海南衛(wèi)星星座建設(shè)進(jìn)展及應(yīng)用展望

文|王雷 楊天梁

中國科學(xué)院空天信息研究院海南研究院（海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

一、前言

海南自由貿(mào)易港建設(shè)和海南省可持續(xù)發(fā)展等需要以衛(wèi)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(zhì)量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的獲取提出了諸多挑戰(zhàn)。衛(wèi)星遙感具有的突出優(yōu)勢是快速、動態(tài)、全面、準(zhǔn)確，尤其是面對大面積海域動態(tài)觀測具有無可比擬的優(yōu)勢。海南省是我國典型的熱帶亞熱帶省份，具有豐富的農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋等自然資源，準(zhǔn)確及時掌握這些資源動態(tài)變化情況對于海南自貿(mào)港建設(shè)具有重要意義。

為落實(shí)《海南自由貿(mào)易港建設(shè)總體方案》部署，中國科學(xué)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(qū)域特征，面向社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的迫切需求，致力于解決海洋經(jīng)濟(jì)活動的信息保障難題，組織力量策劃論證了建設(shè)海南衛(wèi)星星座的必要性和可行性。通過海南衛(wèi)星星座建設(shè)，探索出一條在海南培育孵化衛(wèi)星設(shè)計(jì)、組裝，火箭商業(yè)發(fā)射和衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的商業(yè)航天發(fā)展路徑，進(jìn)而在海南打造一個完整的航天生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。

海南衛(wèi)星星座建成后，將使海南的衛(wèi)星研發(fā)、組裝、測控能力基本形成，將解決海南及周邊區(qū)域空間信息獲取難題，同時促使以衛(wèi)星大數(shù)據(jù)應(yīng)用為特征的海南空天信息產(chǎn)業(yè)和商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)基本成型，為海南自由貿(mào)易港建設(shè)提供重要的空間信息保障。

二、星座介紹及建設(shè)進(jìn)展

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

1.星座構(gòu)型

海南位于低緯度地區(qū)，是全國擁有最大海洋國土的省份。目前，在軌運(yùn)行的遙感衛(wèi)星對包括海南在內(nèi)的低緯度地區(qū)的觀測覆蓋能力不足，導(dǎo)致對海南信息的有效獲取能力較低。海南衛(wèi)星星座是基于海南的地理?xiàng)l件和發(fā)展需求設(shè)計(jì)的，對比傳統(tǒng)的太陽同步軌道，采用低傾角軌道將顯著增加衛(wèi)星在海南及其周邊的覆蓋度。海南衛(wèi)星星座系列衛(wèi)星設(shè)計(jì)了2 個軌道傾角。其中，海南衛(wèi)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(yùn)行于太陽同步軌道，衛(wèi)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(wèi)星將運(yùn)行于30°低傾角軌道(圖1）。

圖1 海南衛(wèi)星星座構(gòu)成

2.星座能力

根據(jù)衛(wèi)星星座首期四顆星發(fā)射后實(shí)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(wèi)星都側(cè)擺20°來進(jìn)行模擬，首期發(fā)射入軌4 顆星，實(shí)現(xiàn)海南島覆蓋觀測平均周期約3.5 天，實(shí)現(xiàn)海南島周邊覆蓋觀測平均周期約5 天。

此外，經(jīng)模擬和推算，如果采用30°傾角和500km 的軌道高度，3 顆衛(wèi)星組成的低緯度觀測星座就可以對海南及其周邊海域進(jìn)行每天一次、重點(diǎn)區(qū)域每天多次的全覆蓋觀測。如果星座內(nèi)衛(wèi)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(qū)域進(jìn)行高覆蓋觀測。

3.星座建設(shè)計(jì)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(fā)射入軌。按照計(jì)劃，海南衛(wèi)星星座其余六顆衛(wèi)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(nèi)完成發(fā)射，完成海南衛(wèi)星星座建設(shè)。

4.已入軌衛(wèi)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(tǒng)（AIS）采集為一體的微小衛(wèi)星，主要對海南及環(huán)省海域進(jìn)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(tài)一致，主要用于組網(wǎng)觀測，重點(diǎn)服務(wù)于自然資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、城市管理等行業(yè)。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(wèi)星，主要完成對地觀測和船舶識別，服務(wù)于自然資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、交通、生態(tài)環(huán)保、城市管理等行業(yè)，具有推掃和視頻成像等工作模式。衛(wèi)星主要參數(shù)見表1。

