Супутникове зондування Землі – становлення і розвиток

Один із трьох гіперспектральних супутників Firefly, які індійський стартап Pixxel запустив у січні 2025 року.
Джерело: financialexpress.com

Супутники дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) відіграють вирішальну роль у моніторингу та охороні довкілля, допомагають керувати природними ресурсами, реагувати на глобальні гуманітарні кризи й надзвичайні ситуації. За їхньої участі люди збирають критично важливі дані для сільського господарства та екологічного моніторингу, розвідки корисних копалин і міського планування. Ці завдання виконують сотні супутників, об’єднаних в угруповання, що розрізняються за принципом дії. Оптичні знімають Землю у видимому світлі, як звичайні камери, але з дуже високою роздільною здатністю. Це їхні знімки ми бачимо щоразу, коли відкриваємо Google Maps. Інфрачервоні зонди вловлюють теплове випромінювання, що допомагає відстежувати температуру океанів, пожежі та витоки тепла в містах. Радарні використовують радіохвилі, що проникають крізь хмари і навіть товщу землі, даючи змогу “бачити” рельєф і приховані під поверхнею структури. А гіперспектральні — аналізують земну поверхню в безлічі спектрів, щоб, наприклад, визначати склад ґрунту і рослинності.

Видання MaxPolyakov.space розповідає, як зароджувався комерційний сегмент супутникового зондування, в якому стані галузь зараз і куди вона рухається.

Еволюція комерційного супутникового зондування

Першим супутником дистанційного зондування Землі став TIROS-1. NASA вивело його на низьку навколоземну орбіту 1 квітня 1960 року як експеримент, аби зрозуміти, наскільки супутники корисні для вивчення Землі. Уже тоді їх розглядали як важливе джерело інформації для точного прогнозування погоди.

Ринок комерційних супутників ДЗЗ почав розвиватися майже 40 років потому. 24 вересня 1999 року компанія Space Imaging, що пізніше увійшла до складу DigitalGlobe (зараз Maxar Technologies), запустила перший комерційний апарат IKONOS-1. Його унікальність на той момент полягала в безпрецедентно високій роздільній здатності фото — 1 і 4 м. Тоді за якістю ці знімки можна було порівняти з тими, що надавали військові супутники. Офіційно отримані від IKONOS супутникові зображення надійшли у продаж 1 січня 2000 року. За час існування проєкту (до кінця березня 2015 року) за допомогою IKONOS було отримано майже 600 000 зображень, що охоплюють площу в 400 млн км².

Після IKONOS-1 ринок комерційного зондування Землі почав швидко розвиватися. У 2001 році було запущено супутник QuickBird, що надає зображення з роздільною здатністю вже 0,61 м, і це значно підвищило якість доступних даних. У наступні роки компанії GeoEye і DigitalGlobe (у 2013-му DigitalGlobe придбала GeoEye) вивели на орбіту супутники з роздільною здатністю до 0,5 м, розширюючи можливості комерційного дистанційного зондування Землі. А до 2020 року обсяг світового комерційного ринку даних для ДЗЗ досяг $1,6 млрд. На той момент основними замовниками були уряди й оборонні відомства. Проте з’явилися й інші завдання — наприклад, попит на дані, отримані такими супутниками, зростав завдяки розвитку аналітичного оброблення.

Перегони найсильніших

2021 року Агентство геопросторової розвідки (NGA) провело Олімпіаду комерційної зйомки, результатом якої став глибокий аналіз основних гравців на ринку комерційних супутникових систем. Тоді перше місце в медальному заліку розділили американські та китайські супутники, які здобули по три нагороди. Аналогічне змагання повторили 2024 року. Цього разу три незалежні організації склали рейтинг із трьох найкращих комерційних систем дистанційного зондування за оновленою методологією, але зберігаючи попередню систему ранжування. Переможців обирали в 11 категоріях. Лідерами стали китайці з п’ятьма медалями, чотири медалі віддали американським системам, і ще по одній дісталося Фінляндії і Південній Кореї.

