超低轨道空间作为新域空间凭借轨道环境、轨道高度等独特优势，可进一步提升太空通信、遥感等服务水平，提高太空综合服务能力，将为推动航天新质生产力的发展注入强劲动力，或将成为大国太空竞争的新战略空间。但超低轨空间开发应用面临着大气密度高、原子氧侵蚀强等亟待克服的环境挑战。近年来，美欧日等国家和地区均开始对超低轨技术开展研究和测试工作，并已取得较为理想的技术成果，将为其开展对超低轨空间的利用奠定重要基础。

一、超低轨空间利用面临新挑战

超低轨道一般指120-300千米的轨道空间，即高于大气层又低于传统低轨高度。由于超低轨空间的独特轨道高度，在该空间内运行的卫星将面临两项挑战：一是较大的空气阻力。根据测算，卫星在超低轨空间内运行的阻力比低轨空间高约1000倍，需要消耗大量燃料实现轨道高度维持。二是原子氧侵蚀。原子氧是氧分子在太阳紫外线的光致分解作用下形成的，主要存在于200-500千米的较低轨道空间。卫星在超低轨空间运行期间极易受到原子氧的侵蚀而发生严重的质量损失、表明粗糙度增大、失光、变色等问题，将极大降低卫星的在轨运行寿命和安全。

太阳电池阵聚酰亚胺剥蚀破损

图片来源：宇宙抗辐射

与传统轨道相比，超低轨道具有诸多优势：

一是部署成本相对较低。超低轨轨道高度低，在使用同样体积燃料发射时，可部署更多卫星，从而降低单星的部署成本。与低轨卫星相比，超低轨卫星部署成本可降低约30%。

二是信息传输效率更高。超低轨轨道距离地面更近，可缩短信息传输延时，提升天地信息传输能力。

三是对地观测分辨率更高。在使用同样观测手段时，更低的轨道高度可获得更高精度的图像。法国泰雷兹阿莱尼亚航天公司曾表示，卫星高度从650千米降至160千米，可在相同的性能下，使光学孔径直径降低4倍，通信射频功率降低16倍。

四是便于卫星寿命到期后执行离轨操作。卫星可借助超低轨道空间大气密度高的特性，通过关闭飞控系统或改变飞行姿态等方式即可实现快速离轨与再入，无需装载特定的离轨装置，将为太空可持续发展提供支持。

五是发展空间大。受超低轨空间大气密度高、原子氧侵蚀能力强等因素影响，当前全球尚无航天器具备在超低轨空间内实现长期稳定的运行能力。因此，能够率先突破关键技术、克服超低轨环境挑战的国家，将占据超低轨空间的先发优势。

二、主要航天国家积极推进超低轨航天技术研发与测试

近年来，欧洲、日本、美国等国家和地区通过各自研究项目均在积极对超低轨环境开展探测，并通过试验卫星在轨对超低轨运行、超低轨防护等关键技术开展测试工作。

欧洲较早开展超低轨长期飞行测试任务。2009年7月，欧空局发射“重力场和稳态海洋环流探测器”（GOCE）卫星，利用重力梯度仪和SST-HL/SGG技术，开展稳态海洋环流和地球重力梯度观测。该卫星重约1052千克，部署高度283千米（后续调整至254千米），轨道倾角为96.7度，设计寿命20个月。经过2个月的调试，该卫星于2009年12月进入常规运行阶段，用离子电推进维持轨道高度，开展对地球重力场数据的收集与回传工作，并且凭借其良好的在轨状态在达到设定的寿命期后仍具备在轨工作能力。为提升科学测量精度，欧空局于2012年8月将GOCE卫星轨道高度进一步下调至224千米。最终，GOCE卫星于2023年11月结束测量任务，执行离轨操作，再入大气层烧毁。根据欧空局网站信息显示，为减少大气阻力，GOCE卫星采用了八边形和对称设计结构，并通过加装翼梢小翼提升在轨稳定性。同时，GOCE卫星利用2台以氙气为燃料的离子电推进系统，实现在超低轨空间内的轨道保持。

“重力场和稳态海洋环流探测器”（GOCE）卫星

图片来源：blogs.esa

日本成功完成超低轨技术验证任务。2017年12月，日本宇宙航空研究开发机构发射“超低轨道技术试验卫星”（SLATS）卫星，旨在验证超低轨道高度保持技术，并利用小型光学遥感器开展高分辨率对地观测，同时开展大气地热层探测，获取大气密度、原子氧密度等数据，研究原子氧材料性能恶化的影响，为未来发展超低轨道卫星系统提供工程验证。该卫星于2019年9月执行再入任务，完成17个月的在轨验证测试任务。

该卫星由日本宇宙航空研究开发机构研制、发射和运管，三菱电机公司是卫星主承包商。卫星项目总经费约合3138万美元，其中研制经费约2389万美元。SLATS卫星初始轨道高度为530千米，1个月后降至408千米，1年后降至268千米。根据统计数据显示，该卫星利用氙离子发动机进行超低轨道保持，分别在268千米高度运行31天，250千米运行7天，240千米运行7天，230千米运行7天，220千米运行31天和180千米运行7天，在验证超低轨道高度保持技术的同时展开对地观测、空间环境探测和材料性能研究等一系列活动。此外，该卫星通过搭载的光学成像载荷，在155.5千米轨道高度拍摄了分辨率达0.47米的高分辨率图像。

“超低轨道技术试验卫星”（SLATS）卫星

图片来源：jaxa.

