2024-09-01
科技前沿｜香港科大携手吉林研高精[碳卫星」
2024年9月1日，香港科大土木及环境工程学系「杰出创科学人」、星睿云智科技有限公司创始人兼董事长苏慧教授接受大公报采访，报道如下：
大公报刊登版面
去年香港科技大学与吉林省的长光卫星技术股份有限公司（以下简称长光卫星）合作发射卫星，今年又再次公布科大与中国科学院长春光机所合作研发高精度「碳卫星」的消息，并将创新性地加入监测甲烷的功能。近日，大公报记者采访到该项目共同负责人香港科大教授苏慧，了解项目进度，「我们目标是2025年的年底要把『碳卫星』做好。」项目共同负责人、科大土木及环境工程学系系主任张利民说，在国家的支持下，港澳科技人员可以承担更多重大科技项目。
记者了解到，香港与吉林在太空领域有两次合作，首次是2023年8月25日与长光卫星在酒泉卫星发射中心发射一颗名为「香港科大─雄彬一号」的多光谱光学卫星，以监测全球环境、灾害及获取可持续发展相关的遥感数据。科大也因此成为首家发射地球遥感卫星的香港高等院校。该卫星已经在去年香港「世纪黑雨」中发挥作用。
今年，香港科大再次与吉林省合作，计划2026年将「碳卫星」安置在中国「天宫」空间站，监测全球中低纬度地区的二氧化碳和甲烷浓度，一方面帮助全球破解温室难题，一方面也可以为大中型的碳排放企业，提供定量数据支持。
6月18日至20日，2024长春国际光电博览会举办，作为内地第一家商业遥感卫星公司，长光卫星携同参会的明星产品，就包含与香港科技大学联手研发的「香港科大─雄彬一号」卫星。长光卫星办公室主任张晓磊介绍该卫星如数家珍，「这颗卫星是『吉林一号』宽幅02A星，从立项到成功发射大约历时两年时间，实现了多个技术突破。」张晓磊介绍，此卫星是新一代覆盖型卫星的首发星，其有效载荷为一台离轴四反光学相机。在性能指标与「吉林一号」宽幅01系列卫星相当的前提下，整星重量成功由宽幅01星的1200kg级降至230kg级，可为用户提供150km幅宽、0.5m分辨率的高清卫星影像产品。
张晓磊解释，卫星的小型化、轻量化不仅有利于降低制造和发射成本，还能提高卫星的覆盖性和应用性能，能够更快地响应并提供实时数据支持，为决策部门提供有力的帮助。
然而，实现卫星的小型化、轻量化并非易事。张晓磊表示，研发过程中需要克服许多技术难点，如卫星结构的优化以及展开机构的可靠性等。特别是摺叠板结构的展开和震动问题，对卫星的拍照精度和稳定性提出了更高要求。最终经过两方团队的不懈努力，这些技术难题最终得到了成功解决。
「碳卫星」的发射将是一个里程碑，项目立项之初，香港与吉林就制定了世界级的先进方案，「我们要设计一个产品，不能只是照搬国外已经做过的东西，我们一定要有自己的独创性，有先进性。」苏慧说，科大最终决定与长春光机所，以及中国空间应用中心一起合作讨论世界先进性的方案。
「控制甲烷的排放是一个全球关注的重点。所以我们这个项目跟国际上有很多做碳监测的项目不同，我们不仅测二氧化碳，还测甲烷，这两个是同时测的，而且要达到足够的精度。所以在这一点上非常有创新性的，可以说是一个世界领先的一个技术。」苏慧补充，经过多次探讨研究，最后确定此项目载荷目标是测定排放点源。「点源是指针对一些排放点，比如说煤矿、发电厂这种大型的排放源，他们都释放很多的二氧化碳和甲烷。我们针对他们做一个很精细的测量，因为他们也是对温室气体的增加最重要的一些源头。所以对点源的空间的分辨率要特别的细，这样我们才能真正能做到在设施尺度上的排放监测。」
香港科大─雄彬一号
• 民用最高级别
• 重量由1200kg级降至230kg级
• 解像度达0.5米，成像幅宽逾150公里
• 是目前公用欧洲太空总署哨兵二号光学卫星解像度的20倍
上图：「香港科大—雄彬一号」高分辨光学卫星传回的首批高清卫星影像。下图：「香港科大─雄彬一号」高分辨光学卫星一比一复刻
• 高分辨率全球温室气体探测项目
• 同时检测二氧化碳和甲烷排放
• 测量精度高
以卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理，二氧化碳、氧气等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收，形成特征大气吸收光谱，对吸收光谱的强弱进行严格定量测量，综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素，应用反算法即可计算出卫星在观测路径上二氧化碳的柱浓度。
要获取高精度的大气吸收光谱，就要依靠高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。此外，多谱段云与气溶胶探测仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为精确反演二氧化碳浓度剔除干扰因素。
「碳卫星」的升空无疑是在太空里为地球安插一只监测的「眼睛」。香港科大教授苏慧向大公报披露，「碳卫星」投入使用后，将覆盖南纬42度至北纬42度的广阔区域，为全球范围内的碳源排放提供精确监测数据，助力全球各国共同应对气候变化挑战。
苏慧介绍，甲烷作为第二大温室气体，其短期内的增温效果尤为显著，约为二氧化碳的80倍。虽然甲烷在大气中的留存时间相对较短，但其短期内对气候变化的影响不容忽视。而碳卫星系统能够精确监测甲烷等温室气体的排放情况，为各国制定针对性的减排措施提供科学依据。
此外，该区域也是人类活动范围的主要区域，可以说「碳卫星」系统具备了全球点源排放监测的能力。无论是新加坡、马来西亚还是南非等国的点源排放情况，都能够被该系统精确捕捉并进行分析。这些数据将通过国际合作机制进行共享，为全球各国制定减排计划和应对气候变化提供有力支持。
苏慧期待地表示：「这一系统不仅能够支持中国自己的减排计划，也能够支持全球多个国家和地区的减排行动。通过国际合作，共同应对气候变化挑战，将为全人类的未来发展创造更加美好的前景。」
谈及「碳卫星」的实际应用时，苏慧表示，这项技术可以辅助政府环境监测部门制定碳减排措施，为大排放企业提供定量化的技术支持。具体而言，「碳卫星」能够监测到企业排放的二氧化碳含量，并生成相关报告和核查数据，从而帮助企业了解自身的排放情况，制定更为精准的减排计划。此外，「碳卫星」还能监测固碳技术的效果，为企业提供长期观测数据，支持其评估固碳措施的有效性。
在碳资产管理方面，「碳卫星」同样发挥着重要作用。森林作为重要的碳汇，其吸收二氧化碳的能力具有商业交易价值。然而，如何准确评估森林的碳汇能力一直是一个难题。苏慧表示，通过「碳卫星」的光学遥感技术，可以清晰地看到森林的生长状况，进而估算其固碳能力，为碳交易市场提供准确的数据支持。苏慧解释，与传统监测手段相比，「碳卫星」具有看得广、看得清的优势，与地面观测形成有效互补。特别是在监测地表温度、植被覆盖、土壤湿度等多项指标时，「碳卫星」能够帮助政府和科研人员更准确地了解碳排放和碳储存情况。
