Система взаимодействия с потребителями данных дистанционного зондирования Земли Российский патент 2024 года по МПК G06Q50/04 H04W72/04 G01C11/02 G06Q30/01 

Изобретение относится к средствам дистанционного зондирования Земли, а именно к средствам управления космическими системами дистанционного зондирования Земли и предназначено для оптимизации использования информационных ресурсов и управления целевым применением космических систем дистанционного зондирования Земли на основе сервисного взаимодействия с потребителем - оператором космической системы дистанционного зондирования Земли и заказчиком космической съемки.

В настоящее время на фоне интенсивного развития дистанционного зондирования Земли, растущего интереса коммерческих компаний к рынку космических услуг, появления большого количества стартапов в области создания космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и их орбитальных группировок, в том числе, на условиях государственно-частного партнерства, возрастает актуальность задач развития сервисов доступа к наземной космической инфраструктуре приема, хранения, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли. Выделение инфраструктурных сервисов в самостоятельный вид бизнеса существенно снижает порог вхождения новых компаний на рынок дистанционного зондирования Земли за счет привлечения ресурсов наземной инфраструктуры на основе сетевых и программных протоколов у внешних поставщиков.

Неотъемлемой частью технологического процесса управления, проведения съемки и получения данных дистанционного зондирования Земли из космоса является планирование целевого применения космических систем дистанционного зондирования Земли. Очевидно, что ошибки планирования могут повлечь критические изменения параметров функционирования космической системы и, как следствие, несоответствие результатов космической съемки исходным требованиям и снижение эффективности применения космической системы дистанционного зондирования Земли в целом. Предоставление сервиса управления космическим аппаратом технически возможно на основе реализации средствами наземной космической инфраструктуры дистанционного зондирования Земли виртуальной модели планирования целевого применения космической системы дистанционного зондирования Земли за счет применения программно-определяемой наземной сети с виртуализированным аппаратно-программным обеспечением, в которой инфраструктура системы функционирует в облачной вычислительной среде.

В качестве ближайшего аналога выбрана система обеспечения потребителей данными дистанционного зондирования Земли, основанная на концепции «наземная станция как сервис» («ground station as a service», «GSaaS»), известная из патента на изобретение US 11 063 658, Amazon Technologies, Inc., публикация 2021 г. Данная система объединяет антенные станции и программно-определяемые средства по приему информации, основанные на принципах машинного обучения. Предложенная в US 11 063 658 система включает виртуальную программно-определяемую сеть программно-аппаратных комплексов приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, взаимосвязанных между собой, а также связанных через сеть Интернет с пользовательскими компьютерами операторов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, и с, по меньшей мере, одним центром обработки данных дистанционного зондирования Земли. Компьютеры системы интегрированы в сеть поставщика услуг, то есть данные, полученные через один персональный компьютер, интегрируются в облачную среду для дальнейшей работы. Предусматривается обработка пользовательских запросов на доступ к ресурсам приемных комплексов и средствам планирования (резервирования временных интервалов доступа клиентов к ресурсам системы).

Недостатки известной из US 11 063 658 системы заключаются в невозможности виртуализации с последующим переносом в облачную среду процесса планирования космический съемки, а также в отсутствии комплексного подхода к выполнению заявок на космическую съемку с использованием множества доступных космических систем дистанционного зондирования Земли различного назначения и технических возможностей. Данная задача должна решаться за счет средств центра обработки данных. Центр обработки данных связан с оборудованием платежных систем и обеспечивает формирование заявки потребителя на съемку заданного участка поверхности Земли с прогнозированием возможности ее осуществления на основе веб-интерфейса (интернет портала) формирования заявок потребителей, доступного с пользовательских компьютеров операторов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.

