海南衛星星座建設進展及應用展望

文|王雷 楊天梁

中國科學院空天信息研究院海南研究院（海南省地球觀測重點實驗室）

一、前言

海南自由貿易港建設和海南省可持續發展等需要以衛星遙感為核心的綜合觀測空間信息支撐。然而，海南特殊的地理位置，多云雨的氣候條件對高質量衛星遙感數據的獲取提出了諸多挑戰。衛星遙感具有的突出優勢是快速、動態、全面、準確，尤其是面對大面積海域動態觀測具有無可比擬的優勢。海南省是我國典型的熱帶亞熱帶省份，具有豐富的農業、林業、海洋等自然資源，準確及時掌握這些資源動態變化情況對于海南自貿港建設具有重要意義。

為落實《海南自由貿易港建設總體方案》部署，中國科學院空天信息研究院海南研究院基于海南省所處的熱帶亞熱帶低緯度區域特征，面向社會經濟發展對衛星遙感數據的迫切需求，致力于解決海洋經濟活動的信息保障難題，組織力量策劃論證了建設海南衛星星座的必要性和可行性。通過海南衛星星座建設，探索出一條在海南培育孵化衛星設計、組裝，火箭商業發射和衛星數據應用的商業航天發展路徑，進而在海南打造一個完整的航天生態產業鏈。

海南衛星星座建成后，將使海南的衛星研發、組裝、測控能力基本形成，將解決海南及周邊區域空間信息獲取難題，同時促使以衛星大數據應用為特征的海南空天信息產業和商業航天產業基本成型，為海南自由貿易港建設提供重要的空間信息保障。

二、星座介紹及建設進展

海南衛星星座規劃十顆衛星，由四顆海南一號光學衛星、兩顆文昌一號光學衛星、兩顆三亞一號高光譜衛星和兩顆三沙一號合成孔徑雷達（SAR）系列衛星組成。

1.星座構型

海南位于低緯度地區，是全國擁有最大海洋國土的省份。目前，在軌運行的遙感衛星對包括海南在內的低緯度地區的觀測覆蓋能力不足，導致對海南信息的有效獲取能力較低。海南衛星星座是基于海南的地理條件和發展需求設計的，對比傳統的太陽同步軌道，采用低傾角軌道將顯著增加衛星在海南及其周邊的覆蓋度。海南衛星星座系列衛星設計了2 個軌道傾角。其中，海南衛星星座首期四顆星，海南一號01 星/02 星、文昌一號01 星/02 星運行于太陽同步軌道，衛星軌道傾角97°，軌道高度535km。海南一號03/04 星、三亞一號01/02 星和三沙一號01/02 星等六顆衛星將運行于30°低傾角軌道(圖1）。

圖1 海南衛星星座構成

2.星座能力

根據衛星星座首期四顆星發射后實際軌道的相位差，按海南一號01 星幅寬110km、文昌一號01星/02 星幅寬115km，海南一號02 幅寬12km，并且每顆衛星都側擺20°來進行模擬，首期發射入軌4 顆星，實現海南島覆蓋觀測平均周期約3.5 天，實現海南島周邊覆蓋觀測平均周期約5 天。

此外，經模擬和推算，如果采用30°傾角和500km 的軌道高度，3 顆衛星組成的低緯度觀測星座就可以對海南及其周邊海域進行每天一次、重點區域每天多次的全覆蓋觀測。如果星座內衛星增加到10 顆，就可以對全球南北緯30°之間的全部熱帶和海洋區域進行高覆蓋觀測。

3.星座建設計劃

海南一號01 星/02 星，文昌一號01 星/02 星已于2022 年2 月 27 日發射入軌。按照計劃，海南衛星星座其余六顆衛星（海南一號03/04 星、三亞一號01/02 星和三沙一號01/02 星）將于2022 年下半年啟動研制，并于2 年內完成發射，完成海南衛星星座建設。

4.已入軌衛星介紹

海南一號01 星、文昌一號01 星/02 星是集對地觀測和船舶自動識別系統（AIS）采集為一體的微小衛星，主要對海南及環省海域進行遙感成像以及船只航向、速度、方位等信息收集處理。其中海南一號01 星采用全色雙線陣成像，主要用于大面積海域船只的高效識別與船只信息下傳；文昌一號01 星/02 星雙星狀態一致，主要用于組網觀測，重點服務于自然資源、農業、林業、海洋、城市管理等行業。海南一號02 星是高分辨率對地觀測和船舶AIS 采集為一體的微小衛星，主要完成對地觀測和船舶識別，服務于自然資源、農業、林業、海洋、交通、生態環保、城市管理等行業，具有推掃和視頻成像等工作模式。衛星主要參數見表1。

表1 衛星主要參數

三、應用情況

1.首發四星初步應用情況及特點

首發四星的初步應用情況主要聚焦于海洋，同時兼顧海南島上農業、林業、自然資源、城市管理等應用需求。

海南一號01 星采用全色雙線陣成像，具備星上在軌圖像處理能力，主要識別船只。同時，遙感數據下傳的時候，根據需要可以只下傳船只附近的影像，具有高效的船只識別及船只信息下傳的優勢。另外，寬幅也是海南一號寬幅雙線陣相機的特色，單幅影像幅寬是東西向110km，南北向約1900km，一幅圖像就覆蓋了20 多萬平方千米的區域，相當于一幅數據就覆蓋了海南省管轄海域的大概1/10。文昌一號01/02 星同樣是寬幅衛星，幅寬為115km，通過多星組網，可以快速實現對海南及其周邊覆蓋觀測。

