Розвиток моніторингових супутників упродовж останніх років зробив великий стрибок уперед. Нові типи оптичних сенсорів та активне впровадження радарів із синтезованою апертурою (SAR) дозволили значно розширити поле зору супутників спостереження. Переваги одразу відчули багато сфер діяльності, які використовували моніторингові супутники й раніше: від природоохоронної до військової.
Нові типи надчутливих супутникових сенсорів для екологічного моніторингу, інноваційні методи обробки отриманого зображення за допомогою алгоритмів ШІ, впровадження глобальних сервісів з космічної обізнаності (SSA). Сьогодні пропонуємо вам розглянути, як еволюціонував сектор супутникового спостереження за Землею останніми роками.
Нові типи супутникових сенсорів для екологічного моніторингу
Зовсім скоро у Національному управлінні океанічних і атмосферних досліджень (NOAA) мають з’явитися нові типи супутникових датчиків для аналізу складу атмосфери (ACX). Цьогоріч NASA уклало контракт на $365 млн з англійською компанією BAE Systems, яка має розробити сенсор для супутників NOAA.
Супутниковий сенсор, який розробляє BAE Systems, являтиме собою надчутливу гіперспектральну камеру, здатну до спостережень одразу в кількох спектральних діапазонах, від ультрафіолетового до видимого нашому оку світла. Впровадження нового приладу дозволить значно розширити здатність до виявлення викидів озону, діоксиду азоту, формальдегіду, гліоксалю та діоксиду сірки, що стане важливим додатком до вже наявного у NOAA інструментарію з екологічного моніторингу нашої планети.
Сенсор ACX призначений для нових супутників сузір’я NOAA — Geostationary Extended Observations (GeoXO). Це малочисельне сузір’я наразі складається всього з трьох апаратів на геостаціонарних орбітах. Серед інших розробок BAE Systems, що матимуть нові супутники, слід виділити ехолот GeoXO Hyperspectral IR Sounder — пристрій для виміру вмісту вологості в атмосфері, трекінгу ураганів та прогнозування погоди.
Функціонал сузір’я доповнюється можливостями сенсорів, встановлених на GXI Vis/IR Imager (спостереження у інфрачервоному спектрі в режимі реального часу), LMX Lighting Mapper (картографування блискавок через оптичний датчик) та OCX Ocean Colour Instrument (гіперспектральний прилад для виміру ультрафіолету за допомогою вбудованого ближнього інфрачервоного пасивного радіометра).
Джерело: nesdis.noaa.gov
Нові типи чутливих гіперспектральних сенсорів для моніторингу рівня викиду парникових газів у високій роздільній здатності з’являться і у супутників угруповання GHGSat. За їхню розробку відповідає компанія ABB, яка раніше вже сконструювала сім апаратів для згаданого моніторингового сузір’я.
Очікується, що нові типи гіперспектральних сенсорів встановлять на чотирьох супутниках сузір’я, які планують запустити наприкінці 2024 року. У серпні 2024-го світовий лідер з моніторингу рівня викидів парникових газів GHGSat уклав контракт зі Space Flight Laboratory на будівництво ще двох додаткових супутників для контролювання стану забрудненості повітря. Таким чином загальна кількість моніторингових супутників на орбіті вже зовсім скоро має зрости до 13 активних спостерігачів.
Космічний аналіз рівня викиду парникових газів, які проводить GHGSat, допоміг знизити шкідливі викиди в атмосферу на 5,6 млн тонн CO2 в період з 2021 до 2024 року. Скоре розширення сузір’я GHGSat покликане додатково зменшити забруднення великими промисловими підприємствами атмосфери вуглекислим газом. Найбільшим плюсом від використання саме супутникового моніторингу при оцінці рівня викидів CO2 є неупередженість цього методу спостереження: супутник або бачить небезпечні викиди, або фіксує чисте повітря. Таким чином промислові гіганти позбавляються можливості приховати або ж применшити дані щодо викидів парникових газів з власних виробництв.
