Запуск спутника EOS SAT-1 от компании EOS Data Analytics, состоявшийся в начале 2023 года, стал уникальным событием в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Сочетая компактность и модульность, спутники созвездия EOS SAT представляют собой наиболее передовые инструменты для ведения точного земледелия (Precision farming) — нового метода в агропромышленности, при котором анализ и контроль за состоянием посевных земель осуществляется посредством мониторинга с орбиты.

Давайте разберемся, в чем уникальность EOS SAT-1 и как подобные ему аппараты формируют новые направления в индустрии спутникового наблюдения.

Размеры EOS SAT: когда меньше — лучше

Стремление уменьшить размеры спутников объясняется сегодня исключительно желанием компаний сэкономить на производстве и последующем запуске своих космических аппаратов на орбиту. Уменьшение массы и габаритов прогнозировано приводит к снижению стоимости спутников, что открывает уникальное окно возможностей для создания спутниковых созвездий большой численности.

В последние годы такие созвездия сформировали настоящий новый тренд в области спутниковой телекоммуникации и мониторинга Земли. Прирост количества аппаратов, функционирующих на орбите в составе одного созвездия, расширяет их зону покрытия и дает новый уровень устойчивости спутникового сервиса. EOSDA при проектировании EOS SAT-1 для создания своего созвездия из семи агромониторинговых спутников делала ставку именно на компактность и устойчивость.

Масса одного EOS SAT-1 равна всего 178 кг, что в разы легче таких мониторинговых спутников, как Sentinel-2 (1140 кг) и Landsat-2 (1512 кг)

EOSDA смогла значительно уменьшить размеры и массу спутников, при этом расширив их возможности мониторинга. Будущее созвездие EOS SAT — все семь спутников вместе — будет весить ≈1246 кг, это как один спутник ДЗЗ предыдущего поколения. При этом даже один аппарат из созвездия сможет просканировать до миллиона квадратных километров земной поверхности за день. Всего тонна полезной нагрузки, размещенная на орбите, поможет увеличить эффективность выращивания агропродукции на миллионы тонн в год.

EOS SAT-1 будет не первым спутником ДЗЗ, и не первым спутником, нацеленным именно на работу с агросектором. Но вот созвездие EOS SAT станет первым в своем роде. Ведь созвездие — это несколько аппаратов, действующих в системе. Такая группировка, в отличие от одного спутника, способна обеспечивать постоянное глобальное покрытие.

Самые известные на сейчас спутниковые созвездия — GPS, Galileo и Starlink. Из созвездий спутников дистанционного зондирования можно выделить Planet, GeoSAT и ICEYE. Все они сосредоточены на выполнении определенной задачи: телекоммуникация, спутниковый интернет, глобальное покрытие. Для созвездия EOS SAT это мониторинг ключевых показателей посевных полей с целью увеличения урожайности.

Диапазоны сканирования EOS SAT-1

В основе EOS SAT-1 лежит пара оптических модулей DragonEye производства компании Dragonfly Aerospace. Они позволяют космическому аппарату получать снимки в поразительно четком разрешении — 1,4 м/пиксель в формате PAN и 2,8 м/пиксель в формате MS. По качеству и чрезвычайной четкости снимков аппарат обходит даже такую серьезную миссию, как Copernicus от Европейского космического агентства (ESA). Это самая дорогостоящая на данный момент европейская спутниковая мониторинговая миссия, бюджет которой в 2023 году увеличился на 67% в сравнении с 2022-м — до €2,7 млрд.

Например, спутник созвездия Copernicus Sentinel-2 способен выдать лишь 10 м/пиксель в формате MS, а запущенный в 2013 году Landsat-8 от USGS — 30 м/пиксель (MS).

Изображение, полученное со спутника Sentinel-2. EOS SAT-1 сможет делать снимки, почти в четыре раза более четкие
Источник: Copernicus Sentinel-2

Ширина полосы сканирования, то есть протяженность земель, которые можно одномоментно просканировать с орбиты, для EOS SAT-1 составляет 44 км. Данный показатель несколько меньше, нежели у большинства существующих мониторинговых спутников. Однако не стоит забывать, что главная цель оптики на EOS SAT — сканирование состояния посевных земель. Когда речь идет о точном земледелии, куда важнее не площадь сканирования, а количество полезной информации, которую может получить спутник за один пролет над исследуемой территорией.

А по разнообразию предоставляемых данных сканирования SAT — однозначно в числе рекордсменов. Спутники созвездия EOS SAT могут осуществлять съемку в 13 (12+PAN) различных полосах сканирования, каждая из которых способна предоставить пользователю уникальную информацию о состоянии посевных культур.

Так, формат Red Edge определяет состояние здоровья растений, сканируя световое излучение, исходящее от них в инфракрасном (ИК) спектре. Потоковое изображение, полученное по трем каналам Red Edge, может сообщаться с потоковым изображением со спутников Gold Standard Satellites S2 (GSS S2), формируя общую базу данных. Два разных типа спутников дополняют функционал друг друга. И даже если EOS SAT-1 не пролетел над нужным участком сегодня, всегда можно посмотреть, нет ли искомой информации у его коллеги по орбите — GSS S2.

