The Innovation | “海哨一号”卫星：低纬度地球观测的新范式

卫星遥感不断推动人类刷新对地球及自身的认知边界。理念的革新和技术的创新成就了国际首颗超低轨、国内首颗低倾角合成孔径雷达（SAR）卫星——“海哨一号”。我们期待它极具特色的观测体制能为低纬度区域，尤其是我国的海南和南海资源、环境、安全天基感知带来崭新的空间视角。

导 读

合成孔径雷达（SAR）是半个多世纪人类对地观测科技的代表性突破，其观测不受云雨、光照影响，可以全天时、全天候工作；作为成像雷达，既反映地表微波散射特征，又获取接近人类视觉观察的影像。2024年12月4日，“海哨一号”卫星成功发射并业务化在轨运行，它创造了三个“首次”：全球首次发射超低轨SAR卫星、中国首次发射低倾角SAR卫星、以及国际首次开展SAR-微光同步观测，从而开拓了星载SAR对地观测新范式。本文阐述了“海哨一号”卫星平台、载荷、轨道等前沿技术创新特征，以及其独具特色的观测体制在地球科学的巨大应用潜力。

图1  "海哨一号"卫星创新技术与成像能力展示。A 轨道创新：独特43°低倾角+350公里超低轨；B 多模式成像；C 西沙群岛1米分辨率条带模式影像；D 海口市微光-SAR一体化协同观测

在人类探索地球的进程中，合成孔径雷达卫星以其穿云透雨、昼夜无阻的观测能力，成为洞察地球动态的“天眼”。2024年12月成功发射的中国“海哨一号”卫星，通过43°低倾角轨道与350公里超低轨高度的双重创新设计（图1A），不仅显著提升了低纬度区域的观测时空覆盖度，还突破了分辨率与观测面积的限制。这一理念和技术的创新，为地球系统科学研究开辟了新的维度——从海洋动力过程的定量刻画到人类活动足迹的全面感知，“海哨一号”以前所未有的观测锐度，揭示了低纬度地球系统的精细全貌。

低倾角轨道：重塑低纬度观测格局

传统极轨卫星为追求全球覆盖，牺牲了低纬度区域的时空覆盖度。而“海哨一号”卫星则创新性地选择了43°倾角的轨道，使卫星像“钟摆”一样密集扫过低纬度区域，将南海日观测频次提升至传统卫星的3倍。这一设计不仅填补了中国在低倾角SAR卫星领域的空白，更为南海海洋现象和热带气旋的连续观测提供了更高时空覆盖度的数据支持。

然而，低倾角轨道也带来了严峻的技术挑战。卫星在轨运行时，由于低倾角轨道的特殊性，日照时间显著缩短，导致能源供应面临严峻挑战。同时，热环境的剧烈变化也对设备的稳定性提出了更高的要求。面对这些技术难题，“海哨一号”通过优化电源系统和热控设计，成功实现了高效能源管理和设备稳定运行。这一突破彰显了中国航天技术在复杂环境下的成熟与创新能力，为未来低纬度区域的高精度观测奠定了坚实基础。

超低轨道高度：机遇与挑战并存

“海哨一号”卫星的第二个突破在于其在国际上首次实现了约350公里的超低轨道高度SAR观测。这一创新使得SAR载荷能以更小的天线和更低的功耗实现高质量成像，从而显著降低“海哨一号”SAR载荷的重量（仅约80公斤）。得益于超低轨道的优势，“海哨一号”卫星的SAR载荷在条带模式下（观测条带长度可达千公里）实现了1米分辨率的成像（图1B），突破了传统星载SAR只能通过聚束模式达到米级分辨率的限制。例如，1米分辨率的条带模式成功捕捉到了金银岛周围浅水地形引发的海面波纹及其折射现象（图1C），直观展现了“海哨一号”在海洋精细观测中的强大优势。更具吸引力的是，运行于350公里高度的“海哨一号”SAR海浪成像的非线性度降低了约50%，这使得SAR海浪定量反演的复杂度显著降低，为复杂海域的浅海地形测绘提供了更加科学而精准的支撑。

超低轨道的设计虽然带来了显著的观测优势，但也面临着更高的空气阻力所导致的卫星轨道衰减问题。为确保卫星寿命和稳定运行，“海哨一号”配备了先进的氪气霍尔电推进系统与化学推进器的组合。这一组合推进系统能够有效抵消轨道衰减，确保其在轨寿命达到3年左右。同时，“海哨一号”还采用了高精度控制力矩陀螺，保障了雷达载荷的姿态稳定性。这一设计使得卫星在复杂的轨道环境中仍能保持精准的姿态控制，确保SAR成像质量不受轨道扰动的影响。

光-SAR协同：从物理形态到人类活动的全息感知

“海哨一号”的第三个独创性体现在其通过同轴安装实现了SAR与夜光载荷的“共视”观测。这一创新设计使得卫星不仅能够捕捉地表的结构特征，还能通过夜间灯光揭示人类活动的时空规律，为多维度、多尺度的地球观测提供了全新的技术手段。例如，在南海区域，这一组合观测使卫星既能穿透云雾捕捉油气平台的结构特征，又能通过夜间灯光反映作业强度，为海洋经济与安全提供“形-光双谱”证据链；在城市区域（图1D），雷达回波与夜光数据的融合，能够解译建筑的三维形态与人口活动热力分布，推动智慧城市管理进入“时空耦合”新阶段。

总结与展望

“海哨一号”的成功标志着中国低纬度SAR观测体系的正式起步，为全球海陆环境感知注入了新的活力。根据规划，项目团队将在2025年发射专注于极地与大洋观测的“海哨二号”卫星，2026年再发射一颗与“海哨一号”同构型的卫星，最终形成全球低纬度区域高频观测的SAR卫星星座。“海哨一号”的诞生代表了中国空天信息科技创新的引领性发展，展现了中国对全球地球观测事业的积极和卓越贡献。

责任编辑

王   洋   中山大学

宋沛林   西安交通大学