Варто зазначити, що багато комерційних супутникових систем, розроблених у США та інших країнах, використовують не тільки в цивільних, а й у державних цілях. І при цьому компанії, що працюють у цій сфері, постачають дані та аналітичні послуги як на відкритий ринок, так і урядовим структурам. Водночас для державних замовників доступні більш просунуті технології, які не пропонуються в комерційному сегменті, однак ці можливості не враховувалися в рейтингу.

Лідером у сегменті електрооптичних систем (Electro-Optical, EO) став супутник SuperView Neo-1 (Китай, запущено 2022 року), що охоплює зображення з роздільною здатністю 0,3 м за високої частоти зйомки. Однак у наступному звіті цілком вірогідна поява на цьому місці США з їхнім новим угрупованням супутників WorldView Legion від Maxar Technologies — частину з них уже було запущено 2024 року.

У категорії оперативного оновлення знімків “золото” здобуло китайське угруповання Jilin-1 із понад 100 діючих супутників. У відеозйомці перше місце посіла американська супутникова система SkySat завдяки високій частоті кадрів і часу витримки.

Радіолокаційні системи із синтезованою апертурою (Synthetic Aperture Radar, SAR) розглядали в кількох діапазонах. У X-діапазоні SAR лідером став Umbra SAR (США), випередивши Capella Space (теж США) і фінський ICEYE. А в C-діапазоні SAR “золото” дісталося Китаю, а “срібло” — канадському RADARSAT-2.

У сегменті спектральних систем (Spectral Systems) також вибрали двох переможців. У мультиспектральному діапазоні “золото” здобув Китай із SuperView Neo-3, а в гіперспектральному зніманні вперше перемогла Orbital Sidekick (США) із супутниковим угрупованням GHOSt, випередивши індійську Pixxel.

Що стосується інфрачервоних (Infrared) систем, лідером у категорії короткохвильового інфрачервоного випромінювання (Short-Wave Infrared, SWIR) стало супутникове угруповання WorldView-3 (США). У категорії середньохвильових інфрачервоних систем дистанційного зондування (Mid-wave Infrared, MWIR) — південнокорейський KOMPSAT-3A (2015), а в короткохвильових (Long-wave Infrared, LWIR) знову домінував Китай. Утім, конкурентні інфрачервоні системи зараз активно розвивають у США: йдеться про Albedo Space та Muon Space, які можуть запустити вже 2025 року.

Ринок супутникового зондування Землі в цифрах

Розмір світового ринку супутників оцінювали у $17,94 млрд у 2024 році. І, за оцінками MarketsandMarkets, він становитиме $35,95 млрд до 2030-го, щорічно збільшуючись на 12,3% у прогнозований період. У всьому світі 2024 року було запущено 3154 супутники. За прогнозами, до 2030-го їхня кількість досягне 5048 одиниць за CAGR 8,2%.

Окремо глобальний ринок спостереження за Землею, згідно зі звітом Novaspace, оцінювали в $5 млрд станом на 2023 рік, і він може зрости до $8 млрд до 2033-го. Це стане можливим з різних причин: від збільшення оборонних контрактів до зростання зацікавленості в можливостях моніторингу Землі завдяки доступній зйомці високої роздільної здатності.

Основним гравцем на ринку станом на 2023 рік були США, на них припадало 44% доходу комерційних супутникових систем для спостереження за Землею. Слідом ішла Європа з часткою в 22%. Однак просто зараз ситуація змінюється з огляду на стрімкий розвиток азійського ринку. За прогнозами Novaspace, на нього до 2033 року припадатиме 23% світового ринку завдяки збільшенню інвестицій у космічну інфраструктуру і високому попиту з боку країн Південної, Південно-Східної Азії і Близького Сходу. Індія, наприклад, робить ставку на цей сектор, щоб здобути місце в перегонах глобальної комерціалізації космосу. У Канаді, яка протягом 15 найближчих років планує вкласти понад 1 млрд канадських доларів у розвиток супутникових систем, очікують інших результатів — ефективнішого запобігання лісовим пожежам та іншим екологічним кризам.

