Всё о SAR

В последнее время можно наблюдать ускорение процесса внедрения спутниковых технологий наблюдения за Землей – дистанционного зондирования (ДЗЗ). Все больше компаний и учреждений используют спутниковые снимки для лучшего понимания мира и более пристального наблюдения за соответствующими изменениями.

Оптические спутниковые системы играют огромную роль в получении данных о Земле, но они имеют свои ограничения. Самыми большими препятствиями для оптических спутников являются облачность и ограниченная видимость в ночное время суток — хотя, землетрясения или наводнения могут произойти в любое время, независимо от погоды или времени суток.

К счастью, оптические изображения - не единственный способ получать изображения поверхности Земли со спутника. Радар с синтетической апертурой, или SAR, - это совершенно другой способ получения данных, активно "освещающий" землю, а не использующий солнечный свет (как в случае с оптическими изображениями). Спутники SAR направляют радиолокационные волны на поверхность Земли и регистрируют отраженный сигнал. Электромагнитные волны могут проникать сквозь облака, «видеть» под кроной деревьев, и это работает в любых погодных условиях.

Радарная спутниковая съемка - это быстро развивающаяся часть Нового космического движения, в рамках которого несколько стартапов разрабатывают микроспутники SAR и бросают вызов более авторитетным игрокам в этом секторе. Технология привлекает все больший интерес, а вместе с ней и больше финансов. Финский стартап ICEYE на данный момент собрал в общей сложности 304 миллиона долларов и получил финансирование серии D в размере 136 миллионов долларов в феврале 2022 года. Capella Space, компания в Соединенных Штатах, привлекла в общей сложности 80 миллионов долларов; и Spacety в Китае также недавно завершила финансирование серии C. С помощью Нового космического движения данные SAR доступны практически сразу же после получения изображения спутником на орбите. С помощью таких компаний, как UP42, специалисты могут незамедлительно приступать к обработке и аналитике свежих спутниковых данных.

Сравнение между оптическим изображением и SAR (данные предоставлены компанией Ursa Space).

Чем SAR отличается от оптических данных?

Когда люди слышат слова "спутниковое изображение", большинство людей представляют себе что—то вроде фотографии, сделанной из космоса, то есть изображение, которое легко интерпретировать человеческим глазом. SAR изображения – это совершенно другая история. Их часто называют "не буквальными изображениями", потому что исходные данные не похожи на оптическое изображение и совершенно непонятны для простых людей (см. Изображение ниже).

Причина этого заключается в том, что изображение SAR не отражает прямой цвет и форму объектов; оно содержит только сигнал обратного рассеяния. С некоторыми изменениями SAR изображения фактически могут быть преобразованы в карту местности, более интуитивно понятную для людей, но в типичном сценарии данные SAR используются для извлечения информации с помощью алгоритмов и моделей машинного обучения.

Исходные данные SAR со спутника ERS-1 (данные предоставлены ЕКА)

Если пользователи надеются получить подробную информацию из SAR данных, им необходимы профессиональные инструменты обработки и знания. Одним из ограничений работы с данными SAR является утомительная предварительная обработка, которая может включать в себя: применение файла орбиты, радиометрическую калибровку, удаление разрывов, "многоуровневость", фильтрацию шумов (speckle correction) и коррекцию рельефа. После долгой серии математических вычислений и обработки «проявится» окончательное изображение.

Металлические очистные установки и трубопроводы ярко отражают радиолокационные сигналы (данные предоставлены Capella Space)

В отличие от красочного оптического спутникового изображения, изображения SAR всегда черно-белые. На самом деле это не цвет объекта, а сила сигнала обратного рассеяния, который отображается как яркость. Например, вода поглощает большую часть энергии и почти не отражает ее обратно, поэтому на изображении она выглядит черной. Объекты с высоким содержанием металла, такие как корабли, небоскребы и самолеты, кажутся намного ярче, потому что они отражают большую часть энергии.

Поскольку данные так сложно обрабатывать и интерпретировать, многие компании даже не предоставляют клиентам исходные данные SAR. Некоторые из них, такие как ICEYE, предоставляют полезную информацию только из интерпретированных результатов — например, в виде таблицы Excel или шейп-файла.