海南一號02星是高分辨率對地觀測微小衛星，依托其衛星平臺的高精度姿態控制，可實現對港口或重點關注區域的4K 高清視頻成像，對所關注區域實現更高成像質量的滑動拍照成像，可以滿足多種任務需求，還具備記錄、回放和邊記邊放等模式，充分利用300M 數據下傳能力，實現衛星的高效能使用。

海南一號01 星、文昌一號01 星/02 星的寬幅相機和海南一號02 星高分相機不僅各有特點，而且還可以互相合作，提升應用效果。當海南一號01星、文昌一號01 星/02 星等寬幅相機通過大范圍普查檢測到重點目標后，通過衛星星座配合，用海南一號02 星高分相機進行目標詳查，相當于對一幅大圖中的小圖進行細節放大，依靠高分相機更高分辨率的遙感圖像可對漁船、貨船進一步識別和確認，為保護海洋貢獻精細感知力量。

此外，首發四星的一大特色是基于通用型微納衛星平臺，通過整合多光譜探測、船舶自動識別系統AIS 通信的適應性組合，實現對船舶進行探測、識別以及動態信息的獲取。例如，海南一號01 星可完成星上圖像自動艦船檢測和識別，結合AIS 數據確定艦船的種類、數量、位置、航向和航速等重要參數，同時利用多個船只相對位置關系進行圖像匹配，作為控制點修正圖像，提高圖像定位精度。

在此基礎上，將進一步深化在不同領域的典型應用，從而為海南常態化動態觀測提供全方位的衛星遙感數據支撐。主要的應用行業包括：農業（農業資源監測，包括橡膠、水稻、瓜菜、水果、設施大棚等遙感監測）；林業（森林覆蓋變化遙感監測、森林火情監測等）；生態環保（重點河道、水庫監測，包括河道垃圾、河道污染、水質監測等）；城市管理（兩違建筑和洗沙場監測）；海洋觀測（海上應急搜救、船舶識別；海洋航運，包括港口開發和監測、海運物流、海洋交通）；自然災害（溢油、赤潮、風暴潮、臺風）以及海岸帶開發（三角洲開發、近海濕地保護）等。目前，首發四星已發布相關衛星影像（圖2—圖3）。

圖2 海南一號01 星廣州市衛星影像

圖3 海南一號02 星洛杉磯國際機場衛星影像

2.后續星座應用特點

由于海南省多云多雨的氣候特點，很大程度限制了光學遙感衛星的應用，SAR 衛星是一種主動式微波遙感技術，能夠在不利氣候和環境條件下獲取雷達圖像,具有全天時、全天候對地觀測能力。近些年，SAR 衛星在地形測繪、洪水監測、地質災害監測、農業、林業、海洋、城市管理等方面發揮了重要作用。現有國內外SAR 衛星遙感數據還遠遠不能滿足海南省資源監測的實際需求。此外，由于高光譜遙感具有波段多，譜帶窄、信息豐富的特點，海南衛星星座后續將開展高光譜衛星和SAR 衛星建設，切實解決海南資源監測中面臨的遙感數據短缺問題，服務于熱帶農業、海洋資源、林業資源等行業。

兩顆三亞一號高光譜衛星是集對地觀測和船舶AIS 采集為一體的小衛星，配置一臺大幅寬高分辨率高光譜相機，三軸敏捷成像能力，具備推掃成像、凝視視頻等多種成像模式。衛星主要完成對地成像觀測和船舶監測，服務于農業、林業、海洋等行業，應用領域包括：農作物精細分類及動態變化分析、農作物生物生化參量反演、農作物病蟲害監測及農作物產量估計及品質監測；森林資源統計、森林變化監測、森林長勢評估、森林病蟲害監測；水質狀況評估、污染狀況監測、赤潮監測、魚情漁汛、海岸狀態監測等。

兩顆三沙一號SAR 衛星是集對地觀測和船舶AIS 采集為一體的衛星，主要完成對地成像觀測和船舶監測。衛星配置一臺C 頻段合成孔徑雷達，具有滑動聚束、條帶和掃描等多種成像模式。SAR 衛星將極大地改善因云雨導致的遙感數據匱乏現狀，有利于實現海南農業、林業、海洋等自然資源的及時動態變化監測，為海南自由貿易港建設過程中決策制定提供重要的數據支撐和技術支持。

四、發展展望

海南衛星星座首期四顆衛星發射入軌后，通過組網觀測，可獲取大量海南及周邊區域的衛星遙感數據，可對海南及其管轄海域提供全方位業務化動態觀測，可以保障海南在自然資源、農業、林業、海洋環境監測、海洋航運、船只動態管理以及海上應急搜救和漁業信息服務等重點領域的空間數據需求，服務于自然資源、農業、林業、海洋、生態環保等部門和海口、三亞、三沙市等重點市縣，助力海南自由貿易港建設。

目前，海南衛星星座已實現“海南造、海南發、海南用”的最初設想。海南省平價菜保供惠民行動專班辦公室、海南省數據產品超市、海南省海洋與漁業監察總隊、中國人民財產保險股份有限公司三亞分公司、海南大學、海南熱帶海洋學院、三亞學院等單位已簽署了海南一號衛星數據使用及應用推廣意向協議書，將共同推動衛星數據應用推廣。

后續，將在前期數據和信息服務需求調研基礎上，開展衛星數據產品設計、衛星數據產品研發并完成數個衛星典型應用案例（包括衛星遙感與AIS船只檢測與監測服務、光學遙感海洋生態環境檢測服務等）。然后主要完成海南衛星星座后續星（三亞一號、三沙一號等后續六顆衛星）的研制、根據用戶需求建立定制化的數據和信息服務平臺、提供數據產品輸送和信息服務，完成海南省智慧監管空天系列應用部署等。