Драйвери зростання і стримувальні фактори

Одним із головних чинників, що стимулюють зростання ринку супутникового спостереження, є висока якість фільмування. Зображення з високою деталізацією, отримані з космосу, у поєднанні з гіперспектральним аналізом відкривають можливості, раніше недоступні. Наприклад, супутники дають змогу не тільки визначати концентрацію забруднювальних речовин в атмосфері, а й відстежувати поширення інфекційних захворювань, таких як холера, тиф, лихоманка денге, аналізуючи активність людей і зміни в рослинності. Також знімки із супутників допомагають виявляти незаконне рибальство і відстежувати пересування суден навіть із вимкненими транспондерами.

Іншим важливим стимулом на ринку супутникового спостереження за Землею став розвиток малих супутникових угруповань. Сузір’я супутників, що працюють одночасно, завдяки частому оновленню даних надають цінну й актуальну інформацію — для моніторингу міської інфраструктури, для транспорту й логістики. Наприклад, це сприяє оптимізації маршрутів морських суден залежно від погодних умов і переміщення льодовиків.

Крім цього, попит на супутникові дані зростає завдяки розвитку технологій штучного інтелекту і машинного навчання. Вони дають змогу не тільки аналізувати величезні обсяги супутникових даних, а й автоматично виявляти аномалії, прогнозуючи обвалення гірських порід або виявляючи підземні порожнечі, що становлять загрозу наземній інфраструктурі.

Поряд із драйверами ринку є й кілька обмежувальних факторів. Основний — це високі витрати на запуск і обслуговування супутникових угруповань, а також необхідність залучення кваліфікованих фахівців, що стримує появу на ринку нових гравців. Частковим рішенням тут може стати збільшення кількості дешевших малих супутників (з масою від 1 до 500 кг). Що не скасовує того факту, що галузь жорстко регулюється, тож це обмежує доступ до даних надвисокої роздільної здатності для комерційного використання. Також наростання кількості супутників збільшує обсяги космічного сміття, що підвищує ризики зіткнень і пошкоджень апаратів на орбіті.

Паралельно з’являються альтернативні технології спостереження за Землею — такі як повітряні безпілотні пристрої, наземні датчики й висотні аеростати. Поки що їхні можливості дуже поступаються супутникам, проте в майбутньому ситуація може змінитися. Компанії Google і World View Enterprises, а також стартап Zero 2 infinity почали інвестувати в розробку висотних аеростатів. А безпілотні літальні апарати на кшталт дронів уже активно залучені в археологічні й кліматичні дослідження, моніторинг дорожнього руху та інші завдання.

Прикладне значення

Комерційні супутники дистанційного зондування Землі безперервно надають цінні дані різним галузям. Ми вже наводили для прикладу моніторинг природних ресурсів та екосистем, розвідку і планування, дотримання безпеки й екологічного контролю. Насправді прикладів практичного застосування результатів супутникового спостереження в рази більше. У ситуації зі стихійними лихами отримані з супутників дані допомагають не тільки попереджати загрози, а й боротися з наслідками — скажімо, швидко оцінювати масштаби руйнувань і планувати рятувальні операції. А археологічна розвідка охоплює пошук не лише покладів корисних копалин, а й стародавніх поселень — саме в такий спосіб у Єгипті було виявлено раніше невідомі піраміди і поселення.

Самі по собі зображення, отримані з космосу, не є ключем до вирішення перерахованих вище проблем. Часто цьому передує глибока аналітика, що дає змогу видобувати зі знімків справді точну й цінну інформацію, щоб покращувати життя на Землі. Цим займається компанія EOS Data Analytics, заснована українським інвестором, підприємцем і філантропом Максом Поляковим. EOS Data Analytics постачає та аналізує геопросторові дані, забезпечуючи сталий розвиток сільського й лісового господарств у всьому світі. Для цього використовується власна космічна інфраструктура — сузір’я з семи оптичних супутників з корисним навантаженням радарів із синтезованою апертурою (РСА), здатних фотографувати будь-які точки нашої планети і цілодобово моніторити просторові дані.

Африканська сільськогосподарська компанія Complete Farmer інтегрувала аналітику супутникових знімків від EOSDA Crop Monitoring (один із інструментів EOS Data Analytics) у свою партнерську мережу фермерських господарств у всій Африці. Це дало змогу фермерам ухвалювати рішення на основі точних даних, оптимізувати робочі процеси та підвищити врожайність.

