全球二氧化碳监测科学实验卫星
全球二氧化碳监测科学实验卫星，简称碳卫星，是由中国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星，2016年5月出厂。这颗卫星搭载了一体化设计的两台科学载荷，分别是高光谱二氧化碳探测仪以及起辅助作用的多谱段云与气溶胶探测仪。
2016年12月22日3时22分，中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将全球二氧化碳监测科学实验卫星发射升空。本次发射的碳卫星是我国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星。
项目背景
为有效掌握全球二氧化碳分布情况，“十二五”国家863计划设置了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目（简称“碳卫星”）。
运用原理
“碳卫星”以二氧化碳遥感监测为切入点，建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统，形成对全球、中国及其它重点地区二氧化碳浓度监测能力，监测精度优于4ppm，这一精度已达到高光谱大气痕量气体探测方面的国际先进水平。
项目进展
2016年3月，中国首颗“碳卫星”载荷研制已进入冲刺阶段，卫星将于2016年出厂后择机发射。
负责本次发射任务的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团上海航天技术研究院研制。此外，本次任务还搭载发射中科院微小卫星创新研究院自主安排研制的1颗高分辨率微纳卫星和2颗高光谱微纳卫星，有效载荷由中科院光电研究院研制。这是长征系列运载火箭的第243次飞行。
经过平台测试、载荷加热排污等一系列工作后，有效载荷于2017年1月12日成功开机，13日转入在轨观测任务模式并获取首批观测数据，其中包括碳卫星高光谱二氧化碳监测仪获取、经过地面处理生成的碳卫星第一组大气氧气和二氧化碳吸收光谱图。这也是我国从太空获取的第一组大气氧气和二氧化碳吸收高分辨率光谱图。
2017年2月17日，碳卫星在轨测试的各项准备工作已经完成。在轨测试工作预计于5月份结束。
2018年2月28日，从中国科学院遥感与数字地球研究所获悉，该所研究员刘良云科研团队利用中国首颗二氧化碳观测科学实验卫星数据，开展了全球植被叶绿素荧光卫星反演研究，于近日成功获得首幅全球叶绿素荧光反演图。
2018年4月19日，我国首颗碳卫星获取的第一幅，全球二氧化碳分布图对外公布。该分布图的获取，有助于准确监测二氧化碳的时空变化、排放与吸收情况，深入研究其与全球变暖的关系，进而在未来对气候变化做出精确预测，力助世界各国制定合理减排计划。
目前，我国碳卫星二氧化碳光谱数据（即一级数据）已经向全球开放共享。
2022年10月25日，据新华社报道，记者从中国科学院大气物理研究所获悉，科学家利用我国碳卫星（全球二氧化碳监测科学实验卫星），成功实现定量识别和计算城市二氧化碳排放，对于更加精准监测人为碳排放具有重要意义。
测试结果
2016年12月22日，中国科学院微小卫星创新研究院抓总研制的我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称“碳卫星”）在酒泉卫星发射中心成功发射。碳卫星在轨测试工作由中国气象局国家卫星气象中心牵头组织，先后完成了对日定标、对月定标测试，敦煌辐射校正场、北京地面观测站、芬兰地面观测站同步观测试验，以及与美国二氧化碳监测卫星OCO-2交叉比对试验等在轨测试项目。2017年8月31日，中国气象局在京组织召开了碳卫星在轨测试总结评审会。评审结论表明，碳卫星已完成在轨测试全部工作，卫星各项功能、性能指标符合研制任务书的要求，取得圆满成功。
科研目标
碳卫星每天绕地球飞行约14圈，探测宽度20公里。在绕地球两极运行的过程中获取全球二氧化碳浓度信息，以准确展示人类活动与自然体系是如何排放和吸收这种温室气体的。
成就
继日本GOSAT和美国OCO-2卫星后，全球第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。