Полученное спутником Landsat-5 изображение в диапазоне Red Edge, на котором можно увидеть покрытие растительностью Южной Флориды (зеленый цвет указывает на особо зеленые зоны)

Идентификация наличия зеленых участков растительности также может быть произведена с помощью двух каналов ближнего ИК-диапазона NIR (Near Infrared). Как и Red Edge, полоса NIR сканирует свет в инфракрасном спектре. Основное отличие заключается в уровне чувствительности спектральных диапазонов — поэтому NIR и Red Edge предназначены для решения разного типа аграрных задач. Еще один инфракрасный сенсор спутника способен получать изображения в коротковолновом ИК-канале SWIR (Short-Wave Infrared).

С орбиты EOS SAT-1 может увидеть не только наличие растительности, но и влаги. Функция идентификации областей водяного пара (Water Vapor) у поверхности Земли при последующем анализе дает большее представление об уровне насыщенности влагой самой почвы. Пока эта прогрессивная технология является редкостью для мониторинговых спутников. К примеру, возможности определить количество пара лишены кубсаты Super Dove от компании Planet — одного из крупных игроков на рынке дистанционного зондирования Земли.

Оптика и канал RGB

Для более привычной визуализации полученное спутниками EOS SAT изображение можно преобразовать в RGB-формат (Red Green Blue) — видимый цветовой спектр, различимый для человеческого глаза. Именно сочетание красного, зеленого и синего в разных пропорциях и порождает в конечном итоге то разнообразие цвета, которое мы наблюдаем вокруг себя. Сейчас изображения большинства оптических мониторинговых спутников представлены именно в RGB-формате. Исключением здесь являются, пожалуй, только спутники с синтезированной апертурой (SAR), область применения которых не предполагает необходимости ведения оптической фотосъемки.

Будущее созвездие от EOSDA также сможет предоставлять своим клиентам доступ к супердетализированным снимкам, полученным с помощью панхроматической камеры (PAN). Камера PAN является особенно чувствительной при сканировании коротких ультрафиолетовых волн, что позволяет получать более детальную информацию об уровне солнечного тепла, которое поглощает ферма.

Использование PAN-снимков можно наблюдать на спутниках Pléiades Neo от Airbus. Однако сам потенциал сканирования спутников Pléiades Neo вдвое меньше, чем у EOS SAT-1 — они рассчитаны на съемку всего в шести полосах сканирования против 12 у космических аппаратов от EOSDA
Источник: Airbus

Уже на Земле обработка и анализ этих данных происходит с участием алгоритмов машинного обучения (machine learning, ML). Даже разрешение, полученное посредством полосы PAN, можно улучшить путем внедрения в процесс постобработки математических алгоритмов. Машина искусственно делает изображение, полученное через оптический сенсор, еще более детализированным. Как видим, в секторе точного земледелия фактор использования алгоритмов ML пользуется активным спросом.

База EOS SAT-1: спутниковые шины и расширение функционала спутников 

Вся оптика и цифровая начинка EOS SAT-1 размещается на базе компактной спутниковой платформы µDragonfly. Это основа, вокруг которой собирается спутник. В индустрии производства спутников практика размещения полезной нагрузки в виде научного оборудования на одной общей платформе далеко не нова, однако технологии 3D-печати сверхлегких и прочных полимеров совершают настоящую революцию в производстве подобных материнских модулей.

Устройство спутниковой шины µDragonfly

Наличие спутниковой шины в качестве основной базы современных малогабаритных зондов позволяет частным аэрокосмическим компаниям модульно собирать свои спутники, затачивая их под решение конкретных нишевых задач. Спутниковая шина открывает уникальное окно возможностей и для дальнейшей модификации аппаратов. Это можно увидеть даже на примере будущего созвездия EOS SAT — если первый EOS SAT-1 будет способен вести наблюдение в 11 диапазонах, то модификации последующих добавят к этой цифре еще два спектральных канала.

Двигатели SETS нового поколения

Для корректировки орбиты спутники EOS SAT снабжены ионными двигателями производства SETS — космической компании с офисом в Днепре. Непосредственно на EOS SAT-1 установлена система SPS-25, позволяющая в несколько раз увеличить срок эксплуатации спутника, корректировать его орбиту, чтобы выводить аппарат на необходимую высоту для съемки заданных координат.

Технологии двигателей SETS базируются на использовании эффекта Холла в инертных газах, когда атомы, в данном случае ксенона, ионизируются и ускоряются электрическим полем. Такие двигатели значительно экономнее и экологичнее химических двигателей, которые продолжают эксплуатировать по сей день. Кроме того, применение двигателей Холла позволяет существенно уменьшить массу спутника, а значит, и снизить стоимость как разработки, так и выведения его на орбиту. К примеру, для компактного EOS SAT-1 его эффективная масса при наличии традиционного химического двигателя возросла бы вдвое, а для крупных спутников этот показатель мог бы увеличиться в несколько раз.

