Запуск супутника EOS SAT-1 від компанії EOS Data Analytics, що відбувся на початку 2023 року, став унікальною подією в галузі дистанційного зондування Землі (ДЗЗ). Поєднуючи компактність і модульність, супутники сузір’я EOS SAT є найбільш передовими інструментами для ведення точного землеробства (Precision farming) — нового методу в агропромисловості, при якому аналіз та контроль за станом посівних земель здійснюється за допомогою моніторингу з орбіти.
Тож розберемося, у чому унікальність EOS SAT-1 і як подібні до нього апарати формують нові напрямки в індустрії супутникового спостереження.
Розміри EOS SAT: коли менше — краще
Прагнення зменшити розміри супутників пояснюється наразі виключно бажанням компаній заощадити на виробництві та подальшому запуску своїх космічних апаратів на орбіту. Зменшення маси і габаритів прогнозовано призводить до зниження вартості супутників, що відкриває унікальне вікно можливостей для створення супутникових сузір’їв великої чисельності.
Останніми роками такі сузір’я сформували справді новий тренд у галузі супутникової телекомунікації та моніторингу Землі. Приріст кількості апаратів, що функціонують на орбіті у складі одного сузір’я, розширює їхню зону покриття і дає новий рівень стійкості супутникового сервісу. EOSDA при проєктуванні EOS SAT-1 для створення свого сузір’я із семи агромоніторингових супутників зробила ставку саме на компактність та стійкість.
EOSDA спромоглася значно зменшити розміри та масу супутників, при цьому розширивши їхні можливості моніторингу. Майбутнє сузір’я EOS SAT — усі сім супутників разом — важитиме ≈1246 кг, це як один супутник ДЗЗ попереднього покоління. Водночас навіть один апарат із сузір’я зможе просканувати до мільйона квадратних кілометрів земної поверхні за день. Загалом тонна корисного навантаження, розміщена на орбіті, допоможе збільшити ефективність вирощування агропродукції на мільйони тонн на рік.
EOS SAT-1 буде не першим супутником ДЗЗ, і не першим супутником, націленим саме на роботу з агросектором. Але сузір’я EOS SAT стане першим у своєму роді. Адже сузір’я — це кілька апаратів, які діють у системі. Таке угруповання, на відміну від одного супутника, здатне забезпечувати постійне глобальне покриття.
Найвідоміші на сьогодні супутникові сузір’я — GPS, Galileo та Starlink. З-поміж сузір’їв супутників дистанційного зондування можна назвати Planet, GeoSAT та ICEYE. Усі вони зосереджені на виконанні певного завдання: телекомунікація, супутниковий інтернет, глобальне покриття. Для сузір’я EOS SAT це моніторинг ключових показників посівних полів з метою збільшення врожайності.
Діапазони сканування EOS SAT-1
В основі EOS SAT-1 лежить пара оптичних модулів DragonEye виробництва компанії Dragonfly Aerospace. Вони дозволяють космічному апарату отримати знімки в напрочуд чіткій роздільній здатності — 1,4 м/піксель у форматі PAN і 2,8 м/піксель у форматі MS. За якістю та надзвичайною чіткістю знімків апарат обходить навіть таку серйозну місію, як Copernicus від Європейського космічного агентства (ESA). Це найдорожча наразі європейська супутникова моніторингова місія, бюджет якої у 2023 році збільшився на 67% порівняно з 2022-м — до €2,7 млрд.
Наприклад, супутник сузір’я Copernicus Sentinel-2 здатний видати лише 10 м/піксель у форматі MS, а запущений у 2013 роцi Landsat-8 від USGS — 30 м/піксель (MS).
Джерело: Copernicus Sentinel-2
Ширина смуги сканування, тобто протяжність земель, які можна миттєво сканувати з орбіти, для EOS SAT-1 становить 44 км. Цей показник дещо менший, ніж у більшості наявних моніторингових супутників. Однак не слід забувати, що головна мета оптики на EOS SAT — сканування стану посівних земель. Коли йдеться про точне землеробство, куди важливіша не площа сканування, а кількість корисної інформації, яку може отримати супутник за один проліт над досліджуваною територією.
А за різноманітністю даних сканування SAT — однозначно серед рекордсменів. Супутники сузір’я EOS SAT можуть здійснювати зйомку в 13 (12+PAN) різних смугах сканування, кожна з яких здатна надати користувачеві унікальну інформацію про стан посівних культур.
Так, формат Red Edge визначає стан здоров’я рослин, скануючи їхнє світлове випромінювання в інфрачервоному (ІЧ) спектрі. Потокове зображення, отримане трьома каналами Red Edge, може поєднуватися з потоковим зображенням із супутників Gold Standard Satellites S2 (GSS S2), формуючи загальну базу даних. Два різні типи супутників доповнюють функціонал один одного. Тож навіть якщо EOS SAT-1 не пролетів над потрібною ділянкою сьогодні, завжди можна подивитися, чи немає відповідної інформації у його колеги по орбіті — GSS S2.
