刘先林教授:新一代极低轨可变模式遥感小卫星的研究现状和前景

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作家：刘先林

中国工程院教授、中国测绘科学研究院名誉院长、研究员刘先林。研究方向是摄影测量和航空测量设备的研究。

从二维时代到三维时代，传统的航空摄影测量技术已经进入三维时代。自新中国成立以来，实景三维中国建设的顺利进行，使测绘地理信息产业获得了前所未有的巨额投资。到 2025 年，50% 上述政府决策、生产管理和生活规划可以通过网上实景三维空间完成。实景三维中国建设无疑将推动测绘地理信息产业走向新的高度，为国家经济建设和发展提供更准确、更全面的地理信息支持。航空摄影测量与超低轨卫星遥感，两者分辨率相近，超低轨卫星是卫星遥感从二维向三维的重要突破。

1 国内外超低轨卫星研究现状

一般来说，遥感卫星通常在地面上。 500~600km 高度运转，我国正在建设的低轨宽带通信卫星一般都在离地面。 1000km 轨道高度运行，而中国太空站位于离地面的地方。 400km 轨迹，美国“星链”互联网卫星星座的主要运行高度在于 550km 上下，而且未来中国极低轨道星座的运行高度计划将在 150~300km 之间。

2017 2008年，日本发射了“燕子”这颗极低轨技术试验卫星，正常运行轨道设定为 180~268km 在范围内，最低曾达到。 167.4km，而且运行了 7 时间是公共卫星中最低的世界纪录。卫星使用离子推力器和化学推力器来抵抗空气阻力的影响，类似于飞机的形状，初步验证了超低轨卫星的概念。

美国创业公司 Albedo 然后重点打造具有 10 高精度对地观察卫星的厘米分辨率，并选择 250~450km 卫星布置在极低的轨道上。该公司已完成多轮融资，计划 2025 第一颗商业卫星将于年上半年发射，并计划在未来发射。 6 一颗卫星可以在一天内实现全球覆盖，并且最终建成 24 星座由卫星组成，实现日常生活 5 次重访。

2023 2008年，浙江民营企业赛思倍斯成功发射了中国第一颗极低轨道实验卫星。 500km 高度轨道，以后根据需要逐步降低轨道，最终到达。 200 km 以下轨道，以挑战太空极低轨道高度，完成短期航行业务试验。同年 7 月份，中国航天科工集团空间工程总部也宣布启动“楚天”极低轨道通遥一体化星座建设。

就国内外情况而言，目前对超低轨卫星的研究，只进行了一些科学的应用实验。在轨道高度上，超低轨卫星仍然存在着稀薄的大气，对卫星的运转产生阻力，因此需要消耗更多的燃料。与传统轨道相比，极低轨道的动力学环境复杂，原子氧通量随轨道减少，以近指数规律增长。保持卫星稳定可靠运行需要面对许多技术挑战。虽然超低轨卫星还没有得到大规模的应用和开发，但它们有很大的升值空间。美国、日本和一些欧洲国家已经启动了商业或科学的空中探索活动。

此外，三维 AI 航天遥感服务的推广应用大大提高了航天遥感服务的效率和效果，使其能够更好地服务于各行各业和公众，实现快速增长，产生巨大的社会效益。伴随着传感器和后处理技术的智能化，我国正朝着传感器发展 2030 年成为全球 AI 高度目标稳步前进。这种发展趋势有望彻底改变我国卫星领域“卫星发射强、卫星制造弱、卫星应用弱”的局面，推动我国向世界卫星应用强国迈进。我们将开拓一个新的超低轨卫星遥感竞争领域，而马斯克只关注通信和定位星链计划。

2 超低轨卫星的优点和研究成果

超低轨卫星星座的优点主要表现在以下几个方面。

1)观察分辨率更高，成本更低。由于离地面较近，超低轨卫星可提供较高的观测分辨率，同时在同等分辨率下实现光学负载重量，降低成本。 50%。

二是通信延迟较低。超低轨道卫星通信延迟较小，能实现分钟级实时传输，让用户看得更快。

用户终端微型化。超低轨道卫星星座可以实现用户终端的小型化，便于更广泛的应用和部署。

四是全域覆盖。通过在近地轨道上部署集中的卫星阵型，超低轨卫星星座可以实现全球无缝通信覆盖。

五)星地联动。与地面通信设施紧密结合，提高了网络的自主性和智能化水平。

6)快速响应。超低轨道卫星星座可以实现分米级的精确感知，分钟级的实时传输，让用户看得更清楚，更快，更了解。

总体而言，超低轨卫星具有极高的路面分辨率(优于 0.2m）、超短重访周期(1.5h）、我们计划将航空级传感器搬到超低轨卫星上，具有时间特性极高、传感器重量轻等优点，可以大大降低传感器制造难度。 , 超低轨卫星设计的主要技术指标如表 1 所示。

表 1 超低轨卫星的主要技术指标

我们论证了超低轨卫星的设计方案。 3 多年来，同时成功地对各种方案进行了校飞，取得了以下研究成果。

(1)曝光时间从 1/1000s 提升为 1/30000s；（2）ISO（International Organization for Standardization）将感光度提高到 25600；(3)全球焦平面电子快门大大提高了传感器的各种参数，实现了从量变到质变。

卫星上使用的能见光传感器可以从线阵改为面阵，从而避免复杂的制造。 TDI（Time Delayed and Integration）传感器，能以极低的成本将路面分辨率提高到很高的水平 0.2m，商业超低轨卫星发射所需费用大幅降低，适用于大规模布局。

3 超低轨卫星的应用价值和未来展望

超低轨道卫星在地面高频、高精度即时航天遥感方面的应用，考验着人类的想象。

由于其高精度、高频率、低成本等优点，超低轨道卫星在许多领域都有很大的潜力。使用二维 / 三维 AI(人工智能)自动分类提取算法可以代替传统的遥感监督分类方法，显著提高以下应用的性能和功能指标:如重大灾害现场的遥感协同感知、水环境的动态监测、交通流量的实时监控、移动目标的实时监控、山崩预报等。，甚至可以在未来进行重大活动的免费即时卫星播放。

除了向外界销售能见光数据，未来的超低轨卫星还可以在航空平台上定制专业传感器(如扫描激光、合成孔径雷达、多光谱等)。)，并定制各种星上处理软件和地面私有云平台。

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