Новая космическая экосистема, движущая вперед индустрию наблюдения за Землей

Такие усовершенствования в системах запуска и инноваций, как использование готовых коммерческих технологий для космоса, сокращают расходы, в то время как разнообразный диапазон датчиков обеспечивает более высокое пространственное разрешение, более высокую временную частоту и более широкий спектральный охват. Сочетание сниженной стоимости и расширенных возможностей предоставляет множество вариантов в индустрии наблюдения за землей, «открывает двери» для стартапов и инноваций нового поколения.

Январь 1999 года: два профессора из Калифорнийского политехнического государственного университета и Стэнфордского университета разработали концепцию очень маленького космического корабля, чтобы студенты и исследователи во всем мире могли проводить изучение  космоса.

Июнь 2003 года: Первые шесть спутников мира были выведены на орбиту немецким транспортным средством Eurockot с российского космодрома Плесецк.

Январь 2014: Planet Labs, калифорнийская компания, основанная тремя бывшими инженерами НАСА, запустила на орбите 33 спутника с Международной космической станции.

Февраль 2017 года: Индийская организация космических исследований запустила рекордные 104 спутника на одной ракете. Комбинированная полезная нагрузка около 1380 кг состояла из 101 наноспутника из пяти разных стран, в том числе 88 из них — американской компании Planet.

Спутники компании Planet, каждый из которых весит столько же, сколько булка хлеба, — по сравнению с традиционными спутниками размером со школьный автобус, на создание которых ушли годы, и инвестиции в миллионы долларов , открыли новую эру в наблюдении за Землей. С 2014 года были запущены сотни малых спутников. То, что когда-то было нишей, сегодня стало быстро развивающимся бизнесом. Согласно оценкам, число малых спутников, которые будут запущены в период между 2018 и 2027 годами, составит 6500-7000.

Такие достижения не только способствуют внедрению инноваций и демократизируют доступ к космосу, но также означают легкую доступность большого количества космических данных. Ð’ то же время усовершенствования в системах запуска и инновации, такие как использование готовых коммерческих технологий для космических применений, сокращают расходы, а разнообразные датчики обеспечивают большее пространственное разрешение, более высокую временную частоту и «богатое» спектральное покрытие. Такое сочетание снижения стоимости и расширения возможностей открывает множество вариантов для наблюдения Земли — от мониторинга загрязнений и сельского хозяйства до отслеживания коммерческого судоходства и предотвращения стихийных бедствий.

В дополнение к мощному правительственному толчку, рост инвестиций миллиардеров, таких как Илон Маск, Джефф Безос и Ричард Брэнсон, а в последнее время и венчурных капиталистов, обеспечил столь необходимую поддержку для отрасли. Около 3 млрд. долларов было инвестировано в космические компании во всем мире только в первые два квартала 2019 года, согласно докладу компании Space Angels, ведущего источника капитала для ранних космических предприятий. Таким образом, общая сумма инвестиций в 476 космических компаний с 2009 года составила 22,3 миллиарда долларов.

С более чем 200 спутниками на орбите и возможностью ежедневного мониторинга всей Земли, Planet является ветераном игры, игры, которая вынудила промышленного тяжеловесного Maxar (ранее DigitalGlobe) войти в малый спутниковый бизнес. Maxar в настоящее время строит так называемый Легион «WorldView», созвездие из множества малых спутников, которые заменят его три самых старых спутника (WorldView-1 и 2 и GeoEye-1). Хотя точное количество спутников, из которых будет состоять Легион, неизвестно, первый запуск запланирован на начало 2021 года. Легион сможет посещать одно и тоже место до 15 раз в день.

Новые технологии открывают новые перспективы

Оптические изображения долгое время получали выгоду от небольших и более дешевых космических аппаратов. Теперь масса смелых космических стартапов выходит на нишу рынка радаров с синтезированной апертурой (SAR).

«Внедрение радиолокационной технологии с синтезированной апертурой в спутник весом до 100 кг было в значительной степени невозможно до того, как это сделали мы», — отмечает Микко Керянен, вице-президент по маркетингу компании ICEYE из Финляндии.