项目作用
摸清二氧化碳的来去“踪迹”
气候变化一直是全世界关注的热词。但是，国际上对影响全球气候变化关键因子的连续监测和分析仍很薄弱，尚未形成完备的基础数据。
“从人类有限的对大气二氧化碳的地面直观观测史来看，150年来，大气中的二氧化碳的浓度已经从280ppm上升到400ppm。这导致过去100年全球平均气温上升了约0.7摄氏度，由此导致灾害性天气频发、强度加大。”碳卫星首席应用科学家卢乃锰告诉科技日报记者，目前主流观点认为，如果温度继续上升，即使此后将二氧化碳浓度减小，地球也会发生不可逆的变化。
那么，问题来了：采集大气中二氧化碳浓度的相关数据，全球地面都设有观测点，为什么要发卫星？“其实地面观测的绝对精度要比卫星观测精度高，但地基观测不能解决全球大气碳含量的空间分布问题，更不能监测到海洋上空大气中二氧化碳的含量。”卢乃锰介绍，2010年左右，全球的二氧化碳地面观测站点仅有200多个，难以满足监测需求。
当今碳循环科学面临的最大问题，就是在全球和区域尺度上无法准确获取二氧化碳通量（单位时间内通过单位面积的二氧化碳总量）信息。所以，需要通过空间观测手段，完成对全球和区域范围内二氧化碳的测量，以提高人类对全球碳循环过程的理论认识，进而改进气候变化预测结果的可信度和稳定性。
一个好汉三个帮，碳卫星又来了“中国造”
正是基于上述认识，2009年，日本发射了世界首颗温室气体观测卫星（GOSAT）。同年，美国的碳卫星（OCO-1）首次发射失败，后于2014年再次发射其替代者OCO-2。
已有美日两颗碳卫星在前，中国是否还有必要自立门户？卢乃锰用我国气象卫星的发展历程来回应这一疑问：“当初中国一穷二白，在我们发射气象卫星遭遇挫折的时候，很多人说，既然可以免费用日本的卫星数据，就不要发射自己的气象卫星了，但从长远角度看，作为一个大国，不能依赖国外，必须克服困难，坚定地走自主发展的道路，这样才形成如今在气象卫星领域美国、欧洲和中国三足鼎力的局面。”
在二氧化碳监测问题上，更为现实和迫切的需求是，中国必须拥有自主数据才能在全球气候谈判中掌握主动权。持家得先有账。国家遥感中心总工程师李加洪接受科技日报独家专访时说，中国政府研制并发射碳卫星，对全球大气中二氧化碳浓度进行动态监测，进而给出全球碳分布数据，不仅是中国应对全球气候变化采取的积极行动，而且也体现了负责任大国的担当。
同时，在李加洪看来，“做全球二氧化碳监测仅仅一两颗卫星是不够的，我国是第三颗，欧洲也将碳卫星列入计划。我们希望通过这颗卫星和其他几个国家合作形成碳卫星‘虚拟星座’，联合观测大气二氧化碳，为全球气候变化提供更加丰富的监测数据”。
研制：从心里没底到“跳起脚能够得着”
李加洪回忆，早在2009年，根据863计划地球观测与导航领域办公室的部署，国家遥感中心就在思考“十二五”的布局，对包括日本GOSAT卫星发射和美国发射失败的OCO-1等都非常关注，并专门咨询童庆禧院士：“中国该不该搞自己的碳卫星？”得到的是坚定的肯定回答：“从战略层面必须做。”
“863地球观测与导航领域专家组在前期领域战略研究工作的基础上，考虑‘十二五’部署哪些项目时，大家对发射碳卫星这件事已达成共识，问题是我们能否做得了和怎么做。”卢乃锰回忆。
碳监测卫星是我国的空白，对于我国科研人员来说是一种全新的挑战，只能摸着石头过河。“我们刚开始也是两眼一抹黑。这类卫星对于光学仪器的要求非常高，我们在元器件等各方面是否能满足需求？”卢乃锰说，没有人敢打包票，“在走访了全国十多个相关单位后，大家心里有点底了。”
中国碳卫星还加载了真正意义上的云与气溶胶监测仪。李加洪解释：“利用它能排除云和空气中气溶胶的影响，也就是解决对二氧化碳监测的‘噪音’干扰问题。”
具体到指标设计，卢乃锰说，“我们在反复权衡功能、精度和工艺水平后，确定了合适的配置方案”。最终，在“跳起脚能够得着”的宗旨下，中国的碳卫星不仅实现了各项设计指标，还极大地带动了我国多项相关技术的突破。
“863计划+航天工程”管理的完美联姻
“碳卫星由863计划立项，前期主要按照863项目管理，但后期工程主要以航天工程模式进行管理。”参与863计划全过程管理的李加洪介绍，中科院负责碳卫星工程的组织实施，中国气象局负责地面应用系统。该工程按照航天工程管理模式，专门成立了卫星工程总师和总指挥两总管理体系，通过工程“两总”体系，使得863项目管理和航天工程管理之间得到了有机结合，实际也实现了国家科技计划中工程性项目的管理创新。