美国多方多项目推进超低轨卫星技术测试与应用。2020年9月，美空军研究实验室宣布两项新的空间实验，其中包括名为“精确”（Precise）的实验项目。该实验旨在研究电离层以及气体如何影响用于通信和导航的无线电传播。2021年11月，美空军研究实验室授予Tyvak纳米卫星系统公司价值840万美元的合同，用于在超低轨道上进行实验。该公司项目经理Rachel Hock-Mysliwiec表示，该卫星将对电离层中的电离过程开展检测，为研究如何避免卫星通信和导航系统受到干扰提供解决方案。

2022年5月，由蓝色峡谷技术公司为麻省理工学院林肯实验室开发的“敏捷微卫星”成功发射。该卫星携带了由麻省理工学院林肯实验室开发的激光信标和遥感有效载荷，旨在测试小型航天器在超低轨道上克服大气阻力完成机动和执行任务的能力。

“敏捷微卫星”

图片来源：spacenews

2022年4月，DARPA发布“通灵”（Ouija）项目招标书，拟利用卫星对超低地球轨道上的电离层进行原位测量，以更准确地理解电离层中的高频无线传输，旨在量化太空高频噪声环境并改进电离层表征能力，以增强作战人员的能力。该项目包括2个技术领域：一是开发、验证、发射和运行多颗携带科学载荷与任务仪器的小型卫星，其中科学有效载荷使用商用现货，通过直接采样和利用导航卫星，通过无线电掩星间接采样，测量电离层原位电子密度；高频任务有效载荷要求提供高灵敏度、高动态范围、低噪声的高频天线测量子系统，项目将根据设计，建造、发射并运行1颗“探路者”卫星。二是利用原位电子密度测量值开发同化模型，要求分辨率高、延迟低，以提高模型保真度。项目将根据“探路者”卫星的设计，建造、发射并运行6颗卫星。11月，DARPA授予尖顶全球公司合同，要求其为“通灵”（Ouija）项目设计1颗超低轨小卫星，用于高频无线电信号在电离层的传播特性实验。

2023年11月，DARPA发布“塔罗斯”（TALOS）项目概念公告，拟开发超低轨推力器。该项目计划开发用于超低轨卫星轨道保持的推进系统原型，比冲超过1500秒，相关技术方向包括但不限于：一是无工质推力器，或使用空气的无需携带工质的推力器，例如无电极、射频设计；二是利用电场/磁场加速周围大量空气的概念，无需入口减速或压缩；三是脉冲或脉冲感应推力器概念；四是致密可储存替代推进剂概念，例如离子液体电喷；五是使用液态金属、重纳米粒子、无毒元素等高推力功率比的场发射电推进（FEEP）系统；六是基于霍尔效应的新概念推进技术等。该项目分两个阶段进行，第一阶段为期9个月，研发费用30万美元，专注于科学和工程分析、台式实验；第二阶段为期15个月，研发费用70万美元，完全集成推进器技术演示器的设计迭代、制造和测试。

“塔罗斯”（TALOS）项目概念

图片来源：janes

美国Albedo公司分别于2022年和2023年获得来自美空军创新机构AFWERX授予的两份合同，将研究利用超低轨道卫星为政府提供情侦监服务的能力，并为国家航空航天情报中心提供用于夜间应用的热红外图像。Albedo成立于2020年，现已通过三轮融资筹集超过9300万美元资金支持。2024年6月，Albedo宣布计划在2025年初发射首颗商业卫星Clarity，将可获取10厘米可见光和2米热红外图像，为美国家侦察局和国家航空航天情报中心提供图像。根据计划，该公司初期拟发射6颗卫星，实现单日全球覆盖，最终将构建由24颗卫星组成的星座，实现每日5次重访能力。

Clarity卫星

图片来源：albedo

此外，美国地球观测公司正在研发名为“魔鬼鱼”的超低轨道星座。该星座将由60颗卫星组网，运行在250千米轨道，设计寿命5年。该公司曾获得美空军AFWERX创新实验室的研发合同，将通过光学成像为美军提供近实时的卫星图像。

中国开启超低轨星座建设进程。2023年7月，中国航天科工集团空间工程总体部召开超低轨通遥一体星座发布会，宣布正式启动“楚天”超低轨通遥一体星座建设，规模组网将达516颗卫星。“楚天”超低轨道卫星建设由中国航天科工二院牵头负责，计划分三个阶段实施：

第一阶段是技术与业务验证阶段：将完成超低轨卫星关键技术验证，在轨技术试验与业务验证；2023年9月具备首发星发射条件；2024年完成9颗组成的业务验证星簇发射；2025年构建即时遥感业务应用示范系统。

