睁大眼睛 ： 利用遥感和数据分析行业加强国家安全

执行摘要 遥感——字面意思是远距离测量——构成了今天天气预报的基础，为金融市场提供了信息，并满足了美国国家安全的需要。TheU.S.2020年国家空间政策承认其重要性，并认识到“确保美国工业继续领导迅速成熟且竞争激烈的商业太空遥感市场，才能最好地维护美国的长期国家安全和外交政策利益。."1 鉴于据报道遥感市场的扩张，本文旨在了解这种扩张对国家安全的影响，并为决策者在应对这种安全环境时提供见解和建议。 使用商业上可用的数据集，我们发现近年来，该行业确实在迅速扩张，新公司的成立速度在2015年 前后比十年前快10倍。自那以后，这种增长从峰值开始放缓，但仍保持历史高位。美国的爆炸性扩张S.遥感商业市场源于四个因素的汇合:技术发展，特别是微电子和成像传感器小型化;大规模廉价太空发射的兴起;新的资金和商业模式，包括风险投资和以数据为重点的公司补充图像销售公司;和稳定的监管环境。一个鲜为人知但同样重要的因素是，空间数据分析市场也在增长，其中四分之三的公司成立于2008年或以后。 如今，这些因素的融合使美国成为商业遥感的全球领导者。为了保持和扩大美国在该市场的领导地位，本文确定了以下差距，挑战和机遇，并提出了维持竞争性，全球卓越的国内遥感市场的建议 ： 间隙:红外和高光谱图像虽然比更常见的视觉波段图像更难开发，但却有望提供当前商业成像服务无法提供的新应用和功能。 尽管在技术上很困难，但非常低的地球轨道也未得到充分利用。公司正在追求这些新技术和轨道，但今天只有少数可以运行。这些差距中的每一个都代表了潜在的经济和安全优势，而没有被抓住。 挑战:卫星星座的扩散增加了碎片的数量，增加了碰撞的可能性。碎片的这种增长增加了 运营成本和收益降低。虽然遥感卫星并没有受到独特的影响，但环境形成了新系统的背景。负责任的设计和星座管理对于继续进入太空至关重要。 像太空环境一样，战略环境正在发生变化。不喜欢遥感卫星提供的透明度的竞争国家公开谈论以商业能力为目标。政府和公司必须为这些威胁成为行动的可能性做好准备。 机会:就像天文学使用无线电，红外，可见光波段，X射线和其他传感器来更好地了解宇宙一样，商业遥感市场有机会在对地球的多模式理解中引发类似的爆炸。这种理解的经济和安全好处是广泛的 ；挑战将是使其有利可图。 Thepapermakefiverecommendationstoclosethegaps,confrontthechallenges,andcometheopportspresented,whilelevergingmarkettrendstocontinuebuildingcapabilitywithintheremotesensingindustry.TheserecommendationshelpensureAmericastrategicadvant 1.美国政府应扩大从商业遥感公司购买产品和服务，同时与投资者资本合作，鼓励商业遥感创新。 2.美国政府应扩大从数据分析公司的采购，同时与多学科的政府测试和实验团队合作，以最大限度地提高新数据源的运营相关性。 3.美国政府，特别是商务部，应维持当前的遥感法规，允许商业销售世界领先的图像，但也应评估特定位置控制措施的应用，以保护冲突中的盟友，合作伙伴和美军。 4.美国政府应继续对传感技术进行基础研究投资，并扩大具有商业应用的技术转让。 5.在运营计划中，美国政府应确保制定和实施协调方案，以应对对美国商业卫星的可逆和不可逆攻击。 目录 执行摘要1 Introduction4 什么是遥感？5 为什么遥感很重要6 美国政府政策与监管9 History10 工业和技术趋势13 促成因素15 趋势结果17 差距、挑战和机遇22 差距1：红外现象学22 差距2：高光谱图像22 间隙3：甚低地球轨道（VLEO）23 挑战1：碎片生成23 挑战2：地缘政治背景24 机遇：多现象学和多学科25 Recommendations26 Conclusion29 Authors30 Acknowledgements30 免责声明30 附录：方法论详细信息31 尾注33 Introduction 遥感在美国历史悠久，但商业化相对较短。