刘先林院士：新一代超低轨可变模态遥感小卫星研究现状与展望 | 科技导报

刘先林，摄影测量与遥感专家，中国工程院院士，中国测绘科学研究院名誉院长、研究员。研究方向为摄影测量和航测仪器的研究。

传统航空摄影测量技术已从二维时代迈向了三维时代。实景三维中国建设的顺利开展，使得测绘地理信息行业获得自新中国成立以来前所未有的巨额投资。到2025年，50%以上的政府决策、生产调度和生活规划可通过线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行业迈向新的高度，为国家的经济建设与发展提供更加精准、全面的地理信息支撑。航空摄影测量与超低轨卫星遥感，二者分辨率较为相近，超低轨卫星是卫星遥感从二维走向三维的重要的突破口。

1 超低轨卫星国内外研究现状

通常而言，遥感卫星一般在距离地面500~600km的高度运行，我国正在建设的低轨宽带通信卫星一般在距离地面1000km的轨道高度运行，中国空间站则位于距离地面400km的轨道，美国“星链”互联网卫星星座的主要运行高度在550km左右，而未来中国超低轨星座的运行高度计划将在150~300km之间。

2017年，日本发射了超低轨技术试验卫星“燕子”，正常运行轨道设定在180~268km的范围内，最低曾经达到167.4km，并且运行了7天时间，是公开卫星中的最低世界纪录。该卫星采用了类似于飞机的外形，使用离子推力器、化学推力器来抵抗空气阻力造成的影响，初步验证了超低轨卫星的理念。

美国初创公司Albedo则致力于打造具有10厘米分辨率的高精度对地观测卫星，并选择在250~450km的超低轨道部署其卫星。该公司已完成多轮融资，计划2025年上半年发射首颗商业卫星，未来还计划发射6颗卫星实现单日全球覆盖，并最终构建由24颗卫星组成的星座，实现每日5次重访。

2023年中国首颗超低轨道试验卫星是由浙江民企赛思倍斯发射成功，它先被火箭送入500km高轨道，之后根据需要逐步降低轨道，最终将到达200 km以下的轨道，以挑战太空极低轨道高度并完成短期飞行业务试验。同年 7月，中国航天科工集团空间工程总体部也宣布启动“楚天”超低轨通遥一体星座建设。

从国内外的情况来看，目前针对超低轨卫星的研究，只开展过一些科学应用试验。超低轨卫星的轨道高度上仍存在稀薄的大气，对卫星的运行产生阻力，因此需要消耗更多的燃料。相较于传统轨道，超低轨的动力学环境复杂，稀薄大气阻力、原子氧通量随轨道降低以近指数规律增长，维持卫星长期稳定可靠运行需要面对诸多技术挑战。超低轨卫星虽然目前尚未规模化应用开发，但其投资价值巨大，美国、日本以及一些欧洲国家均已启动相关商业或科学探空活动。

此外，三维AI的推广应用，极大地提升了航天遥感服务的效率和质量，使其能更好地服务于各行各业，服务大众，实现高速增长，产生巨大社会经济效益。随着传感器和后处理技术的智能化，我国正朝着2030年成为全球AI高地的目标稳步前进。这一发展趋势有望彻底改变我国在卫星领域“卫星发射强、卫星制造中、卫星应用弱”的局面，推动我国向世界卫星应用强国迈进。相比马斯克的只关注通讯、定位的星链计划，我们将开辟一个新的超低轨卫星遥感竞争领域。

2 超低轨卫星优势与研究成果

超低轨卫星星座的优势主要体现在以下几个方面。

1）更高的观测分辨率和更低的成本。由于距离地面更近，超低轨卫星能够提供更高的观测分辨率，同时实现同等分辨率下光学载荷重量、成本降低50%。

2）更低的通信时延。超低轨卫星的通信时延更小，可以实现分钟级实时传输，让用户看得更快。

3）用户终端小型化。超低轨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。

4）全域覆盖。超低轨卫星星座通过在近地轨道上部署密集的卫星阵列，实现全球范围内的无缝通信覆盖。

5）星地联动。与地面通信设施深度融合，提升了网络的自主性和智能化水平。

6）快速响应。超低轨卫星星座可以实现分米级精准感知、分钟级实时传输，让用户看得更清、更快、更懂。

总体来看，超低轨卫星具有超高地面分辨率（优于0.2m）、超短重访周期（1.5h）、超高时间特性、传感器重量超轻等优势，我们计划将航空级传感器搬到超低轨卫星上，可大幅降低传感器的制造难度,设计的超低轨卫星主要技术指标如表1所示。

表1 超低轨卫星主要技术指标

关于超低轨卫星的设计方案，我们论证了近3年的时间，并且对各种方案成功进行了校飞，取得了如下研究成果。

（1）曝光时间从1/1000s提升为1/30000s；（2）ISO（International Organization for Standardization）感光度提高至25600；（3）焦平面的全局电子快门使传感器各类参数都大大提高，实现从量变到质变。

卫星上所用的可见光传感器从线阵可以改成面阵，从而回避了制造复杂的TDI（Time Delayed and Integration）传感器，能够以极低的成本把地面分辨率提高到0.2m，大幅降低发射商业超低轨卫星的所需费用，适合进行大规模部署。

3 超低轨卫星应用前景与未来展望

超低轨卫星对地高频、高精度实时航天遥感的应用，考验着人类的想象力。

超低轨道卫星因其高精度、高频率和低成本等优势，在多个领域展现出巨大潜力。通过采用二维/三维AI（人工智能）自动分类提取算法替代传统的遥感监督分类方法，可以显著提升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、交通流量的实时监测、移动目标的实时监测、雪崩预报等等，甚至在将来可以进行重大活动的免费实时卫星转播。

未来的超低轨卫星除了对外发售可见光数据，也可定制超低轨卫星及航空平台上的专业传感器（如扫描激光、合成孔径雷达、多光谱……），以及定制各类星上处理软件和地面私有云平台等。

原文发表于《科技导报》2025年第3期，欢迎订阅查看。

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