利用监测有机排放物VOCS.docx

利用 遥感卫星监测有机排放物 VOC S
        摘要：VOCs是英文（volatile organic compounds）的缩写称谓，是指挥发性有机物的总量，一般包括：常压下，沸点50℃至260℃的各种有机烃类化合物。目前大部分科学家认定VOCs是产生大气PM2.5污染和臭氧（O3）的重要污染物，挥发性有机物“VOCs”的监测和治理已经成为治理大气污染的重要任务，环境保护部已开始制定VOCs排放治理行动方案。为贯彻环境保护部《大气污染防治行动计划》和《石化行业挥发性有机物综合整治方案》有关要求和工作部署，中国石油天然气集团公司编制了《中国石油天然气集团公司挥发性有机物综合整治工作方案》。
采用遥感监测卫星监测有机排放物（VOCs)具有准确、高效和及时性强的特点，可大幅度降低监测费用和工作量，提高及时性，VOCs遥感监测系统主要由：监测卫星、地面站及数据处理系统、遥感监测标准体系组成。利用遥感卫星监测VOCs具有重要意义，通过收集相关遥感卫星红外成像光谱信息，对获取的数据进行几何校正、遥感提取信息处理，提取VOCs浓度分布信息，以获取更为详细的宏观分布规律数据，进而为当地的相关决策与环境治理提供科学依据。        
关键词：遥感技术；红外成像光谱仪；标准；卫星；VOCS

0引言
在我国，VOCs是指常温下饱和蒸汽压大于70 Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下，蒸汽压大于或者等于10 Pa且具有挥发性的全部有机化合物［1］。挥发性有机化合物（VOCs）是产生大气PM2.5污染和臭氧（O3）的重要污染物，已经严重威胁我国城镇居民的身体健康。由VOCs引起的雾霾污染已经在我国工业发达区域集中爆发，VOCs污染已然成为困扰我国环境治理的重大问题，中国政府已经开始重视对VOCs的管控。根据国家《大气污染防治行动计划》《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，以及环境保护部《石化行业挥发性有机物综合整治方案》有关要求和工作部署，推进挥发性有机物（VOCS）综合整治，2014年5月，国务院办公厅发布的《大气污染防治行动计划实施情况考核办法（试行）》，提出对各省（区、市）人民政府《大气污染防治行动计划》实施情况进行年度考核，考核以PM10和PM2.5为主要目标，其中“工业挥发性有机物治理”考核比重为7%。12月，环保部发布《石化行业挥发性有机物综合整治方案》，针对基础较好的石化行业提出明确的整治节点，如“2015年底前，全国石化行业全面开展LDAR工作，京津冀、长三角、珠三角等区域石化行业完成VOCs综合整治工作，其他区域石化行业全面开展VOCs综合整治工作”、“到2017年7月前，全国石油化工行业基本完成VOCs综合整治工作，建成VOCs监测监控体系”。［2］
目前，我国采用便携式FID/PID、红外相机以及在线监测等监测方法进行VOCs监测监控，工作量巨大（以一般规模炼油厂为例，监测点数达到几十万，监测费用接近千万级别），费时费力，累加方式的系统误差不能准确反映某个工厂或区域的VOCs的排放总量。现有监测方法难以精准实施《挥发性有机物排污收费试点办法》。
采用小型遥感监测卫星监测有机排放物（VOCs)具有准确，高效和及时性强的特点，可大幅度降低监测费用和工作量，提高及时性，一颗卫星可完成上百家企业有机排放物（VOCs)的监测，节省监测费用亿元以上，同时满足国家对有机排放物（VOCs)总量控制的要求。
1 VOCs遥感监测系统
1.1卫星系统
1.1.1卫星平台
卫星系统根据有机排放物（VOCs)遥感监测的技术需求，卫星在正常的测量过程中处于三轴稳定状态；卫星平台使用成熟的TPX102平台（卫星平台信息总体设计方案见图三）；在卫星本体的+Z面安装可见光探测载荷。卫星技术指标见表一。

