Система обеспечения потребителей данными дистанционного зондирования Земли Российский патент 2024 года по МПК G06Q50/04 H04W72/04 G01C11/02 G06Q30/01 

Изобретение относится к наземной космической инфраструктуре, обеспечивающей прием, обработку и распространение данных дистанционного зондирования Земли, и может быть применено для создания коммерческих пользовательских сервисов на основе наземной космической инфраструктуры (НКИ) дистанционного зондирования Земли.

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 11063658, 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 11063658 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. Центр обработки данных связан с оборудованием платежных систем, обеспечивает формирование заявки потребителя на съемку заданного участка поверхности Земли с прогнозированием возможности ее осуществления и назначением, по меньшей мере, одного программно-аппаратного комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли для исполнения данной заявки, а также функционирование веб-интерфейса (интернет портала) формирования заявок потребителей, доступного с пользовательских компьютеров операторов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. Недостатки известной из US 11063658 системы заключаются в ограниченности средств, обеспечивающих масштабирование архитектуры системы, передачу информации потребителям с космического аппарата.

В свою очередь, предлагается система обеспечения потребителей данными дистанционного зондирования Земли, которая обеспечит решение указанной выше технической проблемы за счет применения технологии отказоустойчивого управления целевым применением наземного сегмента космических средств дистанционного зондирования Земли с использованием механизма синхронизации (транзакций) процессов управления между наземными комплексами приема, обработки и распространения данных с участием реплицированной распределенной базы данных.

Предложена система обеспечения потребителей данными дистанционного зондирования Земли, включающая 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. Центр обработки данных связан с оборудованием платежных систем и обеспечивает формирование заявки потребителя на съемку заданного участка поверхности Земли с прогнозированием возможности ее осуществления и назначением, по меньшей мере, одного программно-аппаратного комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли для исполнения данной заявки; функционирование веб-интерфейса (интернет портала) формирования заявок потребителей, доступного с пользовательских компьютеров операторов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. В отличие от аналога, упомянутые программно-аппаратные комплексы приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли образуют одноранговую децентрализованную сеть в которой поддерживается реплицированная распределенная база данных. Обеспечивается виртуализацией сетевых функций и выделяется сервер в центре обработке данных для локальной вычислительной сети каждого из программно-аппаратных комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли.

То есть на средствах наземной инфраструктуры приема, обработки, хранения и предоставления данных дистанционного зондирования Земли реализуется виртуальная модель функционирования наземной инфраструктуры. Виртуальная модель реализуется за счет перехода от частного аналогового оборудования к открытому виртуализированному аппаратно-программному обеспечению, в результате чего наземный сегмент космических средств дистанционного зондирования Земли преобразуется в программно-определяемую наземную сеть. В программно-определяемых сетях базовая сетевая инфраструктура абстрагирована или виртуализирована и работает в общей вычислительной или облачной среде обработки. Предложено программно-определяемое решение по целевому применению наземного сегмента космических средств дистанционного зондирования Земли путем децентрализации его сети наземных станций приема данных дистанционного зондирования Земли с использованием технологий реплицированной распределенной базы данных. При прерывании штатной работы центра (так же и любого регионального объекта наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли) контур приема может функционировать независимо от него, что обеспечивает согласованное отказоустойчивое функционирование остальных объектов наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли. Соответственно, организация сети наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли должна быть одноранговой, то есть пиринговой (peer-to-peer, Р2Р), то есть должна быть основана на равноправии объектов наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли. Элементы радиочастотного оборудования, составляющие традиционный наземный сегмент спутниковой отрасли, могут быть заменены функционально эквивалентным семейством виртуальных сетевых функций VNF (virtual network functions) восстановления структуры бортового информационного потока - выделения целевой информации из модулированного методом фазовой манипуляции сигнала несущей частоты, фильтрации полезного сигнала в диапазоне рабочих частот от помех, синхронизации и детектирования.

Предложенная система обеспечения потребителей данными дистанционного зондирования Земли реализует сервисное взаимодействие с потребителем, под которым понимается предоставление организацией - провайдером услуг организации - потребителю: услуг по организации радиосвязи с космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли и обработке полученной информации. Источники и получатели информации находятся под контролем потребителя. В обязанности провайдера входит предоставление в том или ином объеме оборудования связи (программно-аппаратного комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли или его элементов), обеспечение работы по приему космической информации, дальнейшая обработка полученной информации в центре обработки данных (по требованию потребителя) и передача ее потребителю.