Ідентифікація наявності зелених ділянок рослинності також може бути здійснена за допомогою двох каналів ближнього ІЧ-діапазону NIR (Near Infrared). Так само, як Red Edge, смуга NIR сканує світло в інфрачервоному спектрі. Основна відмінність полягає в рівні чутливості спектральних діапазонів — тому NIR та Red Edge призначені для вирішення різного типу аграрних завдань. Ще один інфрачервоний сенсор супутника здатний отримувати зображення в короткохвильовому ІЧ-каналі SWIR (Short-Wave Infrared).
З орбіти EOS SAT-1 у змозі побачити не лише наявність рослинності, а й вологи. Функція ідентифікації областей водяної пари (Water Vapor) біля поверхні Землі при подальшому аналізі дасть більше уявлення про рівень насиченості вологою самого ґрунту. Поки що ця прогресивна технологія є рідкістю для моніторингових супутників. Наприклад, можливості визначити кількість пари позбавлені кубсати Super Dove від компанії Planet — одного з великих гравців на ринку дистанційного зондування Землі.
Оптика та канал RGB
Задля звичної візуалізації отримане супутниками EOS SAT зображення можна перетворити у RGB-формат (Red Green Blue) — видимий колірний спектр, помітний для людського ока. Саме поєднання червоного, зеленого та синього у різних пропорціях і породжує зрештою ту різноманітність кольору, яку ми спостерігаємо навколо себе. Сьогодні зображення більшості оптичних моніторингових супутників представлені саме у форматі RGB. Винятком тут є, мабуть, лише супутники із синтезованою апертурою (SAR), сфера застосування яких не передбачає необхідності ведення оптичної фотозйомки.
Майбутнє сузір’я від EOSDA також зможе надавати своїм клієнтам доступ до супердеталізованих фотографій, отриманих за допомогою панхроматичної камери (PAN). Камера PAN особливо чутлива при скануванні коротких ультрафіолетових хвиль, що дозволяє отримувати детальнішу інформацію про рівень сонячного тепла, яке поглинає ферма.
Джерело: Airbus
Вже на Землі обробка й аналіз цих даних відбувається за участю алгоритмів машинного навчання (machine learning, ML). Навіть роздільну здатність, отриману за допомогою смуги PAN, можна поліпшити шляхом впровадження у процес постобробки математичних алгоритмів. Машина штучно робить зображення, отримане через оптичний сенсор, ще більш деталізованим. Як бачимо, у секторі точного землеробства фактор використання алгоритмів ML має активний попит.
База EOS SAT-1: супутникові шини та розширення функціоналу супутників
Уся оптика та цифрове начиння EOS SAT-1 розміщується на базі компактної супутникової платформи µDragonfly. Це основа, навколо якої збирається супутник. В індустрії виробництва супутників практика розміщення корисного навантаження у вигляді наукового обладнання на одній загальній платформі далеко не нова, проте технології 3D-друку надлегких та міцних полімерів вчиняють справжню революцію у виробництві подібних материнських модулів.
Наявність супутникової шини як основної бази сучасних малогабаритних зондів дозволяє приватним аерокосмічним компаніям модульно збирати власні супутники, заточуючи їх під вирішення конкретних нішевих завдань. Супутникова шина відкриває унікальне вікно можливостей для подальшої модифікації апаратів. Це можна побачити навіть на прикладі майбутнього сузір’я EOS SAT — якщо перший EOS SAT-1 буде здатний вести спостереження в 11 діапазонах, то наступні модифікації додадуть до цієї цифри ще два спектральних канали.
Двигуни SETS нового покоління
Для коригування орбіти супутники EOS SAT обладнані іонними двигунами виробництва SETS — космічної компанії з офісом у Дніпрі. Безпосередньо на EOS SAT-1 встановлена система SPS-25, що дозволяє в кілька разів подовжити термін експлуатації супутника, коригувати його орбіту, щоб виводити апарат на необхідну висоту для зйомки заданих координат.
Технології двигунів SETS базуються на використанні ефекту Голла в інертних газах, коли атоми, у цьому випадку ксенону, іонізуються і прискорюються електричним полем. Такі двигуни значно економніші та екологічніші за хімічні двигуни, які продовжують експлуатувати досі. Крім того, застосування двигунів на ефекті Голла дозволяє істотно зменшити масу супутника, а значить, і знизити вартість як розробки, так і виведення його на орбіту. Наприклад, для компактного EOS SAT-1 його ефективна маса за наявності традиційного хімічного двигуна зросла б удвічі, а у великих супутників цей показник міг би збільшитися у кілька разів.
