劉先林

攝影測量與遙感專家

中國工程院院士，中國測繪科學研究院名譽院長、研究員。研究方向為攝影測量和航測儀器的研究。

傳統航空攝影測量技術已從二維時代邁向了三維時代。實景三維中國建設的順利開展，使得測繪地理信息行業獲得自新中國成立以來前所未有的巨額投資。到2025年，50%以上的政府決策、生產調度和生活規劃可通過線上實景三維空間完成，實景三維中國建設無疑將推動測繪地理信息行業邁向新的高度，為國家的經濟建設與發展提供更加精準、全面的地理信息支撐。航空攝影測量與超低軌衛星遙感，二者分辨率較為相近，超低軌衛星是衛星遙感從二維走向三維的重要的突破口。

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超低軌衛星國內外研究現狀

通常而言，遙感衛星一般在距離地面500~600km的高度運行，我國正在建設的低軌寬帶通信衛星一般在距離地面1000km的軌道高度運行，中國空間站則位于距離地面400km的軌道，美國“星鏈”互聯網衛星星座的主要運行高度在550km左右，而未來中國超低軌星座的運行高度計劃將在150~300km之間。

2017年，日本發射了超低軌技術試驗衛星“燕子”，正常運行軌道設定在180~268km的范圍內，最低曾經達到167.4km，并且運行了7天時間，是公開衛星中的最低世界紀錄。該衛星采用了類似于飛機的外形，使用離子推力器、化學推力器來抵抗空氣阻力造成的影響，初步驗證了超低軌衛星的理念。

美國初創公司Albedo則致力于打造具有10厘米分辨率的高精度對地觀測衛星，并選擇在250~450km的超低軌道部署其衛星。該公司已完成多輪融資，計劃2025年上半年發射首顆商業衛星，未來還計劃發射6顆衛星實現單日全球覆蓋，并最終構建由24顆衛星組成的星座，實現每日5次重訪。

2023年中國首顆超低軌道試驗衛星是由浙江民企賽思倍斯發射成功，它先被火箭送入500km高軌道，之后根據需要逐步降低軌道，最終將到達200 km以下的軌道，以挑戰太空極低軌道高度并完成短期飛行業務試驗。同年 7月，中國航天科工集團空間工程總體部也宣布啟動“楚天”超低軌通遙一體星座建設。

從國內外的情況來看，目前針對超低軌衛星的研究，只開展過一些科學應用試驗。超低軌衛星的軌道高度上仍存在稀薄的大氣，對衛星的運行產生阻力，因此需要消耗更多的燃料。相較于傳統軌道，超低軌的動力學環境復雜，稀薄大氣阻力、原子氧通量隨軌道降低以近指數規律增長，維持衛星長期穩定可靠運行需要面對諸多技術挑戰。超低軌衛星雖然目前尚未規模化應用開發，但其投資價值巨大，美國、日本以及一些歐洲國家均已啟動相關商業或科學探空活動。

此外，三維AI的推廣應用，極大地提升了航天遙感服務的效率和質量，使其能更好地服務于各行各業，服務大眾，實現高速增長，產生巨大社會經濟效益。隨著傳感器和后處理技術的智能化，我國正朝著2030年成為全球AI高地的目標穩步前進。這一發展趨勢有望徹底改變我國在衛星領域“衛星發射強、衛星制造中、衛星應用弱”的局面，推動我國向世界衛星應用強國邁進。相比馬斯克的只關注通訊、定位的星鏈計劃，我們將開辟一個新的超低軌衛星遙感競爭領域。

02

超低軌衛星優勢與研究成果

超低軌衛星星座的優勢主要體現在以下幾個方面。

1）更高的觀測分辨率和更低的成本。

由于距離地面更近，超低軌衛星能夠提供更高的觀測分辨率，同時實現同等分辨率下光學載荷重量、成本降低50%。

2）更低的通信時延。

超低軌衛星的通信時延更小，可以實現分鐘級實時傳輸，讓用戶看得更快。

3）用戶終端小型化。

超低軌衛星星座可以實現用戶終端的小型化，便于更廣泛的應用和部署。

4）全域覆蓋。

超低軌衛星星座通過在近地軌道上部署密集的衛星陣列，實現全球范圍內的無縫通信覆蓋。

5）星地聯動。

與地面通信設施深度融合，提升了網絡的自主性和智能化水平。

6）快速響應。

超低軌衛星星座可以實現分米級精準感知、分鐘級實時傳輸，讓用戶看得更清、更快、更懂。

總體來看，超低軌衛星具有超高地面分辨率（優于0.2m）、超短重訪周期（1.5h）、超高時間特性、傳感器重量超輕等優勢，我們計劃將航空級傳感器搬到超低軌衛星上，可大幅降低傳感器的制造難度,設計的超低軌衛星主要技術指標如表1所示。

表1 超低軌衛星主要技術指標

關于超低軌衛星的設計方案，我們論證了近3年的時間，并且對各種方案成功進行了校飛，取得了如下研究成果。

（1）曝光時間從1/1000s提升為1/30000s；

（2）ISO（International Organization for Standardization）感光度提高至25600；

（3）焦平面的全局電子快門使傳感器各類參數都大大提高，實現從量變到質變。

衛星上所用的可見光傳感器從線陣可以改成面陣，從而回避了制造復雜的TDI（Time Delayed and Integration）傳感器，能夠以極低的成本把地面分辨率提高到0.2m，大幅降低發射商業超低軌衛星的所需費用，適合進行大規模部署。

03

超低軌衛星應用前景與未來展望

超低軌衛星對地高頻、高精度實時航天遙感的應用，考驗著人類的想象力。

超低軌道衛星因其高精度、高頻率和低成本等優勢，在多個領域展現出巨大潛力。通過采用二維/三維AI（人工智能）自動分類提取算法替代傳統的遙感監督分類方法，可以顯著提升以下應用的性能和功能指標：如重大災害現場的遙感協同感知、水環境的動態監測、交通流量的實時監測、移動目標的實時監測、雪崩預報等等，甚至在將來可以進行重大活動的免費實時衛星轉播。

未來的超低軌衛星除了對外發售可見光數據，也可定制超低軌衛星及航空平臺上的專業傳感器（如掃描激光、合成孔徑雷達、多光譜……），以及定制各類星上處理軟件和地面私有云平臺等。

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本文轉載自“科技導報”，原標題《劉先林院士：新一代超低軌可變模態遙感小衛星研究現狀與展望 | 科技導報》。

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