В свою очередь, предложена система взаимодействия с потребителями данных дистанционного зондирования Земли, включающая среду облачных вычислений, на основе, по меньшей мере, одного центра обработки данных наземной космической инфраструктуры приема, хранения, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, связанную с, по меньшей мере, одним автоматизированным рабочим местом оператора орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, по меньшей мере, одним автоматизированным рабочим местом наземного комплекса управления, по меньшей мере, одним космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли, по меньшей мере, одним автоматизированным рабочим местом наземной космической инфраструктуры приема, хранения, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, по меньшей мере, одним компьютером или мобильным устройством потребителя данных дистанционного зондирования Земли, а также с множеством средств мониторинга состояния (доступности) наземного и орбитального сегментов космической системы дистанционного зондирования Земли. В отличие от ближайшего аналога, среда облачных вычислений обеспечивает имитационное моделирование наземного и орбитального сегментов космической системы дистанционного зондирования Земли с применением генетических алгоритмов оптимизации средств и формирование рабочей программы космической съемки для, по меньшей мере, одного космического аппарата дистанционного зондирования Земли, плана сеансов приема для наземной космической инфраструктуры приема, хранения, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, плана сеансов передач для наземного комплекса управления, по меньшей мере, одним космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли, оценку реализуемости заявки потребителя на космическую съемку подстилающей поверхности.

Сущность изобретения поясняется следующими схемами.

Фиг. 1, 2 - Схемы взаимодействия с потребителями данных дистанционного зондирования Земли.

Фиг. 3 - Схема среды облачных вычислений.

Работа системы взаимодействия с потребителями данных дистанционного зондирования Земли и ее состав поясняются следующим образом.

Потребителями, взаимодействующими с системой, являются: потребители данных дистанционного зондирования Земли, операторы орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и операторы наземной космической инфраструктуры (наземная космическая инфраструктура включает в себя наземные комплексы управления). Среда облачных вычислений создается на основе, по меньшей мере, одного центра обработки данных наземной космической инфраструктуры обеспечивающего обработку и доступ к данным дистанционного зондирования Земли из космоса в режиме реального времени (производительность масштабируется в зависимости от нагрузки) и использует модели динамических систем с гибкой настройкой гиперпараметров на основе генетических алгоритмов оптимизации функционирования наземного и орбитального сегментов космической системы дистанционного зондирования Земли. Генетические алгоритмы оптимизации цифровых моделей позволяют находить удовлетворительное (оптимальное) решение путем последовательного перебора и комбинирования исходных параметров на основе решения задачи о рациональном распределении ресурсов космической системы посредством функции приспособленности, принимающей неотрицательные решения на всей области определения. Генетический алгоритм заканчивает работу, когда все планы работы космической системы дистанционного зондирования Земли достигают оптимального значения (например, максимальной удовлетворенности требований потребителя). Применение генетических алгоритмов позволяет отсекать заведомо невыгодные решения, что, в случае решения многокритериальной задачи распределения ресурсов космической системы, ведет к значительному сокращению времени расчетов по сравнению с другими существующими алгоритмами решения поставленной задачи.

Система обеспечивает комплексный сервис планирования целевого применения космической системы дистанционного зондирования Земли, формируя рабочую программу космической съемки, передаваемую на борт космического аппарата; оценку и анализ реализации космической съемки, передаваемых потребителю данных дистанционного зондирования Земли; планы сеансов приема для наземной космической инфраструктуры, передаваемые на приемные комплексы; планы сеансов передачи для наземной космической инфраструктуры, передаваемые на наземные комплексы управления.

При разработке рабочей программы космической съемки, оценки и анализа реализации космической съемки и планов сеансов передачи-приема используется актуальная информация о состоянии (доступности) космических аппаратов, целевой аппаратуры, многофункциональной системы ретрансляции, приемных комплексов (пунктов приема информации) и наземных комплексов управления на период планирования (фиг. 1 и фиг. 2). Средства мониторинга состояния (доступности) наземного и орбитального сегментов космической системы дистанционного зондирования Земли включают автоматизированную систему сбора телеметрических параметров функционирования компонентов орбитальной группировки и автоматизированную систему сбора отчетов о выполнении технологических процедур компонентами наземной космической инфраструктуры (в отличие от патента US 11 063 658, в котором реализован контроль функционирования приемных комплексов и средств передачи данных).