表1 衛(wèi)星主要參數(shù)

三、應(yīng)用情況

1.首發(fā)四星初步應(yīng)用情況及特點(diǎn)

首發(fā)四星的初步應(yīng)用情況主要聚焦于海洋，同時兼顧海南島上農(nóng)業(yè)、林業(yè)、自然資源、城市管理等應(yīng)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(shù)據(jù)下傳的時候，根據(jù)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(yōu)勢。另外，寬幅也是海南一號寬幅雙線陣相機(jī)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(qū)域，相當(dāng)于一幅數(shù)據(jù)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(wèi)星，幅寬為115km，通過多星組網(wǎng)，可以快速實(shí)現(xiàn)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(wèi)星，依托其衛(wèi)星平臺的高精度姿態(tài)控制，可實(shí)現(xiàn)對港口或重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的4K 高清視頻成像，對所關(guān)注區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更高成像質(zhì)量的滑動拍照成像，可以滿足多種任務(wù)需求，還具備記錄、回放和邊記邊放等模式，充分利用300M 數(shù)據(jù)下傳能力，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)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(jī)和海南一號02 星高分相機(jī)不僅各有特點(diǎn)，而且還可以互相合作，提升應(yīng)用效果。當(dāng)海南一號01星、文昌一號01 星/02 星等寬幅相機(jī)通過大范圍普查檢測到重點(diǎn)目標(biāo)后，通過衛(wèi)星星座配合，用海南一號02 星高分相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)詳查，相當(dāng)于對一幅大圖中的小圖進(jìn)行細(xì)節(jié)放大，依靠高分相機(jī)更高分辨率的遙感圖像可對漁船、貨船進(jìn)一步識別和確認(rèn)，為保護(hù)海洋貢獻(xiàn)精細(xì)感知力量。

此外，首發(fā)四星的一大特色是基于通用型微納衛(wèi)星平臺，通過整合多光譜探測、船舶自動識別系統(tǒng)AIS 通信的適應(yīng)性組合，實(shí)現(xiàn)對船舶進(jìn)行探測、識別以及動態(tài)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(jié)合AIS 數(shù)據(jù)確定艦船的種類、數(shù)量、位置、航向和航速等重要參數(shù)，同時利用多個船只相對位置關(guān)系進(jìn)行圖像匹配，作為控制點(diǎn)修正圖像，提高圖像定位精度。

在此基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步深化在不同領(lǐng)域的典型應(yīng)用，從而為海南常態(tài)化動態(tài)觀測提供全方位的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)支撐。主要的應(yīng)用行業(yè)包括：農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測，包括橡膠、水稻、瓜菜、水果、設(shè)施大棚等遙感監(jiān)測）；林業(yè)（森林覆蓋變化遙感監(jiān)測、森林火情監(jiān)測等）；生態(tài)環(huán)保（重點(diǎn)河道、水庫監(jiān)測，包括河道垃圾、河道污染、水質(zhì)監(jiān)測等）；城市管理（兩違建筑和洗沙場監(jiān)測）；海洋觀測（海上應(yīng)急搜救、船舶識別；海洋航運(yùn)，包括港口開發(fā)和監(jiān)測、海運(yùn)物流、海洋交通）；自然災(zāi)害（溢油、赤潮、風(fēng)暴潮、臺風(fēng)）以及海岸帶開發(fā)（三角洲開發(fā)、近海濕地保護(hù)）等。目前，首發(fā)四星已發(fā)布相關(guān)衛(wèi)星影像（圖2—圖3）。

圖2 海南一號01 星廣州市衛(wèi)星影像

圖3 海南一號02 星洛杉磯國際機(jī)場衛(wèi)星影像

2.后續(xù)星座應(yīng)用特點(diǎn)