Рынок и спрос на радарные спутниковые данные

В последние годы SAR данные играют все более важную роль в международных чрезвычайных ситуациях, таких как атаки беспилотников на нефтяные объекты Саудовской Аравии в 2019 году и ситуация с судном, блокирующим Суэцкий канал в 2021 году. Подобные события оказывают огромное влияние на мировой финансовый рынок, и клиенты не готовы мириться с тем, что спутниковые снимки не будут доступны мгновенно из-за погоды. В этих случаях все больше и больше поставщиков спутниковых решений используют данные SAR в дополнение к традиционным спутниковым оптическим изображениям, чтобы обеспечить лучший сервис.

Согласно отчету о рынке Mordor Intelligence, глобальный рынок SAR в 2020 году оценивался в 3,3 миллиарда долларов, и ожидается, что к 2026 году он достигнет 6,5 миллиарда долларов, что соответствует совокупному годовому темпу роста (CAGR) в 11,6% в период 2021-2026 годов.

В 11-м отчете спутникового наблюдения Земли NSR сообщается, что продажа данных SAR и производных продуктов приведет к значительному росту ежегодных глобальных доходов с 700 миллионов долларов в 2018 году до более чем 1,7 миллиарда долларов к 2028 году. Прогнозируется, что продажи изображений и информационных продуктов будут доминировать, на долю SAR в этот период придется 63% доходов. Изображения с очень высоким разрешением (<0,5 м) стали самым быстроразвивающимся рынком, в то время как изображения с высоким разрешением (0,5-1 м) занимают большую часть текущего рынка.

Однако не все спутники SAR способны следовать за этой волной роста. Согласно отчету NSR, доля рынка среднего разрешения (1-5 м) начала снижаться после 2017 года. Низкое разрешение, между тем, представляет ограниченную коммерческую ценность. Похоже, что поставщикам данных SAR с низким разрешением необходимо будет адаптироваться, поскольку коммерческие данные с высоким разрешением приносят гораздо больше пользы клиентам.

Рыночный спрос

Наибольший спрос на спутниковые снимки SAR исходит от военного и оборонного сектора. Подсчитано, что правительство и военные в настоящее время составляют 70% рынка SAR. Это неудивительно, поскольку существует множество военных применений SAR, таких как обнаружение объектов на поверхности, таких как строительные комплексы, ракетные площадки и топографические особенности окружающей местности.

Крупнейшим индивидуальным покупателем спутниковых изображений SAR также является военный и оборонный сектор: Национальное агентство геопространственной разведки (NGA). До 2019 года у NGA был контракт на 10 миллионов долларов с MDA на спутниковые снимки SAR. Агентство продлило этот контракт в 2019 году и теперь платит четырем поставщикам изображений в общей сложности 85 миллионов долларов в год.

Помимо военного и оборонного секторов, финансовый и страховой секторы также являются быстрорастущими рынками, средний показатель которых составляет 14%. Похоже, что предприятия в этой сфере бизнеса постепенно начинают осознавать ценность данных SAR (например, мониторинг наводнений для оценки ущерба), но такому рынку требуется много лет, чтобы достичь зрелости и отказаться от традиционных методов ведения бизнеса.

Традиционно спутниковые группировки SAR основаны на правительственных программах по созданию больших, тяжелых и дорогостоящих спутниковых аппаратов и датчиков, предлагающих довольно низкие показатели повторных посещений и требующих значительных инвестиций, таких как миссия Sentinel—1. Но, как и в секторе оптических изображений, такие стартапы, как ICEYE и Capella, бросили вызов традиционной модели построением группировок микроспутников. Эти стартапы считают, что отсутствие доступных спутниковых снимков SAR является единственной причиной, по которой SAR данные не применяются более широко.

История и развитие радарных спутниковых данных

SAR — это не новая технология; она появилась в США почти 70 лет назад. Однако применение SAR стало популярным только в последнее десятилетие. Итак, почему разработка заняла так много времени? И каковы критические факторы ускорения развития отрасли?

1951-2000: Ограниченные технологии в оборонном секторе

История радара насчитывает почти 100 лет. Традиционное применение радара заключается в отображении положения и движения объектов с высокой отражающей способностью (таких как самолеты или корабли) путем отправки радиоволнового сигнала, а затем определения направления и задержки отраженного сигнала.

Визуализирующий радар, тем временем, пытается сформировать изображение такого объекта. Зарождение технологии восходит к 1951 году, когда Карлу Уайли из компании Goodyear Aircraft Company пришла в голову новая идея, основанная на эффекте Доплера. Он понял, что, если бы радиолокационные импульсы были последовательными и регулярными, пользователи могли бы обрабатывать импульсы и создавать двумерные изображения с улучшенным разрешением. Чем больше наблюдений, тем лучше пространственное разрешение объекта. Эти предположения положили начало технологии SAR.