在整个历史中，它一直与国家安全密切相关——事实上 ，《2020年国家空间政策》明确指出，“确保美国工业继续领导迅速成熟和竞争激烈的商业太空遥感 市场，最有利于美国长期国家安全和外交政策利益。."2 受行业对美国的重要性激励S.由于国家安全和遥感领域的爆炸性增长，本文确定了政策、技术和市场趋势，这些趋势共同将行业推向了今天。它还利用了市售PitchBoo数据集的作者注释，使用公司成立日期和运营状态来评估太空遥感市场的健康状况和相对广度。最后，它确定了市场中的差距、挑战和机遇，最终提出了持续的建议。S.在这个重要的任务区的实力。 什么是遥感？ 遥感是在远处测量。3遥感航天器使用相机等无源传感器和雷达等有源传感器，使用电磁（EM）光谱来测量地球和太空中的活动。除了天基探测器之外，遥感还需要基础设施与航天器进行通信，对其进行任务，并接收，处理，存储和分发它们收集的数据。 遥感应用涵盖各个领域，包括环境监测、农业、林业、城市规划和灾害管理的陆地领域，以及天文学和空间态势感知的非地球领域。遥感可以在不与受试者直接物理接触的情况下获取有价值的数据，为研究和理解地球表面和大气提供了一种广阔而非侵入性的方法。4 遥感数据是一个有意义的管道的开始，分析师使用工具和算法将其转化为可用的，可操作的信息和见解。在国家安全的背景下，遥感和数据到信息管道是情报，监视和侦察（ISR）实践的基础 。 为什么遥感很重要 太空中的第一张照片是在1946年从火箭上拍摄的，第一颗卫星是在1957年发射的。早期的太空成像是军事和情报机构的领域，通常是验证核条约的“国家技术手段”。5今天，遥感的重要性只增加了，在三个方面带来了价值。 第一种方法是使科学家、研究人员和其他人能够识别和监测广泛领域和应用的环境发展。 卫星遥感提供商业地图中使用的图像；类似的图像可以支持对人为（图1）和自然（图2）灾害的反应。6 图1：2023年6月06日乌克兰Kakhovka大坝的破坏7 资料来源：图像©2023PlanetLabsPBC。 图2：2022年1月14日至15日，洪加汤加-洪加哈帕伊火山喷发，汤加，跑步和后果8 资料来源：图片©2021，2022行星实验室PBC。 遥感还可以显示破坏性较小的自然变化，尤其是随着时间的推移而收集的变化。考虑2023年加利福尼亚州的“超级绽放”，历史上潮湿的冬天在沙漠中产生了野花（图3）。类似的时间序列支持植物生长，水分和土地利用的监测，并在林业，气候监测，水资源管理，城市规划等方面应用。科学家，规划者和资源管理者可能依赖于可见光波长和人眼看不到的红外光的混合。例如，紫外线（UV）测量可以提供臭氧评估，而所有这些波长的组合用于天气预测。9 图3：2023年4月加州“Superbloom”10 资料来源：图像©2023PlanetLabsPBC。 更复杂的遥感卫星甚至可以通过测量其下方土地和水的化学成分，将光“切片”成细的高光谱线，以跟踪排放，土壤成分，海洋生态和其他因素。11这种高光谱传感器产生大量数据，但也可以产生新颖的见解。其他无线电探测卫星提供从船舶跟踪到全球天气测量的服务，这些服务无法以其他方式进行收集。 其次，遥感在国家安全中起着至关重要的作用。探测和测量外国能力的能力具有明显的军事和战略价值。除了生成图像外，一些军用遥感卫星还使用红外传感器来探测和跟踪导弹。其他人，包括那些在美国S.核爆炸（NUDET）探测系统（USNDS）使用伽马，中子，X射线和其他探测器和传感器来跟踪世界各地的核爆炸。12 最后，该行业本身提供了巨大的直接收入和间接经济回报。遥感卫星对经济和国家安全的价值都很重要。考虑天气数据：甚至十年前，美国S.