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劉先林

攝影測(cè)量與遙感專家

中國(guó)工程院院士，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)、研究員。研究方向?yàn)閿z影測(cè)量和航測(cè)儀器的研究。

傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)已從二維時(shí)代邁向了三維時(shí)代。實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的順利開(kāi)展，使得測(cè)繪地理信息行業(yè)獲得自新中國(guó)成立以來(lái)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(guò)線上實(shí)景三維空間完成，實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)無(wú)疑將推動(dòng)測(cè)繪地理信息行業(yè)邁向新的高度，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)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(cè)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。

超低軌衛(wèi)星國(guó)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(yùn)行，我國(guó)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(yùn)行，中國(guó)空間站則位于距離地面400km的軌道，美國(guó)“星鏈”互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座的主要運(yùn)行高度在550km左右，而未來(lái)中國(guó)超低軌星座的運(yùn)行高度計(jì)劃將在150~300km之間。

2017年，日本發(fā)射了超低軌技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“燕子”，正常運(yùn)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(yùn)行了7天時(shí)間，是公開(kāi)衛(wèi)星中的最低世界紀(jì)錄。該衛(wèi)星采用了類似于飛機(jī)的外形，使用離子推力器、化學(xué)推力器來(lái)抵抗空氣阻力造成的影響，初步驗(yàn)證了超低軌衛(wèi)星的理念。

美國(guó)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(duì)地觀測(cè)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(jì)劃2025年上半年發(fā)射首顆商業(yè)衛(wèi)星，未來(lái)還計(jì)劃發(fā)射6顆衛(wèi)星實(shí)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(shí)現(xiàn)每日5次重訪。

2023年中國(guó)首顆超低軌道試驗(yàn)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(yàn)。同年 7月，中國(guó)航天科工集團(tuán)空間工程總體部也宣布啟動(dòng)“楚天”超低軌通遙一體星座建設(shè)。

從國(guó)內(nèi)外的情況來(lái)看，目前針對(duì)超低軌衛(wèi)星的研究，只開(kāi)展過(guò)一些科學(xué)應(yīng)用試驗(yàn)。超低軌衛(wèi)星的軌道高度上仍存在稀薄的大氣，對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)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(dòng)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(zhǎng)，維持衛(wèi)星長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行需要面對(duì)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(kāi)發(fā)，但其投資價(jià)值巨大，美國(guó)、日本以及一些歐洲國(guó)家均已啟動(dòng)相關(guān)商業(yè)或科學(xué)探空活動(dòng)。

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(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)，產(chǎn)生巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。隨著傳感器和后處理技術(shù)的智能化，我國(guó)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(shì)有望徹底改變我國(guó)在衛(wèi)星領(lǐng)域“衛(wèi)星發(fā)射強(qiáng)、衛(wèi)星制造中、衛(wèi)星應(yīng)用弱”的局面，推動(dòng)我國(guó)向世界衛(wèi)星應(yīng)用強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。相比馬斯克的只關(guān)注通訊、定位的星鏈計(jì)劃，我們將開(kāi)辟一個(gè)新的超低軌衛(wèi)星遙感競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。

超低軌衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)與研究成果

超低軌衛(wèi)星星座的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）更高的觀測(cè)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(cè)分辨率，同時(shí)實(shí)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(shí)延。

超低軌衛(wèi)星的通信時(shí)延更小，可以實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)在近地軌道上部署密集的衛(wèi)星陣列，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的無(wú)縫通信覆蓋。

5）星地聯(lián)動(dòng)。

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(shí)現(xiàn)分米級(jí)精準(zhǔn)感知、分鐘級(jí)實(shí)時(shí)傳輸，讓用戶看得更清、更快、更懂。

總體來(lái)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(shí)間特性、傳感器重量超輕等優(yōu)勢(shì)，我們計(jì)劃將航空級(jí)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(jì)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(jì)方案，我們論證了近3年的時(shí)間，并且對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變。

衛(wèi)星上所用的可見(jiàn)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(fèi)用，適合進(jìn)行大規(guī)模部署。

超低軌衛(wèi)星應(yīng)用前景與未來(lái)展望

超低軌衛(wèi)星對(duì)地高頻、高精度實(shí)時(shí)航天遙感的應(yīng)用，考驗(yàn)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(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。通過(guò)采用二維/三維AI（人工智能）自動(dòng)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(chǎng)的遙感協(xié)同感知、水環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、交通流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、雪崩預(yù)報(bào)等等，甚至在將來(lái)可以進(jìn)行重大活動(dòng)的免費(fèi)實(shí)時(shí)衛(wèi)星轉(zhuǎn)播。

未來(lái)的超低軌衛(wèi)星除了對(duì)外發(fā)售可見(jiàn)光數(shù)據(jù)，也可定制超低軌衛(wèi)星及航空平臺(tái)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(tái)等。

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本文轉(zhuǎn)載自“科技導(dǎo)報(bào)”，原標(biāo)題《劉先林院士：新一代超低軌可變模態(tài)遙感小衛(wèi)星研究現(xiàn)狀與展望 | 科技導(dǎo)報(bào)》。

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