Крім забезпечення роботи, двигуни SETS відповідають за зведення супутника з орбіти. Проблема орбітального сміття, чимдалі більш актуальна зі зростанням кількості запусків апаратів, змусила розвинені країни переглянути політику акредитації супутників. Відтак США вимагають від операторів супутників значно скоротити час перебування апарата на орбіті після припинення його терміну служби. Тому розробки компанії SETS стають вельми актуальними з огляду на їхню економічну ефективність.
Супутник-функція: як сузір’я EOS SAT розподіляє глобальну відповідальність
Інструментарій, яким володіє EOS SAT-1, здатен неабияк допомогти у сфері сільськогосподарської діяльності. Сузір’я EOS SAT — ідеальний приклад супутника-функції, заточеної на вирішення певного типу завдань. EOSDA зробила ставку на спробу вирішення харчової кризи, забезпечення глобальної продовольчої безпеки та протидію змінам клімату.
Деякі супутникові сузір’я докладають зусиль у намаганні зайняти інші ніші. Так, національні космічні агенції Ізраїлю та Італії спільно беруть участь у розробці супутника SHALOM (Spaceborne Hyperspectral Applicative Land and Ocean Mission), націленого на розвідку корисних копалин. Космічний апарат вагою 385 кг зможе проводити гіперспектральний аналіз та розвідувати області наявності мінералів у земній породі.
Ще один досвід міждержавної співпраці, але тепер уже в межах Європи — іспансько-португальське супутникове сузір’я Atlantic Constellation, геомоніторингове угруповання з малих супутників, здатних отримувати знімки у супердеталізованому дозволі. Очікується, що Atlantic Constellation займатиметься біомоніторингом, точним землеробством, допомагатиме з вибором земельних ділянок при плануванні нових ферм та спостерігатиме за морською активністю.
Запуск сузір’я намічено на 2025 рік, але вже явно помітна ахіллесова п’ята, на жаль, властива більшості європейських космічних програм — це зайва бюрократизація процесу і відсутність власної інфраструктури для запусків, що змушує європейців наймати іноземних підрядників, тим самим розтягуючи терміни виконання та підсумкові бюджети проєктів.
“Старий світ”, як і раніше, не поспішає вкладати гроші у розвиток власної космічної індустрії, як це вже роблять Китай і США, а тому часто відтерміновує свої космічні пуски внаслідок банальної нестачі коштів. На ситуацію несподівано вплинув досвід війни в Україні, яка змусила “прокинутися” багато владних еліт у Європі та по-новому поглянути на важливість сильного і незалежного космічного сектора.
Погляд у майбутнє індустрії
За прогнозами, до кінця 2027 року на орбіту буде запущено близько 18 715 зондів, що дасть ринку виробництва супутників прогнозне надходження в $166 млрд. Понад третину цих коштів мають привнести саме виробники малих супутників, що використовуються в сузір’ях Starlink, Amazon і OneWeb. Найдинамічніше ринок розвиватиметься саме наступні три роки. А починаючи з 2026-го, зростання має сповільнитися — після остаточного формування основного пулу гравців у всіх ключових нішах індустрії.
Найбільш вибуховим середньорічне зростання (CAGR) ринку виробництва супутників стало саме 2022 року, коли становило 49,7%. Левова частка вироблених супутників (95%) були телекомунікаційними — вони розмістилися на орбіті у складі таких супутникових мегасузір’їв, як Starlink, Amazon та OneWeb.
Таке зростання частково спричинила війна, що розгорілася в Україні з лютого, в якій збір і обробка супутникових даних відіграють все більш значущу роль. Світові держави, ніби прозрівши відразу, побачили, як прості приватні аерокосмічні компанії, які ще вчора спостерігали за прогнозом погоди, змогли посилити свою присутність у секторі глобальної безпеки та оборони. За цим прозрінням відбувся великий приплив національних інвестицій як запит на формування власного супутникового ресурсу для моніторингу.
І якщо сьогодні вам здається, що із завданням пошуку мінералів на Землі можна впоратися безліччю способів, ризикніть заглянути на кілька декад уперед — очевидно, що саме подібні спектральні супутники вже до середини цього століття здійснюватимуть розвідку мінеральних копалин у межах ближчого до нас кола планет Сонячної системи. З орбіти вони зможуть за значно менший час виявити наявність у ґрунті мінералів або присутність органічного життя. І досвід таких космічних апаратів, як EOS SAT-1 та SHALOM, що вже зараз одними з перших відточують технології дистанційного зондування на Землі, лежатиме в основі майбутніх позаземних моніторингових місій.