Ð’ то время как НАСА использует радар с синтезированной апертурой с 1970-Ñ… годов, лишь недавно США начали разрешать работу коммерческих игроков, спутников SAR. Ð’ 2015 году XpressSAR, базирующаяся в Арлингтоне, стала первой американской компанией, получившей лицензию Министерства торговли на эксплуатацию частной коммерческой космической системы дистанционного зондирования SAR. Ð’ то время как первый спутник XpressSAR должен быть запущен в 2022 году, базирующаяся в Сан-Франциско компания Capella Space, основанная в 2016 году, воспользовалась этой возможностью и запустила свой спутник в декабре 2018 года — первое из 36 «созвездий» спутника, запланированное к 2022 году.

Capella будет использовать радиоволны, чтобы обеспечить почасовое покрытие каждой точки на Земле с точностью до метра. «SAR появилась как всепогодная технология формирования изображений в любых условиях для увеличения охвата и частоты, с которой мы можем наблюдать изменения на Земле. [Но], если вы посмотрите на рынок, на самом деле не так много поставщиков SAR, при этом большинство небольших спутниковых игроков ориентированы на традиционные оптические датчики», — говорит Пайам Баназаде, основатель и генеральный директор Capella Space.

«Спрос на радиолокационные изображения (данные SAR) всегда был очень высоким. Просто было невероятно дорого и сложно делать эти спутники в прошлом, что ограничивало их более широкое использование », — объясняет Керэнен.

Ð’ настоящее время компания ICEYE имеет один такой спутник на орбите и планирует в этом году провести еще пять миссий SAR. «ICEYE стремится обслуживать коммерческих клиентов с помощью изображений из интересующих их мест  довольно часто — каждые несколько часов. Это потребует спутниковой группировки 18 SAR », — говорит Керэнен. Тем не менее, количество зависит от потребностей клиентов.

HawkEye 360 со штаб-квартирой в Херндоне, штат Вирджиния, использует более инновационный подход, поскольку стремится предоставить совершенно новый слой геопространственных данных, который никогда не был коммерчески доступным, — точное отображение радиочастотных излучений. Это было сферой деятельности правительств, но технологические достижения позволили компании развернуть первое в своем роде коммерческое созвездие летающих спутников формации, которое может идентифицировать и независимо геолокировать широкий диапазон радиочастотных сигналов на Земле посредством триангуляции.

«Среди наших отличительных возможностей мы можем идентифицировать и независимо определять местоположение различных радиочастотных сигналов. Общие сигналы, представляющие интерес, включают в себя определение местоположения излучателей, таких как морские радары, радиостанции VHF, работающие по принципу «нажми и говори», приемоответчики для судов с автоматической системой идентификации (AIS), спутниковые терминалы и вышки сотовой связи», — говорит Адам Беннетт, директор по маркетингу продукции HawkEye 360.

Ð’ настоящее время у компании есть три спутника на орбите, запущенных в декабре 2018 года на SpaceX Falcon 9, каждый из которых способен настраиваться на широкий диапазон частот от 144 МГц до 15 ГГц. Эти низкоорбитальные спутники находятся на солнечно-синхронной полярной орбите, а их обширное поле позволяет воспринимать радиочастотные сигналы в каждой точке планеты несколько раз в день. «Наш второй кластер спутников уже находится в стадии разработки, и наша цель для полностью работоспособного созвездия состоит в том, чтобы достичь шести кластеров (18 спутников), что позволяет нам достигать частоты повторных посещений каждые 30–45 минут», — добавляет Беннетт.

Гиперспектральная визуализация, опять же сфера военных ведомств и правительств, становится еще одной важной областью инноваций. Узкие спектральные сигнатуры, генерируемые гиперспектральными датчиками, обеспечивают беспрецедентную точность классификации земли и воды, а также дают представление о химических и молекулярных процессах сельскохозяйственных культур, почвы, воздуха и стоков. Это обеспечивает дополнительное измерение геопространственных данных, расширяя и дополняя существующий поток данных, обеспечивая конкурентное преимущество.

Satellogic, компания, базирующаяся в Буэнос-Айресе, занимающаяся космической съемкой, в настоящее время является единственным поставщиком коммерческих гиперспектральных спутниковых снимков в мире. К концу 2019 года фирма планирует еще три спутника. «Каждый из наших коммерческих спутников несет две полезные нагрузки — одну для мультиспектральной съемки, а другую для гиперспектральной камеры расширением 30 м GSD  (ground sample distance) и 150 км полосы (при высоте полета 470 км). Этот уникальный датчик может различать сотни различных спектральных полос, расположенных произвольно в спектре с нанометрической точностью», — говорит основатель и генеральный директор Satellogic Эмилиано Каргиман.