Упровадження алгоритмів ШІ у процес розпізнавання супутникового зображення
Нові типи сенсорів — не єдина річ, що прямо впливає на збільшення розпізнавальної здатності супутників спостереження за земною поверхнею. На цьогорічному Світовому економічному форумі була представлена доповідь під назвою: “Каталітичний потенціал штучного інтелекту для спостереження за Землею”, де йдеться, що нові моделі на базі алгоритмів машинного навчання, які активно впроваджуються останніми роками на етапі постоброблення супутникового зображення, в рази підвищують ступінь розпізнавання об’єктів на знімках, при цьому значно заощаджуючи людський ресурс, раніше задіяний для такого типу задач. Оператору-людині тепер треба лише перевіряти надану ШІ інформацію, вилучаючи невірно ідентифіковані об’єкти.
Використання ШІ в процесі супутникового моніторингу, зокрема, все частіше охоплює об’єднання різнорідних добірок даних у єдину загальну картину. Це сприяє більш цілісному та неупередженому аналізу ситуації, який найточніше описує стан речей на Землі. Серед інших переваг упровадження нейромереж у процеси розпізнавання — машинне навчання (ML), коли зі збільшенням циклів обробки зображень нейромережа поступово зменшує відсоток невірно ідентифікованих об’єктів. Завдяки цьому методичному процесу навчання ШІ набуває здатності не лише розрізняти об’єкти на супутникових знімках, але й точно з’ясовувати джерела їхнього походження, що особливо важливо під час екологічного моніторингу, виявлення причин викидів метану, утворення сміттєзвалищ тощо. Рівень прогнозування значно покращив і функціонування супутників, орієнтованих на кліматичні та метеоспостереження.
Машинне навчання із залученням широкого спектра супутникових даних дозволяє створювати базові моделі (також відомі як фундаментальні), щоб аналізувати великі обсяги інформації на вимогу користувача. Подібні базові моделі дозволяють уникнути багатомісячного створення та навчання нейромережі для розпізнавання з нуля, яке раніше потребувало значного ресурсу технічних фахівців.
Новий час також вельми полегшив роботу із супутниковими даними за допомогою істотного спрощення інтерфейсу користувача (UI), що дозволяє оперувати даними супутникового спостереження не тільки підготовленим технічним фахівцям, але й звичайним бізнесменам, використовуючи для цього лише свій смартфон або ПК.
Джерело: eos.com
Такий підхід дає значний поштовх створенню бізнес-моделей, за рахунок чого кожен рік ринок супутникового моніторингу та обробки даних постійно поповнюється новими гравцями. Здатність до масштабування, яку пропонують нові клієнтоорієнтовані сервіси, та впровадження у процес розпізнавання ШІ на сьогодні залишаються головним фактором, що позначається на зростанні усього сектора супутникового спостереження за Землею.
Залучення ШІ у процес обробки супутникових зображень до того ж робить процес розпізнавання більш прозорим і незаангажованим, що зі свого боку впливає на заохочення клієнтів та появу нових компаній, які прагнуть надавати подібні послуги.
Свій бенефіт отримують і військові. Минулоріч Агентство передових оборонних дослідницьких проєктів (DARPA) США виступило із запитом на впровадження ШІ у процес розпізнавання даних, отриманих за допомогою американських військових супутників. Результатом цього став контракт на $7 млн, який DARPA уклало зі вже згаданою вище BAE Systems. До реалізації проєкту будуть залучені ще дві компанії, які спеціалізуються на розробці ШІ-систем: OmniTeq та Apogee Research і Systems & Technology Research.
Привнесення автоматизації в процес постоброблення супутникових знімків виявляється особливо важливим, коли йдеться про розгортання великих супутникових сузір’їв військового призначення. Раніше обробка такого значного масиву даних потребувала залучення широкого кола наземних операторів, які з впровадженням систем машинного навчання все більше виконуватимуть роль наглядачів у цьому процесі. Нове програмне забезпечення планується інтегрувати з різними типами супутникових сенсорів, від оптичних до радіочастотних.
Перша фаза програми DARPA триватиме 15 місяців, упродовж яких компанії мають презентувати новий тип програмного забезпечення та протестувати його у земних умовах. Далі стартує друга фаза, що передбачатиме розгортання супутників на орбіті. Сенсори, які працюватимуть на базі алгоритмів ML, пропонується встановити на спостережні супутники Агентства космічного розвитку (SDA), що переймаються відстеженням та трекінгом нових типів маневрених гіперзвукових ракет.