В 1960 году в Вашингтоне был успешно завершен первый эксперимент SAR, а в 1978 году Лаборатория реактивного движения НАСА запустила первый спутник SAR (SEASAT-1). До 1990 года исследования технологии SAR были сосредоточены в США.

Однако с 1990 по 2000 год технология SAR начала выходить из лаборатории, и Европа, Канада, Россия, Япония и многие другие страны начали создавать спутники SAR. За ними быстро последовали Китай, Южная Корея и Индия, а также другие страны с развивающейся космической промышленностью. Однако технология SAR с высоким разрешением по-прежнему была ограничена военным и оборонным секторами из-за ее высокой стоимости.

1995-2013: Быстрое развитие технологий и начало коммерческого применения

В течение многих лет технология SAR ограничивалась военными и исследовательскими областями, но первой страной, которая начала коммерциализацию спутниковых снимков SAR, была Канада. В 1995 году был запущен RADARSAT-1, использующий датчик C-диапазона на одной микроволновой частоте 5,3 ГГц. RADARSAT-1 был самым первым коммерческим спутником наблюдения Земли в Канаде. Хотя разрешение RADARSAT-1 было далеко не достаточным для большинства промышленных применений, проект ознаменовал начало коммерческой эры SAR.

Первые субметровые радиолокационные снимки для коммерческого применения были запущены в 2007 году. И TerraSAR-X, запущенный Германией, и COSMO-SkyMed использовали длины волн X-диапазона. Однако на тот момент спутники SAR все еще были крупными аппаратами. Общее количество спутников было недостаточным, а данные стоили очень дорого. Цена изображения могла быть в три раза выше, чем у оптических спутниковых снимков с тем же разрешением.

2014–: Sentinel-1 предоставляет бесплатные изображения

В то время как коммерциализация спутников SAR развивалась медленно, прорыв произошел в 2014 году, когда Европейское космическое агентство запустило первый из своих спутников Sentinel-1 в качестве первой части спутниковой группировки Copernicus. Эта первая миссия состояла из группировки из двух спутников C-диапазона, Sentinel-1A и Sentinel-1B (последний был запущен в 2016 году). Политика ЕКА и Европейской комиссии позволяет легко получать данные Sentinel-1 и бесплатно использовать их в общественных, научных или коммерческих целях.

В то же время Управление по передаче технологий и бизнес-инкубации ЕКА инициировало создание своих Центров бизнес-инкубации ЕКА (ESA BiCS) для превращения бизнес-идей, связанных с космосом, в стартапы. На сегодняшний день по всей Европе было создано более 700 стартапов, и каждый год ESA BiCS принимает более 180 новых стартапов. Кроме того, различные конкурсы стартапов и акселераторы, такие как Copernicus Master и Copernicus Accelerator, также продвигают применение спутниковых изображений SAR.

Благодаря политике бесплатных данных и поддержки многие стартапы SAR быстро развивались в этот период, особенно те, которые использовали технологию InSAR. После пяти лет разработки почти все компании InSAR использовали изображения Sentinel-1.

Свободно доступные 10-метровые снимки Sentinel-1 с повторной съемкой в течение 6-12 дней оказались вполне удовлетворительными для существующей экосистемы пользователей данных SAR. Однако, несмотря на то что это помогло популяризировать применение SAR данных, это ограничило возможности продажи данных и, следовательно, оказало огромное давление на производителей коммерческих спутников SAR. Спутники среднего разрешения (1 м-5 м) в настоящее время постепенно сокращаются, а спутники SAR с низким разрешением уже потеряли свой рынок.

Новая эра спутников SAR

Примерно в 2015 году началась новая эра космического сектора, связанная с развитием группировок микроспутников. Это было вызвано снижением затрат на запуск, что значительно снизило барьер входа для стартапов. По мере снижения стоимости запуска — с нескольких десятков миллионов долларов до примерно 100 тысяч долларов — спутниковые стартапы имели возможность переориентировать подход к созданию спутников.

Традиционно затраты на строительство крупных спутников могли легко достигать сотен миллионов долларов для обеспечения стабильности компонентов. Революцию на рынке спутников совершила компания Planet, построив несколько небольших компактных "кубсатов". Родилась новая парадигма. Компании начали готовить космические платформы к запуску быстрее, чем когда-либо, используя коммерческие готовые компоненты. При поддержке правительств и космических агентств развитие сектора ускорилось.