Компания планирует запустить созвездие из 300 спутников для создания первой масштабируемой платформы наблюдения Земли с возможностью переназначения всей планеты как с высоким разрешением, так и гиперспектрально. После завершения созвездие будет обеспечивать ежедневные преобразования Земли с разрешением 1 метр и предоставлять лучшую в своем классе частоту с полностью автоматизированной платформой.

Satellogic объединился с China Great Wall Industries Corporation (CGWIC), компанией, которая занимается продажей китайских космических технологий за пределами страны, чтобы запустить созвездие из 90 спутников в серии специализированных ракет LongMarch-6 и LongMarch-2D.

Ожидается, что первый LongMarch-6 с 13 спутниками будет запущен во втором квартале 2020 года, после которого запуски будут происходить раз в квартал в течение 2021 года.

Британская компания Satellite Vu разрабатывает парк небольших спутников, оснащенных специальными датчиками, которые будут использоваться для мониторинга загрязнения пластиком, а также теплового картографирования.

Способность воспринимать тепловые характеристики объектов, особенно зданий, была прерогативой военных систем. Satellite VU планирует изменить это, предоставляя коммерческие данные в гораздо более высоком разрешении.

«Пластик стал бедствием нашего общества, он «душит» наши морские территории. Существующие методы отслеживания этих угроз не так эффективны ни с точки зрения технологии, ни с точки зрения затрат.К ним относятся методы бортового мониторинга», — объясняет Энтони Бейкер, генеральный директор Satellite Vu. Компания разработала технологию, которая позволит сократить время, необходимое для измерения проблем, связанных с пластиком, с года до недели.

Спутники имеют размер обувной коробки, и им нужен специальный телескоп для достижения необходимого разрешения. Они обладают маневренностью в направлении конкретных целей, которые представляют особый интерес. Быстрое время пересмотра спутников в сочетании с их датчиками гарантирует, что происходящая картина будет доступна в реальном времени. «Определяя, где находятся пластик и откуда он, мы помогаем правительству и организациям действовать быстро и оперативно для решения этой проблемы», — говорит Бейкер. К 2020 году его будущий спутниковый датчик будет в завершающей стадии, и платформа данных также начнет функционировать.

Аналогичным образом, компания Bluefield, основанная в 2017 году в Пало-Альто, штат Калифорния, запускает микроспутники для отслеживания выбросов метана. Спутники, первый из которых будет запущен в 2020 году, а еще восемь — к 2023 году, используют запатентованную миниатюрную версию сенсорной технологии, ранее использовавшейся НАСА в 12 миссиях. Благодаря установке этого датчика на нескольких микросателлитах размером с рюкзак и расширению исходных данных с помощью запатентованных алгоритмов машинного зрения, Bluefield обеспечит мониторинг выбросов метана при ранее немыслимой комбинации глобального охвата, высокого разрешения и низкой стоимости.

«Мы будем составлять карту каждого критического источника на планете каждый день. Это улучшит будущее, потому что метан отвечает за 25% глобального потепления. Предоставляя эти мощные данные, у нас есть возможность замедлять процессы изменения климата», — говорит Йотам Ариэль, генеральный директор и основатель Bluefield.

Bluefield, частично финансируемый Village Global LP, венчурной фирмой, поддерживаемой такими техническими магнатами, как Джефф Безос и Марк Цукерберг, использует оптический метод, который в сочетании с запатентованными алгоритмами машинного зрения обеспечивает беспрецедентную точность, частоту и доступность для определения миллионов источников излучения на планете. Компания планирует расширить отслеживание других парниковых газов, таких как SO2, NO2 и CO2. Bluefield также планирует расширить свою деятельность с источников выбросов нефти и газа до мониторинга мусорных свалок, сточных вод, животноводства, тяжелой промышленности и т. д.

PlanetiQ со штаб-квартирой в Колорадо сосредоточен на дистанционном зондировании атмосферы и планирует к 2021 году создать систему из 20 спутников на солнечно-синхронных орбитах, чтобы получить наиболее глобальный охват. «Первые два спутника будут развернуты к концу 2019 года», — говорит Стив Джоанис, генеральный директор PlanetiQ. Компания специализируется на разработке и производстве приборов дистанционного зондирования и стремится сделать семидневный прогноз таким же точным, как и однодневный.