Космічні сили США (USSF) продовжують працювати з компаніями над покращенням точності вже наявних сенсорів. Одним із рішень на цьому напрямку може стати постобробка вже отриманих зображень за допомогою нейромереж, та штучне підвищення їхньої роздільної здатності. Ця можлива альтернатива, втім, іще потребує доопрацювання, оскільки іноді під час поліпшення якості отриманого зображення ШІ здатен і спотворити його при обробці, адже технологія все ще на початковому етапі впровадження.
Лазерний міжсупутниковий зв’язок: нові можливості у трансфері даних у космічному просторі
Іще один великий крок уперед в індустрії супутникового моніторингу пов’язаний з появою та активним упровадженням технології оптичного зв’язку у вільному космосі (FSO), або ж лазерним супутниковим зв’язком.
Нова технологія ретрансляції супутникового сигналу (від супутника до супутника, або від супутника до наземної станції) позитивно вплинула на швидкість обміну даними, до того ж зробила передачу великих обсягів інформації значно більш захищеною за рахунок використання вузьких (порівняно з радіочастотними) та сфокусованих лазерних променів. Лазерні промені виявилися ще й менш чутливими до наявних систем електромагнітного та радіочастотного перехоплення.
Окрім підвищеного рівня захищеності сигналу та можливості передавати значні обсяги даних на великій швидкості, FSO суттєво зменшила й вимоги до енергоспоживання космічного апарата, необхідні для трансферу даних. Це зі свого боку має безпосередньо вплинути на розміри майбутніх супутників, зробивши їх компактними та дешевшими у виробництві.
На сьогодні технологія лазерної міжсупутникової передачі даних уже була продемонстрована у космічних місіях кубсатів SOTA від японського NICT (де максимальна швидкість передачі даних склала 10 Мбіт/с), кубсатів OSIRISv2 від німецького DLR (які показали 1 Гбіт/с) та OCSD від американського NASA (перший високошвидкісний лазерний низхідний канал зв’язку).
Джерело: dlr.de
Уже за декілька років ми маємо побачити активне впровадження технології лазерного зв’язку на переважну більшість навколоземних моніторингових супутників цивільного та військового призначення. Так, нові SDA зможуть передавати дані 3-5 каналами лазерного зв’язку, за допомогою яких військові супутники зв’язуються не тільки з наземними станціями, але й з літаками, кораблями, а також іншими супутниками, що допоможе створити розгалужену багаторівневу архітектуру супутникового телекому.
На поточному етапі розвитку технологія лазерного зв’язку ще переживає труднощі, серед яких головною є значна залежність якості зв’язку від стану погодних умов (атмосферне затухання може відхиляти або глушити оптичні хвилі). Плюс проблематичність наведення, отримання та відстеження, оскільки технологія вимагає великої точності наведення лазерного випромінювання на приймальний сенсор, та відносно висока на даний момент вартість початкового налаштування приладів.
Еволюція у сервісах космічної обізнаності (SSA)
Клієнтоорієнтовані сервіси космічної обізнаності розширюють та пришвидшують систематизацію інформації, отриманої з різних супутників, підключених до єдиної мережі. Дані типи сервісів пропонують своїм клієнтам послуги з відстеження, моніторингу земної поверхні, орбітального контролю тощо. Як частина єдиної архітектури SSA-супутники за запитом можуть швидко надати необхідний перелік даних щодо ситуації на Землі. Це виявляється особливо корисним у випадку екстреного реагування на надзвичайні ситуації природного та техногенного характеру, або за необхідності швидкої реакції щодо вирішення питань національної і глобальної безпеки.
Сервіси SSA надають користувачеві уявлення про рух та можливості тисяч космічних апаратів, які кожного дня пролітають у нас над головами. Відтак більшість сервісів космічної обізнаності слугують своєрідним космічним радіолокатором, здатним запропонувати клієнтові надчутливі типи оперативної інформації щодо обстановки на Землі та у космосі. І в останні роки гравців на цьому полі побільшало.
Одним із них є супутникова компанія Beyond Gravity (раніше RUAG Space), яка пропонує клієнтам доступ до свого сервісу SSA, база даних якого містить інформацію з понад 10 000 супутників. Її можна отримати і в режимі реального часу.
SSA виявляється надзвичайно затребуваним у питаннях стратегічних рішень в обмежений проміжок часу. Саме тому сервіси космічної обізнаності користуються великим попитом серед військових. Так, Італійське національне управління озброєнь (NAD) висловило бажання придбати три нові наземні датчики SSA, за допомогою яких країна планує посилити власний рівень обізнаності щодо космічного середовища.