第二阶段是规模组网阶段：将完成行业广泛应用，形成规模化组网，实现半小时级响应能力；计划2030年完成300颗星组网运行，提供可见光、合成孔径雷达、高光谱、红外多类型全时向遥感服务体系，形成全球15分钟响应能力。

第三阶段是融合发展阶段：将完成业务系统全面建设，达到全球范围10分钟以内的即时业务响应能力，提供完整的即时感知服务。2024年5月，工业和信息化部向航天科工空间工程发展有限公司颁发超低轨技术试验星无线电频率使用许可和空间无线电台执照，支持其开展超低轨高分辨率对地成像等技术实验，随后中国在酒泉卫星发射中心使用快舟十一号遥四运载火箭，成功将“楚天”星座001星发射升空，卫星顺利进入预定轨道。

2023年7月，中国赛思倍斯公司研制的国内首颗超低轨道技术试验卫星“乾坤一号”成功发射。根据该公司披露的信息显示，该卫星在入轨后的5个月内通过三次段降轨任务将轨道高度从500千米逐渐降至370千米，对霍尔推力器的稳定输出能力完成在轨测试。同时，该卫星还进行了各种成像模式的验证，包括偏置飞行成像、条带推扫成像、凝视成像等，并验证了自动曝光、增益与帧频等不同成像参数设置，以及云判、目标检测和目标识别等智能处理算法。

乾坤一号卫星

cspace

三、超低轨卫星发展和应用前景

此前，欧洲和日本已通过GOCE和SLATSW卫星在轨实验证明可利用先进电推技术、低阻外形设计以及耐腐蚀图层等方法克服超低轨空间大气密度高、原子氧腐蚀强等不利条件，实现在超低轨空间开展长期飞行的可行性。同时，超低轨空间凭借轨道高度低的优势将在提升成像精度、缩短通信延迟、降低布建成本等方面带来新的应用优势。

一是可大幅提升光学遥感成像精度。光学遥感卫星随着轨道高度的增加需要通过搭载口径更大的成像载荷获取高精度图像，研制成本高、周期长。而部署在超低轨空间的遥感卫星距离地球较近，可利用更小的成像载荷获得与更高轨道卫星同样质量，甚至质量更优的图像和数据，将在环境监测、灾害管理、城市规划以及军事监测等领域拥有潜在应用空间。

二是实现超短延迟通信能力。随着卫星互联网的快速发展，天基通信服务正在逐渐融入陆海空多域、军民商多体的通信系统中，并将成为构建天地通信桥梁，构建6G泛在通信网络的重要一环。与低中高轨道卫星相比，超低轨道卫星距离地面更近，通信路径更短可实现近实时的通信能力，将为对低延迟、宽覆盖等通信能力有强烈需求的无人机、无人车等无人平台安全稳定操控提供支持，并将成为发展手机卫星直连等新兴通信技术的潜在应用平台。

三是为加强地球科学研究提供支持。超低轨道空间可为各种科学实验和研究提供独特的轨道环境。相关实验和研究的范围包括研究地球大气层、进行引力实验，以及测试各种材料和技术在太空中的特性。例如，欧空局GOCE卫星就利用在超低轨道对重力场信号感应强的优势，确定约100千米分辨率、1-2厘米精度的大地水准面，可为固体地球物理学、海洋学、大地测量学和冰川学等科学研究提供高精度的中高阶静态地球重力场模型。

四、结语

习近平总书记深刻指出，“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦”。随着国民经济社会的发展，对建立和应用新质新域空间基础设施需求的日益迫切，超低轨道作为尚未被开发的新域空间，是未来太空领域新的发展热点，将为提升信息获取和传输效率，提高我国航天系统服务质量与水平，推动航天产业发展，创造航天发展新动能提供重要支持。

参考资料：

[1]吕久明,路建功,刁晶晶,等.超低轨道卫星技术发展现状及应用[J].国防科技,2020,41(01):33-37.DOI:10.13943/j.issn1671-4547.2020.01.09.

[2]袁春柱,张强,傅丹膺,等.超低轨道卫星技术发展与展望[J].航天器工程,2021,30(06):89-99.

[3]GOCE[EB/OL].https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/GOCE

[4]Super Low Altitude Test Satellite (SLATS) “TSUBAME”has set a GUINESS WORLD RECORDS(R)[EB/OL].https://global.jaxa.jp/press/2019/12/20191224a.html

[5]聚焦新质新域，超低轨通遥一体星座震撼首发[EB/OL].https://mp.weixin.qq.com/s/Iqru-XKjCwK8Uahk77afVg

[6]低地球轨道空间中原子氧对航天材料的侵蚀及其防[EB/OL].https://mp.weixin.qq.com/s/C-UOqilV0Tf4rN99Z7FN9A

作者简介

张嘉毅国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究六室

研究方向：航空航天领域形势跟踪及关键核心技术、前沿技术研究

编辑丨郑实

研究所简介

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