Новые области применения

В настоящее время большая часть спроса на наблюдение Земли с помощью AI поступает от оборонных, правительственных и гуманитарных организаций. Обилие в доступности EO-данных привело к улучшению анализа данных и предоставлению услуг с новым набором областей применения.

Например, в дополнение к традиционным пользователям, компания Capella видит большие возможности для бизнеса в мониторинге таких ключевых областей, как крупные города, порты, морские пути и критическая инфраструктура. «Мы можем обеспечить надежные и согласованные информационные потоки по многим направлениям: от страхования и финансов до сельского хозяйства и судоходства. Мы стремимся открыть новые возможности, рынки и приложения для данных дистанционного зондирования по мере приближая их к реальному времени и возможностям по требованию», — объясняет Баназаде.

Текущая клиентская база ICEYE состоит из пользователей данных, которые уже знакомы с данными SAR и нуждаются в них еще больше. Кроме того, компания планирует ориентироваться на пользователей коммерческой информации, которые не обязательно разбираются в самих данных SAR, но полагаются на специализированные аналитические услуги, основанные на оригинальных изображениях. Например, страховой и финансовый секторы, а также девелоперские организации.

Кроме того, Satellogic разрабатывает решения для таких областей, как лесное хозяйство, сельское хозяйство, энергетика, финансы и страхование, картография и «критическая инфраструктура». Спутниковые данные высокого разрешения и высокочастотные сигналы могут использоваться для составления карты землепользования и мониторинга инфраструктуры, отслеживания развития сельского хозяйства и быстрого реагирования на стихийные бедствия, мониторинга границ и прибрежных вод, оценки состояния сельскохозяйственных культур и производства природных ресурсов, отслеживания экономической деятельности, сферы транспорта и работы заводов, они наблюдают и защищают окружающую среду, а также описывают и предсказывают воздействие природных явлений, дают представление о защите естественной среды обитания, говорит  Каргиман.

Отслеживание «темных кораблей» (судов, которые занимаются такими видами деятельности, как контрабанда или незаконный промысел) — это одна из областей, которой занимается компания HawkEye 360. «Компания также заинтересована в том, чтобы помочь клиентам проанализировать, как эффективное использование телекоммуникационных частот, может помочь миссиям защиты и безопасности в выявлении и оценке потенциальных угроз, а также оказать помощь в поисково-спасательных операциях», — говорит Беннетт. Помимо этого, компания способна обеспечить быструю оценку инфраструктуры связи после стихийных бедствий.

ICEYE также сотрудничает с компанией Spire, занимающейся данными и аналитикой, имеющей 84 спутника на орбите, для обнаружения темных судов и незаконной деятельности в море. Учитывая, что экономическая стоимость нелегального рыболовства оценивается в 23 миллиарда долларов в год, партнерство позволит достичь нового уровня точности в отслеживании судов, занимающихся торговлей оружием, наркотиками и людьми.

Satellite Vu разрабатывает решение двойного назначения, которое поможет справиться с бедствием Urban Heat Islands (UHI), используя данные, которые позволят коммерческому сектору проанализировать его влияние на UHI и способы его смягчения. Эти данные могут быть объединены с другими источниками данных для создания компьютерных моделей умных городов, также известных как цифровые близнецы. Тепловые карты могут помочь определить углеродный след, потери энергии и влияние на окружающую среду здания.

У компании есть множество клиентов — от экологических организаций, государственных органов до финансовых инвестиционных институтов. «В настоящее время мы сотрудничаем со специализированными аналитическими фирмами для выявления конечных пользователей. Мы также концентрируемся на том, чтобы сделать наши продукты более понятными для широкого круга клиентов, например, выпуская карты и выделяя функции, которые меняются со временем», — уточняет Бейкер.

Rezatec, британская компания по анализу геопространственных данных, применяет науку данных к спутниковым изображениям и другим геопространственным данным, чтобы предоставить сложную облачную аналитику клиентам, владеющим и управляющим ценными распределенными наземными активами. Его клиенты являются лидерами отрасли на рынках водного хозяйства, сельского хозяйства, инфраструктуры и лесного хозяйства, которые используют услуги передачи данных для повышения рентабельности, повышения конкурентных преимуществ и оптимизации управления активами.

«Мы видим, что спрос поступает из всех секторов, где существует необходимость в точном мониторинге и управлении активами для снижения риска и повышения эффективности затрат», — говорит Филипп Бриско, главный операционный директор Rezatec.