Нова система, якої потребує NAD, має складатися з двох оптичних сенсорів, можливості яких доповнюватиме надчутлива радарна станція. Працюючи разом, вони надаватимуть італійським військовим повну інформацію щодо космічних об’єктів розміром до 15 см на низькій навколоземній орбіті (LEO), та об’єктів менше 35 см на середній навколоземній орбіті (MEO) на ділянках неба, де відбувається спостереження. Новий італійський сервіс SSA також буде спроможний локалізувати об’єкти і на вищих типах орбіт, на кшталт GEO, проте досі невідомо, якого розміру вони мають бути, щоби потрапити у поле зору нової системи.
Перший оптичний сенсор, за допомогою якого італійські військові прагнуть поліпшити власну космічну обізнаність, розроблений компанією OHB Italia та має назву Flyeye. Цей наземний оптичний сенсор, заввишки 6,5 м і завширшки 4 м, зовні нагадує ширококутний телескоп, постійно направлений у небо. Можливості Flyeye з виявлення космічних об’єктів доповнить другий наземний оптичний телескоп, не такий потужний та менший за розміром, а також наземна радарна станція, яка буде уловлювати радіослід, що залишають по собі космічні апарати, мандруючи орбітою.
Прогнозується, що SSA для NAD зможе класифікувати типи виявлених об’єктів, відрізняючи, наприклад, супутники від уламків дрібного орбітального сміття або невеликих астероїдів, що курсують орбітою Землі.
Джерело: ohb-italia.it
Італія збирається розгорнути пробну версію нової SSA впродовж 2027 року, а з 2029-го система має почати працювати на повну потужність. США також прагнуть оновити власний ресурс SSA. Навесні цього року Космічні сили США (USSF) заявили про намір розгорнути нове супутникове сузір’я космічної обізнаності на геостаціонарній орбіті. Наразі USSF уже має можливості космічної обізнаності завдяки своїй програмі Geosynchronous Space Situational Awareness Program (GSSAP), супутники якої здатні не лише спостерігати за потенційними суперниками США на Землі (звісно, йдеться здебільшого про китайців та росіян), але й виконувати орбітальне рандеву, наближаючись до недружніх супутників і передаючи на Землю дані про них.
Попри те, що угруповання GSSAP налічує лише п’ять супутників (шостий деактивований минулого року), специфіка їхньої орбіти (35 000+ км) дозволяє їм осягати майже всю земну кулю. Основна мета поповнення наявного сузір’я GSSAP новими супутниками полягає в розширенні їхнього експлуатаційного терміну завдяки встановленню порту для орбітальної дозаправки паливом, яким не володіють уже діючі члени угруповання. З огляду на те, що сама технологія орбітальної дозаправки станом на сьогодні перебуває у зародку, найімовірніше, нові супутники GSSAP з’являтимуться на орбіті тільки наприкінці 2020-х років.
Загалом уже зараз можна побачити, як сервіси космічної обізнаності стають дедалі ефективнішими та потужнішими, передусім завдяки поступу саме у комп’ютерних технологіях розпізнавання, багато з яких працюють із залученням алгоритмів машинного навчання. З іншого боку, нові типи оптичних сенсорів і надзвичайно потужні радарні системи впливають на покращення якості та швидкості виявлення навіть дуже малих орбітальних апаратів.
Останній великий стрибок у розвитку SSA полягає у впровадженні нових методів стандартизації програмного забезпечення, за допомогою яких системи космічної обізнаності різних країн можуть бути об’єднані у аналог єдиної мережі, що значно прискорює час виявлення та надає більший відсоток точності у спостереженні шляхом суміщення ресурсу оптичних сенсорів та радарів.
Нові можливості супутникової спектрометрії
Однією з важливих місій моніторингових супутників залишається спостереження за біорізноманіттям та екосистемами на Землі. Відповідне наукове дослідження ще у 2022 році провела Ганна Швайгер з лабораторії дистанційного зондування Географічного факультету Цюріхського університету (UZH) разом з Етьєном Лаліберте з Монреальського університету.
Метою дослідження “Бета-різноманіття рослин у біомах, отримане за допомогою спектроскопії зображень” було визначення біорізноманіття земної флори з космосу за допомогою нових типів супутникових спектрометрів. Дослідження допоможе відстежувати динаміку зміни біорізноманіття рослин у масштабах усієї планети, починаючи від тропічних джунглів та закінчуючи арктичною тундрою.