Цифровая модель комплексного сервиса планирования целевого применения космической системы, реализуемая на базе среды облачных вычислений, содержит блоки имитационного моделирования элементов космического и наземного сегментов космической системы дистанционного зондирования Земли) с применением генетических алгоритмов оптимизации средств, обеспечивающие:

- прогноз состояния подстилающей поверхности Земли (краткосрочный - 1 суток, 3 суток и др., в зависимости от заявленного интервала съемки) (1);

- прогноз состояния атмосферы Земли (краткосрочный - 1 суток, 3 суток и др., в зависимости от заявленного интервала съемки) (2);

- расчет орбитального движения космического аппарата дистанционного зондирования Земли (баллистические характеристики согласно ISO/TR 11233:2014), возможно применение баллистической модели, предоставленной потребителем (3);

- расчет планов управления орбитальной группировкой космических аппаратов дистанционного зондирования Земли средствами командно-измерительных систем из состава наземной космической инфраструктуры (вместе с наземным комплексом управления) с учетом пропускной способности каналов передачи данных мультисервисной системы сбора и передачи информации из состава наземного космической системы (4);

- расчет потоков данных по каналам передачи целевой информации между элементами наземной космической инфраструктуры с использованием многофункциональной космической системы ретрансляции (5);

- расчет потоков приема целевой информации с космических аппаратов на пункты приема информации (6).

Согласованная работа цифровых моделей с применением генетических алгоритмов обеспечивает, помимо разработки рабочей программы космической съемки и планов сеансов передачи-приема, расчет и подготовку всей необходимой информации, предоставляемой потребителям, а именно:

- потребителю данных дистанционного зондирования Земли -вероятность космической съемки, предполагаемый план космической съемки;

- оператору орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли - данные баллистического, экспонометрического и метеорологического обеспечения, доступный информационный ресурс космической системы дистанционного зондирования Земли, а также параметры маневров космических аппаратов дистанционного зондирования Земли для поддержания требуемой баллистической структуры орбитальной группировки космических аппаратов, план работы многофункциональной космической системы ретрансляции;

- оператору наземной космической инфраструктуры - план сеансов приема информации с указанной орбитальной группировки, план сеансов передачи с наземного комплекса управления на указанную орбитальную группировку, а также информацию о доступном времени использования компонентов наземной космической инфраструктуры по назначению.

Облачная инфраструктура с применением генетических алгоритмов оптимизации средств обеспечивает:

- клиент-серверное взаимодействие (формирование и отправка интерактивных или пакетных запросов);

- программно-определяемые виртуальные кластеры вычислительной среды (файловая система, менеджер распределенных ресурсов, планировщик заданий, распределенная система мониторинга кластеров и балансировка вычислительной нагрузки);

- комплекс программных решений управления облачной инфраструктурой (облачные вычислительные среды, облачные хранилища);

- аппаратно-определяемую инфраструктуру вычислительных ресурсов (системы хранения данных, мультипроцессорные кластеры и сетевые ресурсы);

- имитационное моделирование.

Интерфейс пользователя комплексного сервиса планирования целевого применения космической системы дистанционного зондирования Земли включает инструментарий для: регистрации пользователя, ввода исходных данных для функционирования орбитальной группировки, наземной космической инфраструктуры, включая наземные комплексы приема и управления, а также функционирования многофункциональной космической системы ретрансляции, ввода параметров заявки, вывода статуса заявки пользователя (визуализация), обратной связи с пользователем, доступа в личный кабинет.

Согласно общей схеме взаимодействия потребитель задает исходные данные, которые проходят процедуру регистрации по установленной форме для анализа исходных требований (в процессе регистрации отсекаются заведомо невыполнимые или некорректные требования пользователя - при необходимости возможна их корректировка). Далее производится формирование рабочей программы космической съемки и плана сеансов передачи-приема, данные о которых поступают потребителю, а сами рабочая программа и планы сеансов передачи-приема передаются на борт космического аппарата дистанционного зондирования Земли, пункты приема информации и наземные комплексы управления соответственно. После проведения космической съемки и приема файла-потока на пункты приема информации производится анализ реализации рабочей программы космической съемки и планов сеансов передачи-приема с применением генетических алгоритмов, результаты которого передаются потребителю для подтверждения корректности работы комплексного сервиса целевого планирования в части анализа реализации космической съемки.

Потребителям результатов космической съемки в режиме квазиреального времени предоставляется информация об оценке реализуемости заявки на космическую съемку:

- дата и время планируемых космических съемок района(-ов) интереса исходя из баллистических параметров космического аппарата дистанционного зондирования Земли с учетом требований пользователя к космической съемке;

- вероятность выполнения космической съемки в полном объеме с учетом природных (облачность) и организационных (приоритет потребителя) ограничений.