由于海南省多云多雨的氣候特點(diǎn)，很大程度限制了光學(xué)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用，SAR 衛(wèi)星是一種主動式微波遙感技術(shù)，能夠在不利氣候和環(huán)境條件下獲取雷達(dá)圖像,具有全天時、全天候?qū)Φ赜^測能力。近些年，SAR 衛(wèi)星在地形測繪、洪水監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、城市管理等方面發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)有國內(nèi)外SAR 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足海南省資源監(jiān)測的實(shí)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(diǎn)，海南衛(wèi)星星座后續(xù)將開展高光譜衛(wèi)星和SAR 衛(wèi)星建設(shè)，切實(shí)解決海南資源監(jiān)測中面臨的遙感數(shù)據(jù)短缺問題，服務(wù)于熱帶農(nóng)業(yè)、海洋資源、林業(yè)資源等行業(yè)。

兩顆三亞一號高光譜衛(wèi)星是集對地觀測和船舶AIS 采集為一體的小衛(wèi)星，配置一臺大幅寬高分辨率高光譜相機(jī)，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(wèi)星主要完成對地成像觀測和船舶監(jiān)測，服務(wù)于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋等行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域包括：農(nóng)作物精細(xì)分類及動態(tài)變化分析、農(nóng)作物生物生化參量反演、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測及農(nóng)作物產(chǎn)量估計(jì)及品質(zhì)監(jiān)測；森林資源統(tǒng)計(jì)、森林變化監(jiān)測、森林長勢評估、森林病蟲害監(jiān)測；水質(zhì)狀況評估、污染狀況監(jiān)測、赤潮監(jiān)測、魚情漁汛、海岸狀態(tài)監(jiān)測等。

兩顆三沙一號SAR 衛(wèi)星是集對地觀測和船舶AIS 采集為一體的衛(wèi)星，主要完成對地成像觀測和船舶監(jiān)測。衛(wèi)星配置一臺C 頻段合成孔徑雷達(dá)，具有滑動聚束、條帶和掃描等多種成像模式。SAR 衛(wèi)星將極大地改善因云雨導(dǎo)致的遙感數(shù)據(jù)匱乏現(xiàn)狀，有利于實(shí)現(xiàn)海南農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋等自然資源的及時動態(tài)變化監(jiān)測，為海南自由貿(mào)易港建設(shè)過程中決策制定提供重要的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

四、發(fā)展展望

海南衛(wèi)星星座首期四顆衛(wèi)星發(fā)射入軌后，通過組網(wǎng)觀測，可獲取大量海南及周邊區(qū)域的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可對海南及其管轄海域提供全方位業(yè)務(wù)化動態(tài)觀測，可以保障海南在自然資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋航運(yùn)、船只動態(tài)管理以及海上應(yīng)急搜救和漁業(yè)信息服務(wù)等重點(diǎn)領(lǐng)域的空間數(shù)據(jù)需求，服務(wù)于自然資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、生態(tài)環(huán)保等部門和?？凇⑷齺?、三沙市等重點(diǎn)市縣，助力海南自由貿(mào)易港建設(shè)。

目前，海南衛(wèi)星星座已實(shí)現(xiàn)“海南造、海南發(fā)、海南用”的最初設(shè)想。海南省平價菜保供惠民行動專班辦公室、海南省數(shù)據(jù)產(chǎn)品超市、海南省海洋與漁業(yè)監(jiān)察總隊(duì)、中國人民財產(chǎn)保險股份有限公司三亞分公司、海南大學(xué)、海南熱帶海洋學(xué)院、三亞學(xué)院等單位已簽署了海南一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)使用及應(yīng)用推廣意向協(xié)議書，將共同推動衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用推廣。

后續(xù)，將在前期數(shù)據(jù)和信息服務(wù)需求調(diào)研基礎(chǔ)上，開展衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)并完成數(shù)個衛(wèi)星典型應(yīng)用案例（包括衛(wèi)星遙感與AIS船只檢測與監(jiān)測服務(wù)、光學(xué)遙感海洋生態(tài)環(huán)境檢測服務(wù)等）。然后主要完成海南衛(wèi)星星座后續(xù)星（三亞一號、三沙一號等后續(xù)六顆衛(wèi)星）的研制、根據(jù)用戶需求建立定制化的數(shù)據(jù)和信息服務(wù)平臺、提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸送和信息服務(wù)，完成海南省智慧監(jiān)管空天系列應(yīng)用部署等。