“该项目立项还紧密结合相关部门的需求，如它与中科院先导智能专项的碳专项紧密结合，也与中科院一直推动系列科学实验卫星计划不谋而合。”李加洪说。
二氧化碳评价
“千里眼”看颜色识气体
从厚厚包裹着地球的大气层中，识别出哪些气体是二氧化碳，还要画出一张张“动态图”——碳卫星需要安上特制的“千里眼”。
本次发射的碳卫星，搭载了一台高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。这台探测仪的工作原理，是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度。
用通俗的话说，就是通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。中科院长春光学精密机械与物理研究所研究员郑玉权解释，太阳光经过空气时，空气中的二氧化碳分子对许多精细的颜色有了不同程度吸收。通过光学仪器对这些色彩进行非常精准的测量，可以反向推算出二氧化碳分子数量，从而得知大气中的二氧化碳浓度。
碳卫星项目要求大气中二氧化碳的浓度监测精度优于4ppm（百万分比浓度），即是说，当大气中二氧化碳含量变化超过百万分之四时，“千里眼”就必须发现。
长春光华微电子设备工程中心有限公司助理研究员蔺超说，长春光机所为此制造了大面积衍射光栅，相当于在头发丝的宽度上划出200余条形状和直线度要求很高的刻线，“这样的精密元件，如同细密梳子，才能过滤出更为精细的色彩”。
地面观测点也能搜集大气中的二氧化碳数据，为什么还要发射卫星？碳卫星工程地面应用系统总设计师杨忠东说，全球二氧化碳地面观测站点总共仅有数百个，难以满足监测需求，只有用卫星俯瞰，才能绘制二氧化碳分布的全景图。
“碳排放”要有中国数据
掌握全球的二氧化碳分布状况有什么用？科技部国家遥感中心总工程师李加洪说，在碳排放数据上知己知彼，对提升我国在国际气候变化方面的话语权具有重要意义。
全球变暖、极端天气……严峻的气候变化形势面前，减少二氧化碳等温室气体的排放成为必然选择。碳排放的量化监测是各国最终实现温室气体减排的重要技术基础，在所有的碳排放量监测手段中，目前只有星载高光谱温室气体探测技术既能对二氧化碳等温室气体浓度进行高精度探测，又能获取全球各区域的气体浓度分布数据。
正因如此，各发达国家纷纷研发专用卫星。由于技术难度极高，目前仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放：一颗由日本2009年发射，一颗由美国2014年发射。
李加洪介绍，我国发射的碳卫星通过地面数据接收、处理与验证系统，定期获取全球二氧化碳分布图，使我国在大气二氧化碳监测方面身国际前列。
“持家先要有账本，这个‘账本’就是我们自己监测到的碳排放量。”李加洪说。
“高精尖”未来有望测雾霾
碳卫星上除了搭载二氧化碳探测仪，还有另一件“利器”——多谱段云与气溶胶探测仪。这台探测仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为科学家精确反向推演二氧化碳浓度剔除干扰因素。
多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是“主角”，但可能会带来许多意想不到的收获。
杨忠东说，多谱段云与气溶胶探测仪能监测大气中的颗粒物，可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。
研究人员表示，具体如何监测雾霾，要等碳卫星传送回第一份数据后再做分析判断。
此外，碳卫星实现全球观测，是卫星平台频繁调整姿态、“翩翩起舞”的结果。在此过程中，科研人员突破了多项关键技术，实现了技术跨越发展。
项目意义
作为中国首颗“碳卫星”载荷，二氧化碳探测仪、云与气溶胶探测仪的研制成功将为温室气体排放、碳核查等领域的研究提供基础数据，为节能减排等宏观决策提供数据支撑，增加中国在国际碳排放方面的话语权。
参考资料
新华全媒+丨我国碳卫星实现城市二氧化碳排放定量监测.今日头条.2022-10-26