海南卫星星座建设进展及应用展望

文|王雷 杨天梁

中国科学院空天信息研究院海南研究院（海南省地球观测重点实验室）

一、前言

海南自由贸易港建设和海南省可持续发展等需要以卫星遥感为核心的综合观测空间信息支撑。然而，海南特殊的地理位置，多云雨的气候条件对高质量卫星遥感数据的获取提出了诸多挑战。卫星遥感具有的突出优势是快速、动态、全面、准确，尤其是面对大面积海域动态观测具有无可比拟的优势。海南省是我国典型的热带亚热带省份，具有丰富的农业、林业、海洋等自然资源，准确及时掌握这些资源动态变化情况对于海南自贸港建设具有重要意义。

为落实《海南自由贸易港建设总体方案》部署，中国科学院空天信息研究院海南研究院基于海南省所处的热带亚热带低纬度区域特征，面向社会经济发展对卫星遥感数据的迫切需求，致力于解决海洋经济活动的信息保障难题，组织力量策划论证了建设海南卫星星座的必要性和可行性。通过海南卫星星座建设，探索出一条在海南培育孵化卫星设计、组装，火箭商业发射和卫星数据应用的商业航天发展路径，进而在海南打造一个完整的航天生态产业链。

海南卫星星座建成后，将使海南的卫星研发、组装、测控能力基本形成，将解决海南及周边区域空间信息获取难题，同时促使以卫星大数据应用为特征的海南空天信息产业和商业航天产业基本成型，为海南自由贸易港建设提供重要的空间信息保障。

二、星座介绍及建设进展

海南卫星星座规划十颗卫星，由四颗海南一号光学卫星、两颗文昌一号光学卫星、两颗三亚一号高光谱卫星和两颗三沙一号合成孔径雷达（SAR）系列卫星组成。

1.星座构型

海南位于低纬度地区，是全国拥有最大海洋国土的省份。目前，在轨运行的遥感卫星对包括海南在内的低纬度地区的观测覆盖能力不足，导致对海南信息的有效获取能力较低。海南卫星星座是基于海南的地理条件和发展需求设计的，对比传统的太阳同步轨道，采用低倾角轨道将显著增加卫星在海南及其周边的覆盖度。海南卫星星座系列卫星设计了2 个轨道倾角。其中，海南卫星星座首期四颗星，海南一号01 星/02 星、文昌一号01 星/02 星运行于太阳同步轨道，卫星轨道倾角97°，轨道高度535km。海南一号03/04 星、三亚一号01/02 星和三沙一号01/02 星等六颗卫星将运行于30°低倾角轨道(图1）。

图1 海南卫星星座构成

2.星座能力

根据卫星星座首期四颗星发射后实际轨道的相位差，按海南一号01 星幅宽110km、文昌一号01星/02 星幅宽115km，海南一号02 幅宽12km，并且每颗卫星都侧摆20°来进行模拟，首期发射入轨4 颗星，实现海南岛覆盖观测平均周期约3.5 天，实现海南岛周边覆盖观测平均周期约5 天。

此外，经模拟和推算，如果采用30°倾角和500km 的轨道高度，3 颗卫星组成的低纬度观测星座就可以对海南及其周边海域进行每天一次、重点区域每天多次的全覆盖观测。如果星座内卫星增加到10 颗，就可以对全球南北纬30°之间的全部热带和海洋区域进行高覆盖观测。

3.星座建设计划

海南一号01 星/02 星，文昌一号01 星/02 星已于2022 年2 月 27 日发射入轨。按照计划，海南卫星星座其余六颗卫星（海南一号03/04 星、三亚一号01/02 星和三沙一号01/02 星）将于2022 年下半年启动研制，并于2 年内完成发射，完成海南卫星星座建设。

4.已入轨卫星介绍

海南一号01 星、文昌一号01 星/02 星是集对地观测和船舶自动识别系统（AIS）采集为一体的微小卫星，主要对海南及环省海域进行遥感成像以及船只航向、速度、方位等信息收集处理。其中海南一号01 星采用全色双线阵成像，主要用于大面积海域船只的高效识别与船只信息下传；文昌一号01 星/02 星双星状态一致，主要用于组网观测，重点服务于自然资源、农业、林业、海洋、城市管理等行业。海南一号02 星是高分辨率对地观测和船舶AIS 采集为一体的微小卫星，主要完成对地观测和船舶识别，服务于自然资源、农业、林业、海洋、交通、生态环保、城市管理等行业，具有推扫和视频成像等工作模式。卫星主要参数见表1。

表1 卫星主要参数

三、应用情况

1.首发四星初步应用情况及特点

首发四星的初步应用情况主要聚焦于海洋，同时兼顾海南岛上农业、林业、自然资源、城市管理等应用需求。

海南一号01 星采用全色双线阵成像，具备星上在轨图像处理能力，主要识别船只。同时，遥感数据下传的时候，根据需要可以只下传船只附近的影像，具有高效的船只识别及船只信息下传的优势。另外，宽幅也是海南一号宽幅双线阵相机的特色，单幅影像幅宽是东西向110km，南北向约1900km，一幅图像就覆盖了20 多万平方千米的区域，相当于一幅数据就覆盖了海南省管辖海域的大概1/10。文昌一号01/02 星同样是宽幅卫星，幅宽为115km，通过多星组网，可以快速实现对海南及其周边覆盖观测。