Оператору орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли предоставляется рабочая программа космической съемки для передачи на борт космического аппарата дистанционного зондирования Земли, план сеансов передачи рабочих программ с наземных комплексов управления (при необходимости), план сеансов приема информации на наземные приемные комплексы (при необходимости), план работы многофункциональной космической системы ретрансляции (при необходимости), а также следующая информация:

- данные баллистического, экспонометрического и метеорологического обеспечения;

- данные о доступном информационном ресурсе космической системы дистанционного зондирования Земли;

- параметры маневров космических аппаратов дистанционного зондирования Земли для поддержания требуемого баллистического построения орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.

Рабочая программа космической съемки представляет собой расписание работы всех систем космического аппарата (съемка, заполнение бортового запоминающего устройства, расписание передачи данных на наземные пункты приема информации и др.).

Операторам наземной космической инфраструктуры предоставляются:

- план сеансов приема космической информации для наземных приемных комплексов;

- план сеансов передачи рабочих программ космической съемки (для орбитальной группировки) на наземные комплексы управления.

- план работы многофункциональной космической системы ретрансляции (при необходимости).

Потребителем космической системы дистанционного зондирования Земли задаются следующие параметры, определяющие функционирование комплексного сервиса планирования (Таблица 1). Система обеспечивает самостоятельный выбор потребителем параметров с учетом формализованных объективных (технических и природных) ограничений.

Для каждого из составных сервисов комплексного сервиса планирования целевого применения реализован автоматический (программно-определяемый) анализ исходных требований, который исключает заведомо невыполнимые или некорректные требования пользователя (например, интерферометрическая съемка для оптических космических аппаратов дистанционного зондирования Земли). Информация о необходимости коррекции исходных требований для комплексного сервиса планирования целевого применения в режиме квазиреального времени поступает к потребителю.

При разработке рабочей программы космической съемки, плана сеансов передачи данных для наземных комплексов управления, а также плана сеансов приема для пунктов приема информации используются следующие ограничения (Таблица 2).

При прогнозных расчетах используется следующая информация о параметрах целевой аппаратуры и космических аппаратах дистанционного зондирования Земли, многофункциональной космической системы ретрансляции и наземной космической инфраструктуре, включающих пункты приема информации и наземные комплексы управления:

- скорость передачи целевой информации по высокоскоростной радиолинии космического аппарата дистанционного зондирования Земли;

- максимальное время работы на одном витке;

- длительность подготовки целевой аппаратуры дистанционного зондирования Земли к съемке;

- маневренность космического аппарата дистанционного зондирования Земли (скорость перенацеливания, максимальный угол визирования);

- объем и скорость чтения/записи из/в памяти бортового записывающего устройства космического аппарата дистанционного зондирования Земли;

- максимальный объем сброса информации космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли (в сутки, на одном витке и др.);

- количество приемных комплексов/пунктов приема информации в составе наземной космической инфраструктуры дистанционного зондирования Земли;

- количество наземных комплексов управления в составе наземной космической инфраструктуры дистанционного зондирования Земли;

- географическое расположение каждого пункта приема информации в составе наземной космической инфраструктуры дистанционного зондирования Земли;

- географическое расположение каждого наземного комплекса управления в составе наземной космической инфраструктуры дистанционного зондирования Земли;

- углы места приемного комплекса пунктов приема информации над горизонтом;

- углы места наземного комплекса управления над горизонтом;

- технические характеристики каналов связи многофункциональная космическая системы ретрансляции - космический аппарат дистанционного зондирования Земли, наземный комплекс управления - космический аппарат дистанционного зондирования Земли, многофункциональная космическая система ретрансляции - наземный комплекс управления, многофункциональная космическая система ретрансляции - пункт приема информации;

- длительность подготовки наземного комплекса управления к передаче информации;

- длительность подготовки многофункциональной космической системы ретрансляции к приему-передаче информации;

- совместимость высокоскоростной радиолинии космического аппарата дистанционного зондирования Земли и аппаратно-программных средств приемного комплекса пункта приема информации.