Обработка всех этих yotta-байтов

В связи с тем, что в космосе находится так много спутников, возникает растущая потребность в скорейшем возвращении всех этих байтов данных на Землю для обработки. Наземные станции Amazon – AWS, в этом отношении действительно меняют ситуацию: технологический гигант намерен предоставлять наземную станцию в качестве услуги через сеть из 12 спутниковых станций по всему миру. Capella, Spire, Maxar, Myriota и Thales Alenia Space являются одними из основных клиентов и партнеров, пользующихся услугами наземной станции AWS. Идея Amazon заключается в том, чтобы инвестировать в большое количество дорогих инфраструктур, а затем брать плату за стартапы только за то, что они используют. Это упрощает и делает доступным ведение бизнеса в космосе.

Базирующаяся в Колорадо Bridgesat является новатором в этой области. Она предлагает лазерные терминалы связи небольшого форм по сниженной цене по сравнению с эквивалентными по пропускной способности решениями. Компания также сотрудничает с производителями лазерных терминалов связи для обеспечения совместимости с наземной сетью BridgeSat. Её первая наземная станция уже работает в Калифорнии. Компания планирует иметь около 10 станций по всему миру. ICEYE является одним из ее первых клиентов.

Быстрое развитие аналитики на основе AI также приводит к тому, что обработка данных с использованием методов машинного обучения может происходить на борту, поскольку это уменьшит беспорядок. Польская фирма KP Labs строит уникальный спутник, который сможет анализировать и обобщать собранные им данные. Спутник названный Intuition-1, будет оснащен нейронной сетью на основе искусственного интеллекта, смоделированной на человеческом мозге. Гиперспектральный томограф Intuition сделает снимки полосы шириной 15 км с разрешением 25 метров на пиксель. Однако вместо того, чтобы возвращаться обратно на Землю, бортовая нейронная сеть будет сшивать изображения, используя мощные графические чипы, защищенные от излучения.

Век нового космоса

Космическая экономика уже представляет собой  индустрию в миллиарды долларов и является одной из фундаментальных социальных трансформаций, которые мы переживаем в настоящее время. Это относится к переходу от крупных игроков — правительств и крупных корпораций, которые управляют спутниками, распространяют данные и предоставляют услуги, к открытию рынка для десятков стартапов, которые не только внедряют новые технологии для поддержки традиционных приложений, но и разрабатывают новые приложения сами.

Индустрия наблюдения Земли в настоящее время переживает переход от традиционных спутников к новому космосу. «Есть горстка традиционных игроков, которые пытаются заново изобрести себя, и куча новых игроков, предлагающих прорывные модели», — отмечает Каргиман.

В последние несколько лет рыночные условия были нужными для инновационных стартапов, которые начали играть определенную роль в космическом секторе, не в последнюю очередь в секторе спутниковых приложений, отмечает Бриско. Эти условия включают распространение облачных вычислений, расширенные возможности хранения и обработки данных, увеличение объема спутниковых данных (включая программу Европейского космического агентства Copernicus) и общее образование и понимание во многих секторах того, что спутниковые данные могут обеспечить экономически эффективное новое средство борьбы с проблемами, исторически решаемыми с использованием дорогих или трудоемких методов.

Беннетт из компании HawkEye соглашается: «Теперь стало возможным создать мощные возможности в компактном «корпусе», благодаря появлению технологий малых спутников. Пространство стало гораздо доступнее, учитывая разнообразие провайдеров запуска и общее снижение затрат на запуск. Эта комбинация позволила небольшим компаниям разработать эффективные спутники и вывести их на орбиту».

Ариэль из Bluefield отмечает, что сегодня доступно всего шесть вариантов запуска, которые удвоятся к следующему году. Бум в спутниковой индустрии также вызывает интерес у людей, открывая, таким образом, большую базу талантов и опыта в эксплуатации спутников и обработке данных.

Перспектива технологий AI и ML, применяемая к спутниковым изображениям, в сочетании с более высокой частотой и более высоким разрешением данных, заключается в расширении рынка наблюдений за Землей на порядок в следующем десятилетии. «Это расширение рынка пойдет на пользу как традиционным спутниковым операторам, которые должны будут адаптировать и интегрировать некоторые новые технологии и методы, чтобы оставаться конкурентоспособными, так и новым участникам, которые могут реализовать свои планы и обещания». Каргиман не мог бы подвести итог лучше.