В 2014 году была основана компания ICEYE в Университете Аалто, Финляндия, а в 2018 году 70-килограммовый спутник ICEYE—X1 был запущен в качестве первого спутника весом менее 100 кг с датчиком SAR, а также первого финского коммерческого спутника. После восьми лет развития компания стала лучшим стартапом малого спутникового бизнеса в Европе. ICEYE уже запустила на орбиту 16 спутников, и они планируют запустить еще 10 в 2022 году.

В США SAR стартап Capella Space был основан в 2016 году. В 2018 году компания запустила свой первый коммерческий спутник SAR Denali в качестве тестовой миссии, а в 2020 году запустила спутник Sequoia. К настоящему времени Capella Space вывела на орбиту 5 спутников, и в конечном итоге планируется создать группировку из 36 спутников с ежечасным глобальным охватом.

Применения

На сегодняшний день SAR данные нашли свое применение в широком спектре отраслей: от изучения антарктических айсбергов и обнаружения изменений в среде обитания до картирования последствий природных или антропогенных воздействий. Применения все еще изучаются по мере выхода на рынок частного сектора и стартапов. ICEYE, например, сегодня сосредоточена почти исключительно на мониторинге наводнений и пытается плотно войти в страховой бизнес. Capella Space, тем временем, концентрируется на мониторинге обнаружения изменений, морских применениях и реагировании на стихийные бедствия.

Ниже приведены некоторые примеры использования SAR данных:

1. Чрезвычайные ситуации:

5 августа 2020 года в порту Бейрута произошел мощный взрыв, эквивалентный 100 тоннам тротила. Здания и склады поблизости были разрушены. Первоначальное разрушение, возобновление деятельности и реконструкция порта отслеживаются с помощью обнаружения изменений на основе SAR.

Спутники SAR также могут обнаруживать чрезвычайные ситуации, связанные с наводнениями и лесными пожарами. Когда ураган "Дориан" обрушился на Багамы в 2019 году, снимки SAR сыграли важную роль в выявлении масштабов наводнения.

2. Мониторинг морских и прибрежных зон:

25 июля 2020 года судно село на мель к югу от Маврикия и вылило по меньшей мере 1000 тонн нефти в Индийский океан. Ход утечки, а также спасательные операции пожарных судов были зафиксированы спутником Sentinel-1.

В настоящее время обнаружение разливов нефти, батиметрическое картирование мелководья, обнаружение судов в прибрежных районах, прогнозирование состояния моря для морских операций и морской инженерии, а также картирование аномалий морской гравитации для разведки углеводородов на шельфе являются одними из примеров мониторинга морской и прибрежной зоны.

3. Мониторинг земель:

Анализ деформации грунта проводился в течение примерно трех лет (с июля 2018 года по июнь 2021 года) в городе Гватемала и его пригородах компанией SAR стартапом Synspective.

В прошлом величина деформации грунта редко измерялась, и только в случае оползня или другой наземной катастрофы сотрудники соответствующего агентства выезжали на место. Благодаря технологии SAR с помощью анализа характерных колебаний можно определить местоположения оседания грунта и области, подвергающиеся риску обвалов и оползней.

4. Сельское хозяйство и растительность:

В Перу с 2019 года спутник Sentinel-1 отслеживает формирование полога, плотность и темпы роста посевов спаржи.

Различия в "шероховатости" поверхности указывают на границы и размеры полей, а также помогают определить время посадки и сбора урожая. Также может быть обнаружена оценка ущерба урожаю, причиненного стихийным бедствием.

Ключевые игроки

В индустрии радарных спутниковых данных есть две группы ключевых игроков: правительства и стартапы. Однако они играют на разных полюсах.

Правительственные группы, как правило, сосредоточены на крупных спутниках. Ограниченный стоимостью и конкурентными преимуществами, ни один из стартапов не решается вступить в игру с крупными спутниками SAR, и почти все крупные спутники производятся правительством или государственными учреждениями. В результате конкуренция между крупными спутниками SAR на самом деле является конкуренцией между странами.

Соединенные Штаты, традиционно ведущий игрок в аэрокосмической отрасли, имели большое преимущество в технологии SAR — до тех пор, пока в игру не вступили европейские игроки. Чтобы обеспечить свое преимущество в военном деле, США долгое время отказывалось делиться технологией SAR с потенциальными конкурентами. Таким образом, коммерческие спутниковые волны развития SAR в основном поступали из Канады и европейских стран (особенно Германии и Италии). За последние десять лет к соревнованию также присоединились Япония, Аргентина, Китай и Индия.