图一 TPX102卫星平台
 项目
设计指标
卫星轨道
500km太阳同步轨道；轨道倾角：97.4度；
三星同轨组网；（亦可六星三组同轨组网；）
单星日过境次数，3次-4次；最长过境时常20min
姿态控制
姿态指向精度：≤ 0.5°（3σ）；
姿态稳定度：≤ 0.05°/s（3σ）；
星地通讯
测控：UHF测控链路
数传：S波段，16M星地传输
可见光相机
星下点像元分辨率： 15m（@500km轨道高度处）
有机污染物监测载荷
有机物探测光谱分辨率：0.003 cm-1视场角：90 mrad
质量与包络
整星质量：<200kg；
包络尺寸：不大于1000mm×650mm×600mm；
能源：最大支持功率28W，最大支持功率余量7W
表一卫星平台主要技术指标
图二卫星研制流程及时间表

图三 卫星平台信息总体设计方案

1.1.2总体数据估量
有机排放物（VOCs)遥感监测卫星每天产生的数据量为10Gbit；卫星上使用的S波段发射机数据传输速率为16Mbps，目前可以使用的S波段地面接收站包括三亚地面站，北京地面站、酒泉地面站和新疆克拉玛依地面站（新建）等，每天过站时间最少20分钟，可以下行的数据量为32Gbit数据，单站数据接受尚能满足数据传输的要求。S波段发射机的发射功率为2W；卫星运行在500km轨道时信道余量是5dB（误码率10-6）。

1.1.3供配电设计
卫星平台的供配电在TPX102平台的基础上进行优化；载荷的平均功耗为20W，平台为载荷提供5V和12V可控电源，满足载荷用电需求；目前TY-2 6U平台太阳能电池阵的最大输出功率是28W，锂电池组容量为150Wh，平台平均功耗9W，最大瞬时功耗满足载荷25W（10min），满足可见光载荷时间。在观测阶段，采用对地稳定模式；在非观测阶段，采用对日定向模式。经过计算能源满足卫星单轨平衡的问题。
1.1.4 电气接口设计
1. 卫星平台具有CAN总线接口，CAN总线稳定性较好，所以，载荷与卫星平台之间的通信接口选用CAN总线进行通信。
2. 根据任务需求，有机排放物遥感监测卫星产生的数据主要为AIS数据和图像数据，所以，探测仪与卫星平台之间的数据接口选择LVDS高速通信接口。
3. 根据任务需求，卫星平台提供所需的5V，12V电源供电。
4.载荷进行设计时具有独立的调试接口，可满足载荷与卫星平台并行测试需求。
1.2星载光谱仪
星载光谱仪采用DOAS差分红外光谱技术探测，依据化合物化学结构，当红外光穿过VOCs气体时，一部分波长的光将被吸收。覆盖波长7.5~14.0μm的热红外光谱仪器可根据气体的吸收或发射峰准确检测出几乎所有的化学气体物质（物质自身分子谱），和气体分子振动特征相关，稳定准确。可以实现探测灵敏度0.1ppm，探测精度0.5ppm。目标驻留工作方式对热点地区观测，目标观测范围20kmX20km，100m空间分辨率，探测小区域范围（厂区规模）VOCs气体空间分布。
图四星载光谱仪工作机理

1.2.1星载DOAS差分光谱仪技术指标
1、工作波段范围3.0μm-4.5μm；
2、可编程扫描光谱波段；
3、选择3.0μm-3.5μm波段作为总量监测波段，其他波段作为辅助探测和种类识别；
4、采用二级光学系统+可调谐滤光器探测方案。
1.2.2星载DOAS红外光谱仪光学系统
星载DOAS红外光谱仪光学系统由前置望远镜和光谱仪两大部分组成（见图四），光谱采用光栅分光，根据监测目标组成成分的不同采用多波段扫描方式。
图五星载DOAS红外光谱仪光学系统