Найбільший у світі переробник томатів, компанія Morning Star, інтегрувала дані наземних датчиків з аналізом супутникових зображень, щоб покращити полив і підвищити врожайність томатів у Каліфорнії. А громада Саамака в Сурінамі (Південна Америка) користується супутниковими даними EOS Data Analytics для захисту своїх лісів від незаконного вирубування, відстежуючи зміни в лісовому покрові та запобігаючи екологічним злочинам.

Однак це лише початок — технології супутникового зондування стрімко розвиваються, відкриваючи нові можливості. Супутники стають компактними і точнішими, а ШІ та машинне навчання прискорюють обробку даних. У цій сфері постійно відбуваються значущі події, що формують майбутнє дистанційного моніторингу.

Останні ключові події у галузі

Сьогодні розробники супутникових систем дистанційного зондування Землі приділяють дедалі більше уваги гіперспектральним зйомкам, цифровому моделюванню планети та інтеграції штучного інтелекту для обробки даних.

Європейська комісія й Європейське космічне агентство (ЕSA) нещодавно підписали контракт із фінською компанією Kuva Space, зробивши її єдиним постачальником гіперспектральних даних для програми Copernicus. У межах цієї угоди компанія отримає $5,3 млн на створення угруповання зі 100 супутників CubeSat, які фіксуватимуть зображення Землі в різних спектральних діапазонах. Це дасть змогу детально відстежувати зміни клімату, стан ґрунтів та інші природні процеси.

У США Національне агентство геопросторової розвідки (NGA) оголосило про запуск нової програми Luno, спрямованої на розширення використання комерційних супутникових знімків. Тепер агентство буде закуповувати більше зображень у приватних компаній, що поліпшить можливості моніторингу й розвідки.

Паралельно Lockheed Martin і NVIDIA розпочали роботу над проєктом цифрового двійника Землі, здатного аналізувати потоки супутникових даних у режимі реального часу. Цей інструмент об’єднує метеорологічні спостереження з алгоритмами штучного інтелекту, щоб прогнозувати погодні явища і відстежувати глобальні екологічні зміни.

Приклад того, як Lockheed Martin і NVIDIA моделюють лісову пожежу на точному цифровому двійнику Землі за допомогою штучного інтелекту:

Тим часом Китай продовжує зміцнювати свої позиції у комерційному супутниковому секторі. Нещодавно на орбіту було відправлено два нові апарати SuperView Neo-1, які стануть частиною системи дистанційного зондування Siwei, що розвивається. Зараз вона охоплює дев’ять супутників, але найближчими роками має розширитися до 28. Китайські розробники заявляють, що їхні пристрої мають найвищу роздільну здатність серед усіх комерційних супутників у країні.

Ботсвана запустила свій перший BOTSAT-1. Це супутник дистанційного зондування Землі, розроблений у партнерстві з Dragonfly Aerospace, південноафриканською компанією, що спеціалізується на оптичних системах і супутниках ДЗЗ. Крім того, Dragonfly Aerospace надасть оптику ще для трьох апаратів австралійської LatConnect 60, яку підтримують Австралійське космічне агентство та уряд, фінансуючи проєкт із розроблення супутників високої роздільної здатності SWIRSAT.

А в Ірані оголосили про плани найближчими місяцями запустити відразу три супутники: Kowsar, Tolo-3 (Sunrise-3) і Zafar-2 (Victory-2). Вони призначені для спостереження за природними ресурсами та моніторингу екологічної ситуації.

Ринок комерційного дистанційного зондування Землі продовжує зростати. У майбутньому ми побачимо ще активніше використання таких технологій, як радіолокація SAR, гіперспектральне знімання і космічне edge computing — коли зібрані супутниками дані обробляються на місці та вже потім відправляються на Землю. Паралельно спостерігаємо, як великий бізнес дедалі частіше інтегрує супутникові дані у свої бізнес-моделі, а інвестиції у цей сектор залишаються високими.

Джерело: MaxPolyakov.space 

Читайте також: 

Як військові використовують супутники: виклики ХХІ століття

Що бачать російські супутники

Європейські супутники для створення сонячних затемнень пройшли випробувальний орієнтирний політ