手，只能靠自己不断尝试、调试。

路美娜已记不清自己花了多长时间、经历了多少次失败，但一直记得载荷传出图像那一刻的感受。“真的特别激动。”

如今，路美娜对各种类型的载荷“成像”都轻车熟路。“做科研最重要的是独立摸索，在过程中积累经验，相信付出就会有收获。”她说。

凌明椿也是从研究生阶段进入团队的。“老师们很注重对我们的培养，敢于放手让大家尝试，我们也得以迅速成长。”

2017年12月，熊伟团队承担高分五号02星4台载荷的研制工作。与01星不同，这次项目管理单位提出了“一步正样”的要求，即卫星载荷研制阶段直接从原先的原理样机、工程样机、初样、正样调整为正样。

这给团队带来了很大的挑战。彼时，路美娜、凌明椿等年轻力量挑起了大梁，他们站在前辈的“肩膀”上，一年时间内迅速研制出4台卫星载荷。

熊伟介绍，卫星载荷研制涉及光学设计、机械设计、电子学设计、软硬件开发、数据反演等多学科内容。目前，团队拥有固定成员30多名，平均年龄35岁。团队先后获得安徽省科学技术进步奖一等奖2项、航天贡献奖等多个集体荣誉和个人奖项。

在熊伟看来，与一群志同道合的同事朝着一个共同的目标，把一件原本认为不可能完成的事情做成了，满足了国家的需求，这便是做科研最大的乐趣。

“未来，我们将进一步发展相关载荷技术，力争为我国环境、气象、资源、遥感等领域的科技自立自强作出更大贡献。” 熊伟表示，目前，他们正在研制两台装载在“大气二号”卫星上的载荷。