图六红外光谱仪光机结构

表二星载DOAS差分光谱仪技术指标

1.2.3红外光谱仪校准方案
红外成像光谱仪的校准采用面源黑体与VOCs气体吸收池来完成； VOCs气体池中分别充入不同种类烃类挥发气体，标定气体光学厚度与光谱灵敏度之间的关系；气体含量低是采用3.0μm-3.5μm吸收波段，气体含量高时采用辅助弱吸收探测波段；同时开发基于卫星遥感DOAS的VOCs探测反演软件。
1.3地面站系统
本项目计划在新疆克拉玛依市建立一个新的卫星地面站，新地面站是基于多光谱红外VOCs监测卫星的地面配套系统，主要实现对VOCs监测卫星的数据回传和在轨卫星的控制。
1.3.1地面站接受系统
建
立商业化X频段地面站负责VOCs监测卫星（克拉玛依号卫星）数据接收和处理。主要实现对VOCs监测卫星的数据回传、数据处理和数据发布，同时能够兼顾卫星数据接收的商业化运营（如国内商业航天公司的在轨遥感卫星的数据下行），为未来空天大数据站群提供准备。通用民用轨遥感卫星的地面站建设，最终形成一套基于遥感卫星的大数据中心，将为克拉玛依市的产业升级提供强劲的动力。最终能够在克拉玛依市形成一个以VOCs卫星监测数据为主，其他类型遥感数据为辅的卫星大数据中心。
图七商业化民用卫星地面站

图八-1、2、3、4地面站数据处理系统
1.3.2地面站卫星测控系统
地面站卫星测控系统负责VOCs监测卫星（克拉玛依号卫星）的测控，使用UHF测控收发机，下行速率传输速率为9.6kbps，上行数据传输 速率为4.8kbps；UHF测控地面站可以同时跟踪10颗低轨卫星； UHF测控软件包括：遥测数据的显示、存储，需要上行的卫星指令，软件在轨注入，卫星全任务剖面测试，故障注入测试等内容。
同时根据其他商业卫星用户需求，卫星可以转为其他波段测控。
图
九地面站卫星测控系统
1.4遥感监测标准体系
针对配合VOCs监测卫星数据认可，将建立如下监测标准及技术规范：
1.4.1《卫星遥感技术监测VOCs排放总量监测标准》;
1.4.2《卫星遥感技术监测VOCs排放总量数据处理系统标准》;
1.4.3《VOCs排放总量监测卫星技术规范》;
1.4.4《VOCs排放总量监测卫星地面站系统技术规范》
2结语
采用遥感监测卫星监测有机排放物（VOCs)具有准确，高效和及时性强的特点，可大幅度降低监测费用和工作量，提高及时性，VOCs遥感监测系统主要由：监测卫星、地面站及数据处理系统、遥感监测标准体系组成。 利用遥感卫星监测VOCs具有重要意义，通过收集相关遥感卫星红外成像光谱信息，对获取的数据进行几何校正、遥感提取信息处理，提取VOCs浓度分布信息，以获取更为详细的宏观分布规律数据，进而为当地的相关决策与环境治理提供科学依据。    
同时该项目将以克拉玛依首星为基础，建立克拉玛依商业卫星群，秉承“让天地触手可及”的愿景，将卫星应用到更多的商业领域。建立“天链”卫星地面站系统，让更多商用卫星数据进入空天大数据系统。
建立商用卫星商业发展模式，为克拉玛依市的产业多样化、高科技化和智能化发展提供一个方向。
参考文献：
1.
《甲醇罐区无组织挥发性有机废气治理工艺研究》 陈鹏;岳军 ;李臣华; 《中国新技术新产品》- 2019-07-10。
2.
《近年我国炼油行业相关政策及其导向》 庞江竹;宋爱萍;缪超;《国际石油经济》- 2015-05-25