Запуск спутника EOS SAT-1 от EOS Data Analytics в начале 2023 стал уникальным событием в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Сочетая компактность и модульность, созвездие EOS SAT представляет собой наиболее передовые инструменты для ведения точного земледелия (Precision farming).
Двигатель SETS в лаборатории. Фото: SETS

Помимо обеспечения работы, двигатели SETS отвечают за сведение спутника с орбиты. Проблема орбитального мусора, все более актуальная с ростом числа запускаемых аппаратов, вынудила развитые страны пересмотреть политику аккредитации спутников. США уже требуют от операторов спутников значительно сократить время пребывания аппарата на орбите после прекращения срока его службы. Поэтому разработки компании SETS становятся тем более актуальными, учитывая их экономическую эффективность.

Спутник-функция: как созвездие EOS SAT распределяет глобальную ответственность

Инструментарий, которым обладает EOS SAT-1, способен оказать большую помощь в сфере ведения сельскохозяйственной деятельности. Созвездие EOS SAT — идеальный пример 3спутник-функции, заточенной на решение определенного типа задач. EOSDA сделала ставку на попытку решения пищевого кризиса, обеспечение глобальной продовольственной безопасности и противодействие изменениям климата.

Некоторые спутниковые созвездия прилагают усилия в стремлении занять другие ниши. Так, национальные космические агентства Израиля и Италии совместно участвуют в разработке спутника SHALOM (Spaceborne Hyperspectral Applicative Land and Ocean Mission), нацеленного на разведку полезных ископаемых. Космический аппарат весом 385 кг будет способен проводить гиперспектральный анализ и разведывать области наличия минералов в земной породе.

Еще один опыт межгосударственного сотрудничества, но теперь уже в границах Европы — испано-португальское спутниковое созвездие Atlantic Constellation, геомониторинговая группировка из малых спутников, способных получать снимки в супердетализированном разрешении. Ожидается, что Atlantic Constellation будет заниматься биомониторингом, точным земледелием, помогать в выборе земельных участков при планировании новых ферм и наблюдать за морской активностью.

Запуск созвездия намечен на 2025 год, но уже явно прослеживается главная ахиллесова пята, к сожалению, свойственная большинству европейских космических программ — это излишняя бюрократизация процесса и отсутствие собственной инфраструктуры для запусков, что вынуждает европейцев нанимать иностранных подрядчиков, тем самым растягивая сроки выполнения работ и итоговые бюджеты проектов.

«Старый свет» по-прежнему не спешит вкладывать деньги в развитие собственной космической индустрии, как это уже делают Китай и США, а оттого зачастую переносит свои космические пуски вследствие банального недостатка средств. На ситуацию неожиданно повлиял опыт войны в Украине, которая заставила «проснуться» многие властные элиты в Европе и по-новому взглянуть на важность сильного и независимого космического сектора.

Взгляд в будущее индустрии

По прогнозам, до конца 2027 года на орбиту будет запущено порядка 18 715 зондов, что даст рынку производства спутников прогнозируемый приток в $166 млрд. Свыше трети от этих средств привнесут именно производители малых спутников, которые используются в созвездиях Starlink, Amazon и OneWeb. Динамичнее всего рынок будет развиваться именно в следующие три года. А начиная с 2026-го, рост должен замедлиться — после окончательного формирования основного пула игроков во всех ключевых нишах индустрии.

Самым взрывным среднегодовой рост (CAGR) рынка производства спутников стал именно в 2022 году, когда составил 49,7%. Львиная доля от произведенных спутников (95%) были телекоммуникационными — они разместились на орбите в составе таких спутниковых мегасозвездий, как Starlink, Amazon и OneWeb.

Такой рост отчасти был вызван разгоревшейся в Украине с февраля войной, в которой сбор и обработка спутниковых данных играют все более значимую роль. Мировые государства, словно прозрев в одночасье, увидели, как простые частные аэрокосмические компании, еще вчера наблюдавшие за прогнозом погоды, смогли усилить свое присутствие в секторе глобальной безопасности и обороны. За этим прозрением последовал крупный приток национальных инвестиций, которые выразились в запросе на формирование собственного спутникового ресурса для мониторинга.

И если сегодня вам кажется, что с задачей поиска минералов на Земле можно справиться множеством способов, то рискните заглянуть на несколько декад вперед — очевидно, что именно подобные спектральные спутники уже к середине этого века будут осуществлять разведку минеральных ископаемых в пределах ближнего к нам круга планет Солнечной системы. С орбиты они смогут за гораздо меньшее время обнаружить наличие в почве минералов или присутствие органической жизни. И опыт таких космических аппаратов, как EOS SAT-1 и SHALOM, которые одними из первых оттачивают технологии дистанционного зондирования на Земле, будет лежать в основе будущих внеземных мониторинговых миссий.