海南一号02星是高分辨率对地观测微小卫星，依托其卫星平台的高精度姿态控制，可实现对港口或重点关注区域的4K 高清视频成像，对所关注区域实现更高成像质量的滑动拍照成像，可以满足多种任务需求，还具备记录、回放和边记边放等模式，充分利用300M 数据下传能力，实现卫星的高效能使用。

海南一号01 星、文昌一号01 星/02 星的宽幅相机和海南一号02 星高分相机不仅各有特点，而且还可以互相合作，提升应用效果。当海南一号01星、文昌一号01 星/02 星等宽幅相机通过大范围普查检测到重点目标后，通过卫星星座配合，用海南一号02 星高分相机进行目标详查，相当于对一幅大图中的小图进行细节放大，依靠高分相机更高分辨率的遥感图像可对渔船、货船进一步识别和确认，为保护海洋贡献精细感知力量。

此外，首发四星的一大特色是基于通用型微纳卫星平台，通过整合多光谱探测、船舶自动识别系统AIS 通信的适应性组合，实现对船舶进行探测、识别以及动态信息的获取。例如，海南一号01 星可完成星上图像自动舰船检测和识别，结合AIS 数据确定舰船的种类、数量、位置、航向和航速等重要参数，同时利用多个船只相对位置关系进行图像匹配，作为控制点修正图像，提高图像定位精度。

在此基础上，将进一步深化在不同领域的典型应用，从而为海南常态化动态观测提供全方位的卫星遥感数据支撑。主要的应用行业包括：农业（农业资源监测，包括橡胶、水稻、瓜菜、水果、设施大棚等遥感监测）；林业（森林覆盖变化遥感监测、森林火情监测等）；生态环保（重点河道、水库监测，包括河道垃圾、河道污染、水质监测等）；城市管理（两违建筑和洗沙场监测）；海洋观测（海上应急搜救、船舶识别；海洋航运，包括港口开发和监测、海运物流、海洋交通）；自然灾害（溢油、赤潮、风暴潮、台风）以及海岸带开发（三角洲开发、近海湿地保护）等。目前，首发四星已发布相关卫星影像（图2—图3）。

图2 海南一号01 星广州市卫星影像

图3 海南一号02 星洛杉矶国际机场卫星影像

2.后续星座应用特点

由于海南省多云多雨的气候特点，很大程度限制了光学遥感卫星的应用，SAR 卫星是一种主动式微波遥感技术，能够在不利气候和环境条件下获取雷达图像,具有全天时、全天候对地观测能力。近些年，SAR 卫星在地形测绘、洪水监测、地质灾害监测、农业、林业、海洋、城市管理等方面发挥了重要作用。现有国内外SAR 卫星遥感数据还远远不能满足海南省资源监测的实际需求。此外，由于高光谱遥感具有波段多，谱带窄、信息丰富的特点，海南卫星星座后续将开展高光谱卫星和SAR 卫星建设，切实解决海南资源监测中面临的遥感数据短缺问题，服务于热带农业、海洋资源、林业资源等行业。

两颗三亚一号高光谱卫星是集对地观测和船舶AIS 采集为一体的小卫星，配置一台大幅宽高分辨率高光谱相机，三轴敏捷成像能力，具备推扫成像、凝视视频等多种成像模式。卫星主要完成对地成像观测和船舶监测，服务于农业、林业、海洋等行业，应用领域包括：农作物精细分类及动态变化分析、农作物生物生化参量反演、农作物病虫害监测及农作物产量估计及品质监测；森林资源统计、森林变化监测、森林长势评估、森林病虫害监测；水质状况评估、污染状况监测、赤潮监测、鱼情渔汛、海岸状态监测等。

两颗三沙一号SAR 卫星是集对地观测和船舶AIS 采集为一体的卫星，主要完成对地成像观测和船舶监测。卫星配置一台C 频段合成孔径雷达，具有滑动聚束、条带和扫描等多种成像模式。SAR 卫星将极大地改善因云雨导致的遥感数据匮乏现状，有利于实现海南农业、林业、海洋等自然资源的及时动态变化监测，为海南自由贸易港建设过程中决策制定提供重要的数据支撑和技术支持。

四、发展展望

海南卫星星座首期四颗卫星发射入轨后，通过组网观测，可获取大量海南及周边区域的卫星遥感数据，可对海南及其管辖海域提供全方位业务化动态观测，可以保障海南在自然资源、农业、林业、海洋环境监测、海洋航运、船只动态管理以及海上应急搜救和渔业信息服务等重点领域的空间数据需求，服务于自然资源、农业、林业、海洋、生态环保等部门和海口、三亚、三沙市等重点市县，助力海南自由贸易港建设。

目前，海南卫星星座已实现“海南造、海南发、海南用”的最初设想。海南省平价菜保供惠民行动专班办公室、海南省数据产品超市、海南省海洋与渔业监察总队、中国人民财产保险股份有限公司三亚分公司、海南大学、海南热带海洋学院、三亚学院等单位已签署了海南一号卫星数据使用及应用推广意向协议书，将共同推动卫星数据应用推广。

后续，将在前期数据和信息服务需求调研基础上，开展卫星数据产品设计、卫星数据产品研发并完成数个卫星典型应用案例（包括卫星遥感与AIS船只检测与监测服务、光学遥感海洋生态环境检测服务等）。然后主要完成海南卫星星座后续星（三亚一号、三沙一号等后续六颗卫星）的研制、根据用户需求建立定制化的数据和信息服务平台、提供数据产品输送和信息服务，完成海南省智慧监管空天系列应用部署等。