С тех пор как Sentinel-1B в конце 2021 года перестал работать, вера в крупные спутники также была в некоторой степени утрачена. Давление исходит от небольших спутниковых стартапов — ICEYE из Финляндии и Capella Space из США становятся главными игроками в этой игре. В Японии и Китае также есть несколько стартапов, которые успешно запустили на орбиту небольшие спутники SAR.

Будущие тенденции развития

По сравнению с широким спектром применений оптических данных, в коммерческом пространстве все еще существует лишь несколько применений данных SAR. Таким образом, предстоит еще многое сделать для популяризации радарных данных. Однако рост числа малых спутников SAR, вероятно, сохранится, по крайней мере, в ближайшие пять-десять лет, и все больше стартапов будут стремиться принять в этом участие.

Отрасль реагирования на чрезвычайные ситуации открывает большие возможности для новых стартапов. Изменение климата приводит к тому, что экстремальные погодные явления происходят со все более тревожной частотой. Эта тенденция будет только усиливаться в течение следующих 50 лет. Безопасность инфраструктуры, включая здания и транспортные средства, должна будет тщательно контролироваться многочисленными заинтересованными сторонами.

В то же время международная политическая атмосфера давно не была такой напряженной. Это подталкивает правительства к сбору более качественных данных и информации для целей принятия решений независимо от погодных условий или времени суток. Спутник SAR - единственный инструмент, обладающий такой способностью, поэтому в отрасль SAR неизбежно будет поступать больше средств, что ускорит процесс исследований и разработок.

Однако возможности для новых участников в этом пространстве сокращаются. Проверка на орбите, финансовая поддержка и признание клиентов — вот три большие проблемы для стартапов. Новые стартапы быстро устареют, если они не смогут пройти проверку на орбите в течение трех лет. Высокий риск, связанный с коммерческой спутниковой индустрией, привел к чрезвычайному эффекту прибыли (накопленному преимуществу) от венчурного капитала. Большая финансовая поддержка, скорее всего, будет оказана тем стартапам, которые завершают проверку на орбите и постепенно создают группировки спутников, в то время как те, которые не пройдут проверку вовремя, будут просто вытеснены с рынка.

Одним из ключевых препятствий при работе с данными SAR является доступ к коммерческим наборам данных высокого разрешения, а также к аналитике. Недавно космические данные Capella впервые стали общедоступными на рынке спутниковых данных с помощью платформы UP42. При более легком доступе будут применены методы и алгоритмы анализа данных. Сегодня работа с данными SAR требует значительного опыта дистанционного зондирования и использования сложных инструментов. Демократизация доступа к данным SAR также ускорит упрощение использования и сделает аналитические модели более доступными для широкой общественности.

К ключевым характеристикам будущего развития всей отрасли можно отнести:

1. Меньше и легче: затраты на исследования и разработки и инвестиции в спутники большого и среднего размера непомерно высоки для стартапа. Поэтому единственные возможности, которые остаются у стартапов, — это небольшие спутники (менее 200 кг).

2. Группировки спутников: у каждого стартапа есть план создания большой спутниковой группировки. Но тот, кто сделает это, станет окончательным победителем. Разговоры дешевы; покажи мне спутник!

3. Более простой анализ, более простая обработка: Анализ данных SAR требует много времени, опыта и вычислительных инструментов. Программное обеспечение для организации и обработки промышленных изображений изначально разрабатывалось для человеческого глаза — для оптического, а не для радара, — в результате чего SAR отстает и становится более дорогим. Упрощение анализа и упрощение цепочки обработки данных привлечет больше студентов и игроков в индустрию SAR.

4. От восходящего потока к нижестоящему: производители спутников все чаще надеются добиться большего в нижестоящих применениях — и наоборот.

Выводы

"Картинка стоит тысячи слов", и это, безусловно, относится к спутниковым данным. Однако оптические снимки вообще теряют свою ценность, если они покрыты облаками или сняты ночью. Эти ограничения подтолкнули ученых к созданию потребности в новых типах технологий ДЗЗ, таких как радар с синтезированной апертурой. Индустрия SAR все еще находится на ранней стадии развития, но с ростом спроса на лучшее понимание нашей окружающей среды и меняющейся планеты пространство широко открыто для появления новых космических компаний, которые могут изменить сектор с помощью новых применений данных SAR.