在全天候研究和预报上的公共和私人支出每年约为50亿美元，但所获得的公共福利每年价值超过310亿美元，而且自那时以来，其价值肯定有所增长。13卫星测量是这些预测的关键要素；例如，有了空间感应，没有警告就不会出现飓风，并且可以越来越早地预测登陆。14精准农业是现代农业产量的基础，它越来越依赖卫星服务。15 出于这些原因，美国有理由保持商业太空市场的实力和韧性。 美国政府政策与监管 2020年国家空间政策是指导美国S.遥感任务区的政府战略文件。该政策范围广泛，指导将遥感用于预测和科学，灾害响应，大气和空间天气监测等。重要的是，该政策明确并反复指示采取行动，以鼓励强劲的商业市场。这些步骤包括政府购买商业图像和数据，减轻提供商的许可负担以及使用开放标准和协议。16 《2023年太空政策评估》并没有直接关注商业遥感——也许是因为2020年的政策足够明确。17相反，审查强调了遥感提供的两种特殊功能。首先是天基情报“激发集体行动”的能力，如提供俄罗斯入侵乌克兰意图的明确和令人信服的证据，有助于“揭露和挫败虚假的国旗行动，并产生国际社会的统一反应”，塑造国际社会对侵略的反应。18第二个是支持导弹防御和核威慑任务的关键导弹预警和导弹跟踪（MW/MT）功能。 在这两种情况下，遥感架构的弹性都是至关重要的*商业传感器可能会增强精致的政府空间传感器 ，但不能取代它们。商业增强可以减轻高性能政府传感器的负担,将后者的有限带宽集中在优先收集目标上。政府还可以购买商业图像，以跟进情报系统的收集，从而提供未分类和可发布的图像。事实上，考虑到商业数据的可发布性，它对于非核威慑和联合行动可能比任何政府替代方案都更有用。 *在导弹预警任务中尤其如此。 History 2020年国家空间政策的要求是行政部门历史的延续和国会对遥感行业的兴趣。从1980年代到今天 ，这种兴趣体现在少数法律法规中。 立法行动始于1984年《土地遥感商业化法案》，该法案试图将政府拥有的Landsat卫星私有化。在遇到实施挑战后，国会通过了1992年《土地遥感政策法案》，为遥感行业建立了法律框架。191992年法案严格包括标题II，其中规定了美国的私人遥感系统的许可。S.商务部。此后不久，诸如轨道成像公司（成立于1992年，后来的GeoEye），WorldView（1992年，后来的DigitalGlobe ）和SpaceImagig，Ic.等公司。（1994）成立。(所有这些最终都将在2010年代的Maxar下被收购和合并。)(图5)。20这些公司的OrbView，QuickBird和Ikonos卫星是当今太空遥感行业的先驱 ，可提供可见的波段图像。 为了执行1992年法案，国会指示商务部长制定一项空间系统土地遥感的许可和监管计划，包括审查申请的120天期限。21这些规定包括限制图像可以多快交付给非U。S.-政府客户，以及对哪些分辨率和现象学（传感技术的类型，如可见光，红外或雷达）可以商业销售的潜在限制。法律和法规还规定，“被许可人应向任何国家的政府提供[。]系统根据合理的商业条款和条件收集的有关该政府管辖下的领土的数据，“对U.S.国家安全和外交政策利益。22该法规还包括政府批准的加密要求。232020年的政策修订为图像提供商提供了更大的灵活性，包括创建一个分层系统，其中性能较低的系统将有最小的限制，性能较高的系统将受到更多的限制，并且大多数许可证限制将被视为临时和可再生而不是永久的。24 这些规则及其实施的效果是，美国商业图像提供商现在主要受到技术的限制，而不是受到法规的限制。例如，当分辨率限制在2023年到期并且没有更新时，一家公司能够公开发布16厘米分辨率的图像 （图4），显示特征比以前小三分之一。这与2006年的法规相去甚远，当时82厘米分辨率的图像无法发布给任何人，但 美国政府批准的用户24小时。25这一监管变化是由于人们认识到其他商业成像器正在接近美国的能力 。26结果，美国政府改变了战略，旨在“最大限度地提高美国的行业领导地