Основним критерієм отримання даних методами супутникової спектрометрії залишається коефіцієнт відбиття світла від тих чи інших типів рослин. Оскільки кожен різновид земної флори має різну хімічну структуру та щільність рослинного покрову, вони відбивають сонячне світло по-різному. Цей аспект дозволяє класифікувати рослини за типом та проводити подальші спостереження за ними, оцінюючи динаміку їхнього стану багато років поспіль.
Вимірювання спектрометрії проводяться у різних діапазонах електромагнітного спектра: від коротких інфрачервоних хвиль до світла більшої довжини, яке може побачити наше око. Вимірювання відбитого світла дозволяє побудувати низку відповідних індексів, які вказують на різновид та поточний стан рослини, насиченість регіону, де вона виростає, вологою тощо.
Нове дослідження було проведене за допомогою супутникових даних, наданих Національною мережею екологічних обсерваторій (NEON) з надвисокою просторовою роздільною здатністю, де піксель дорівнює 1×1 м. Для інших типів досліджень цей показник було зменшено до 20×20 м на один піксель. Останні кроки провідних космічних агентств Європи (ESA) і США (NASA) свідчать, що вивчати зміни рослинних екосистем можна навіть за допомогою супутників, які пропонують роздільну здатність, що дорівнює 30×30 м на один піксель зображення, якщо збір даних здійснюється принаймні раз на 16 діб. Саме такі системи наразі розробляються в обох агентствах, і прогнозується, що у майбутньому ними скористаються для виявлення динаміки зміни екосистем.
За принципами супутникової спектрометрії працюють супутники EOS SAT від компанії EOS Data Analytics (EOSDA) — першого аграрного супутникового сузір’я у світі, основною метою якого є спостереження за посівними землями великих фермерських господарств, а також моніторинг стану лісів та інших типів флори. Наразі на орбіту виведено лише один супутник (EOS SAT-1) майбутнього агросузір’я. Згодом компанія збільшить їхню кількість, аби на низькій навколоземній орбіті (LEO) постійно оперували сім супутників. Загальна добова площа охоплення майбутнього сузір’я має скласти 12 млн км2.
Нарощування співпраці з комерційним сектором
Дедалі частіше військові відомства запрошують комерційний аерокосмічний сектор до співпраці щодо отримання та обробки супутникових зображень. Цифри красномовні: $4 млрд з $30-мільярдного бюджету Космічних сил на 2024 рік спрямують саме на розвиток комерційних можливостей, які військові все активніше залучають у процеси розвідки та космічної обізнаності.
Нещодавнє створення нових комерційних космічних офісів (Commercial Space Office) у структурі USSF вказує на те, що надалі співпраця між військовими та приватним сектором лише міцнішатиме. І йдеться не тільки про залучення приватних супутникових компаній до військових операцій — їм також до снаги надавати відомості супутникових спостережень для локалізації катастроф техногенного і природного характеру. Комерційний сектор можуть запросити і до реалізації місії з інфрачервоного спостереження, він здужає надавати військовим альтернативні можливості позиціонування, навігації та часу, які значно розширять поточні спроможності Космічних сил, що досягаються за допомогою парку власних військових супутників.
Нові супутникові датчики та сервіси з обізнаності у космічному просторі за останнє десятиріччя експоненційно підвищили кількість комерційно доступних даних зі спостереження за Землею. За приблизними підрахунками, увесь комерційний сектор супутникового спостереження сьогодні генерує до декількох сотень терабайт даних на добу, і цей показник прогнозовано виросте у наступні роки, оскільки кількість моніторингових супутників на орбіті (особливо від комерційного сектора) лише збільшується.
Наразі головною перепоною на цьому шляху залишається відсутність єдиних стандартів програмного забезпечення, які б дозволяли американським комерційним супутникам напряму зв’язуватися з військовими апаратами для ретрансляції сигналу. Досі цей нюанс значно гальмує космічну взаємодію між військовими відомствами та комерційним сектором. Утім, процес відходу USSF від стратегії закупівлі власних супутників до стратегії придбання послуг уже дієвих комерційних супутників станом на середину 2024 року вже є доконаним фактом.
