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(xué)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(tǒng)航空攝影測量技術(shù)已從二維時代邁向了三維時代。實景三維中國建設(shè)的順利開展，使得測繪地理信息行業(yè)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(chǎn)調(diào)度和生活規(guī)劃可通過線上實景三維空間完成，實景三維中國建設(shè)無疑將推動測繪地理信息行業(yè)邁向新的高度，為國家的經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展提供更加精準(zhǔn)、全面的地理信息支撐。航空攝影測量與超低軌衛(wèi)星遙感，二者分辨率較為相近，超低軌衛(wèi)星是衛(wèi)星遙感從二維走向三維的重要的突破口。

1 超低軌衛(wèi)星國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

通常而言，遙感衛(wèi)星一般在距離地面500~600km的高度運行，我國正在建設(shè)的低軌寬帶通信衛(wèi)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(lián)網(wǎng)衛(wèi)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(fā)射了超低軌技術(shù)試驗衛(wèi)星“燕子”，正常運行軌道設(shè)定在180~268km的范圍內(nèi)，最低曾經(jīng)達(dá)到167.4km，并且運行了7天時間，是公開衛(wèi)星中的最低世界紀(jì)錄。該衛(wèi)星采用了類似于飛機的外形，使用離子推力器、化學(xué)推力器來抵抗空氣阻力造成的影響，初步驗證了超低軌衛(wèi)星的理念。

美國初創(chuàng)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(wèi)星，并選擇在250~450km的超低軌道部署其衛(wèi)星。該公司已完成多輪融資，計劃2025年上半年發(fā)射首顆商業(yè)衛(wèi)星，未來還計劃發(fā)射6顆衛(wèi)星實現(xiàn)單日全球覆蓋，并最終構(gòu)建由24顆衛(wèi)星組成的星座，實現(xiàn)每日5次重訪。

2023年中國首顆超低軌道試驗衛(wèi)星是由浙江民企賽思倍斯發(fā)射成功，它先被火箭送入500km高軌道，之后根據(jù)需要逐步降低軌道，最終將到達(dá)200 km以下的軌道，以挑戰(zhàn)太空極低軌道高度并完成短期飛行業(yè)務(wù)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(shè)。

從國內(nèi)外的情況來看，目前針對超低軌衛(wèi)星的研究，只開展過一些科學(xué)應(yīng)用試驗。超低軌衛(wèi)星的軌道高度上仍存在稀薄的大氣，對衛(wèi)星的運行產(chǎn)生阻力，因此需要消耗更多的燃料。相較于傳統(tǒng)軌道，超低軌的動力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，稀薄大氣阻力、原子氧通量隨軌道降低以近指數(shù)規(guī)律增長，維持衛(wèi)星長期穩(wěn)定可靠運行需要面對諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。超低軌衛(wèi)星雖然目前尚未規(guī)模化應(yīng)用開發(fā)，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(guān)商業(yè)或科學(xué)探空活動。

此外，三維AI的推廣應(yīng)用，極大地提升了航天遙感服務(wù)的效率和質(zhì)量，使其能更好地服務(wù)于各行各業(yè)，服務(wù)大眾，實現(xiàn)高速增長，產(chǎn)生巨大社會經(jīng)濟效益。隨著傳感器和后處理技術(shù)的智能化，我國正朝著2030年成為全球AI高地的目標(biāo)穩(wěn)步前進(jìn)。這一發(fā)展趨勢有望徹底改變我國在衛(wèi)星領(lǐng)域“衛(wèi)星發(fā)射強、衛(wèi)星制造中、衛(wèi)星應(yīng)用弱”的局面，推動我國向世界衛(wèi)星應(yīng)用強國邁進(jìn)。相比馬斯克的只關(guān)注通訊、定位的星鏈計劃，我們將開辟一個新的超低軌衛(wèi)星遙感競爭領(lǐng)域。

2 超低軌衛(wèi)星優(yōu)勢與研究成果

超低軌衛(wèi)星星座的優(yōu)勢主要體現(xiàn)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(wèi)星能夠提供更高的觀測分辨率，同時實現(xiàn)同等分辨率下光學(xué)載荷重量、成本降低50%。

2）更低的通信時延。超低軌衛(wèi)星的通信時延更小，可以實現(xiàn)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(wèi)星星座可以實現(xiàn)用戶終端的小型化，便于更廣泛的應(yīng)用和部署。

4）全域覆蓋。超低軌衛(wèi)星星座通過在近地軌道上部署密集的衛(wèi)星陣列，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的無縫通信覆蓋。

5）星地聯(lián)動。與地面通信設(shè)施深度融合，提升了網(wǎng)絡(luò)的自主性和智能化水平。

6）快速響應(yīng)。超低軌衛(wèi)星星座可以實現(xiàn)分米級精準(zhǔn)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(wèi)星具有超高地面分辨率（優(yōu)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(yōu)勢，我們計劃將航空級傳感器搬到超低軌衛(wèi)星上，可大幅降低傳感器的制造難度,設(shè)計的超低軌衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 超低軌衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

關(guān)于超低軌衛(wèi)星的設(shè)計方案，我們論證了近3年的時間，并且對各種方案成功進(jìn)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(shù)都大大提高，實現(xiàn)從量變到質(zhì)變。

衛(wèi)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(fù)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(fā)射商業(yè)超低軌衛(wèi)星的所需費用，適合進(jìn)行大規(guī)模部署。

3 超低軌衛(wèi)星應(yīng)用前景與未來展望

超低軌衛(wèi)星對地高頻、高精度實時航天遙感的應(yīng)用，考驗著人類的想象力。

超低軌道衛(wèi)星因其高精度、高頻率和低成本等優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)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(tǒng)的遙感監(jiān)督分類方法，可以顯著提升以下應(yīng)用的性能和功能指標(biāo)：如重大災(zāi)害現(xiàn)場的遙感協(xié)同感知、水環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測、交通流量的實時監(jiān)測、移動目標(biāo)的實時監(jiān)測、雪崩預(yù)報等等，甚至在將來可以進(jìn)行重大活動的免費實時衛(wèi)星轉(zhuǎn)播。

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

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025年第3期，歡迎訂閱查看。

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