Таким образом, с применением комплексного сервиса планирования целевого применения, реализуемого на основании предложенной системы, выполняются следующие функции:

- метеорологическое обеспечение, предоставляющее прогнозы метеообстановки для заданного района съемки или объекта интереса, а также для пункта приема информации, на который обеспечивается сброс, и для наземного комплекса управления, с которого обеспечивается передача информации;

- экспонометрическое обеспечение, предоставляющее усредненную информацию об отражательных характеристиках подстилающей поверхности Земли в виде функции от времени наблюдения для заданного района интереса в заданных спектральных диапазонах, а также рекомендуемые характеристики целевой аппаратуры для обеспечения требуемого качества данных дистанционного зондирования Земли;

- наземно-командное обеспечение, предоставляющее информацию о плане задействования и параметрах функционирования наземного комплекса управления;

- обеспечение межспутниковой связи, предоставляющее план задействования многофункциональной космической системы ретрансляции для функционирования орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли;

- баллистическое обеспечение, предоставляющее информацию о прогнозе траектории космического аппарата из состава орбитальной группировки, светотеневой обстановке на орбите в процессе полета космического аппарата, трассе космического аппарата и покрытии районов съемки полосами обзора целевой аппаратуры, характеристиках прохождения космическим аппаратом зон радиовидимости, маневров космического аппарата для поддержания баллистической структуры орбитальной группировки;

- организационное обеспечение, предоставляющее информацию о статусе/категории потребителя и приоритете района съемки;

- мониторинг состояния (доступности) космических аппаратов, целевой аппаратуры, многофункциональной космической системы ретрансляции, пунктов приема информации, наземного комплекса управления на период планирования.

Практическое осуществление предложенной системы взаимодействия с потребителями данных дистанционного зондирования с применением облачной среды вычислений позволит более рационально использовать информационный ресурс космической системы дистанционного зондирования Земли путем его гибкого распределения между элементами наземного комплекса управления и наземной космической инфраструктурой в зависимости от объема и специфики поступающих заявок на космическую съемку. В результате минимизируется доля ручного труда по координации и согласованию оперативных планов для различных территориально распределенных пунктов приема информации, обеспечивается максимальная гибкость и оперативность выполнения заявок на космическую съемку.

Изобретение относится к средствам управления космическими системами (КС) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Система взаимодействия с потребителями данных ДЗЗ включает среду облачных вычислений на основе центра обработки данных наземной космической инфраструктуры приема, хранения, обработки и распространения данных ДЗЗ, связанную с автоматизированным рабочим местом оператора орбитальной группировки космических аппаратов ДЗЗ, автоматизированным рабочим местом наземного комплекса управления, космическими аппаратами ДЗЗ, автоматизированным рабочим местом наземной космической инфраструктуры данных ДЗЗ, компьютером потребителя данных ДЗЗ, средствами мониторинга состояния наземного и орбитального сегментов КС ДЗЗ. При этом среда облачных вычислений обеспечивает моделирование средств наземного и орбитального сегментов КС ДЗЗ, формирование рабочей программы космической съемки для по меньшей мере одного космического аппарата ДЗЗ, плана сеансов приема для наземной космической инфраструктуры данных ДЗЗ и передач для наземного комплекса управления по меньшей мере одним космическим аппаратом ДЗЗ, оценки заявки на космическую съемку подстилающей поверхности. Техническим результатом является эффективное распределение ресурсов между элементами наземного комплекса управления. 3 ил.

Система взаимодействия с потребителями данных дистанционного зондирования Земли, включающая

среду облачных вычислений на основе по меньшей мере одного центра обработки данных наземной космической инфраструктуры приема и передачи информации орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, связанную с

по меньшей мере одним автоматизированным рабочим местом оператора орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли,

по меньшей мере одним автоматизированным рабочим местом наземного комплекса управления,

по меньшей мере одним космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли,

по меньшей мере одним автоматизированным рабочим местом наземного комплекса приема данных дистанционного зондирования Земли,

по меньшей мере одним компьютером потребителя данных дистанционного зондирования Земли, а также

средствами мониторинга состояния наземного и орбитального сегментов космической системы дистанционного зондирования Земли, характеризующаяся тем, что

среда облачных вычислений обеспечивает

имитационное моделирование наземного и орбитального сегментов космической системы дистанционного зондирования Земли с применением генетических алгоритмов оптимизации средств и формирование

рабочей программы космической съемки для по меньшей мере одного космического аппарата дистанционного зондирования Земли,

плана сеансов приема для наземной космической инфраструктуры приема, хранения, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли,

плана сеансов передач для наземного комплекса управления по меньшей мере одним космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли,

оценки реализуемости заявки потребителя на космическую съемку подстилающей поверхности.