В ходе сервисного взаимодействия с потребителями выполняют (с поправкой на перечень услуг, выбираемых потребителем):

- формируют заявку на сеансы приема целевой информации дистанционного зондирования Земли с использованием универсального веб-интерфейса и API, предоставляют потребителю всю необходимую техническую информацию о возможностях приема в заданный временной интервал, проводят оплату услуг приема;

- включают заявку в план работы децентрализованной сети наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли в автоматическом режиме и реальном времени в случае наличия доступного ресурса;

- планируют сеансы связи на наземных станциях децентрализованной сети наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли и выделяют программно-аппаратные ресурсы на выбранном или принимаемом по умолчанию приемном комплексе;

- в случае отказа выбранного приемного комплекса автоматическое перенаправление заявки на ближайший свободный приемный комплекс;

- получают от космического аппарата на приемный комплекс результаты космической съемки;

- оцифровывают в режиме реального времени радиосигнал и передают его по каналам связи в центр обработки данных с минимальными временными задержками с обеспечением необходимых требований по защите информации;

- демодулируют радиосигнал (средства модуляции на программном или техническом уровне обеспечиваются потребителем);

- декодируют и форматируют радиосигнал при условии обеспечения конфиденциальности данных (технические параметры декодирования предоставляются потребителем);

- выполняют стандартную обработку сформированных данных дистанционного зондирования Земли вплоть до уровня ARD (алгоритмы обработки и необходимые метаданные обеспечиваются заказчиком);

- выполняют оперативное и долговременное хранение первичных и обработанных данных дистанционного зондирования Земли без ограничения их объема;

- предоставляют вычислительные и программные ресурсы платформы реализации прикладных (тематических) сервисов (требования к платформе уточняются в зависимости от масштаба конкретной задачи без фактических ограничений вычислительной мощности);

- обеспечивают доступ потребителя к соответствующему разделу хранилища по протоколу S3 или FTP.

Предложенная программно-ориентированная система приема и обработки информации дистанционного зондирования Земли для предоставления потребителям (заказчикам) представлена на функциональной схеме.

Основным потребителем услуг и сервисов наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли является оператор коммерческого космического аппарата дистанционного зондирования Земли 1, который самостоятельно или через уполномоченного представителя через сервисы взаимодействия с заказчиками (потребителями) 3 реализует функции оператора космических средств дистанционного зондирования Земли 1 и осуществляет распространение конечного продукта (данных, продуктов или сервисов дистанционного зондирования Земли) для конкретных прикладных областей. В базовом сценарии оператор коммерческого космического аппарата дистанционного зондирования Земли 1 обращается к подсистеме управления и координации 2 программно-аппаратного комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, обеспечивающей виртуализацию сетевых функций (NFV) для получения услуг приема данных дистанционного зондирования Земли. Взаимодействие осуществляется через универсальный веб-интерфейс, который предоставляет всю необходимую техническую информацию о возможностях приема в заданный временной интервал. Данный интерфейс также выполняет функцию формирования заявки на сеансы приема целевой информации дистанционного зондирования Земли и оплаты услуг приема. Основные элементы программно-аппаратного комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, обеспечивающей сервисное взаимодействие с потребителем: антенная система, включая оборудование радиоканала (малошумящие усилители, преобразователи частоты, коммутаторы, циркуляторы, усилители мощности и т.п.); оборудование связи (модем, декодер); аппаратно-программные средства управления функционированием приемной станции и установленные на них программы; поддерживающая инфраструктура (размещение капитальных или мобильных сооружений и коммуникаций, система контроля и управления доступом, поддержка микроклимата, электропитание); локальная сеть и соединения с глобальной сетью Интернет (сетевая инфраструктура).

Решение о включении заявки в план работы в подсистеме управления и координации NFV 2 в случае наличия доступного ресурса принимается автоматически в режиме реального времени (уровень отказа должен быть на низком уровне за счет тщательно разработанной и программно-определяемой формы заявки, исключающей ошибки ввода параметров и с онлайн оценкой выполнимости заявки, см., например, патент RU 2748014). Заявка поступает в единую систему планирования и координации сеансов связи (управление и координация NFV 2) через сервисы взаимодействия с потребителями 3, которая распределяет нагрузку и выделяет (выбранный или по умолчанию) программно-аппаратный комплекс приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли виртуальной сети наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли 4. В случае отказа выбранного комплекса заявка автоматически перенаправляется на свободный приемный комплекс виртуальной сети наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли 4. Возможность переадресации заявки достигается за счет виртуализации децентрализованной сети наземных станций и максимальной автоматизации выполняемых операций контроля и управления. Трансляция заявок от одного приемного комплекса к другому осуществляется за счет унификации приемного оборудования и использования единых отраслевых стандартов, учитывающих мировой опыт стандартизации в области приема данных дистанционного зондирования Земли.

Основной технологической операцией, выполняемой непосредственно на программно-аппаратном комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, помимо собственно приема, является оцифровка в режиме реального времени радиосигнала с дальнейшей передачей его по каналам связи в центр обработки данных 5. При передаче используются каналы с высокой пропускной способностью, обеспечивающие передачу всего объема данных с минимальными (<5 мин) временными задержками. Передача данных происходит на основе протокола TCP/IP с обеспечением необходимых требований по защите информации. Полученная информация размещается в системе хранения данных центра обработки данных 5 с применением облачных технологий. Непосредственно после окончания передачи данных и проверки контрольной суммы потребитель через сервисы взаимодействия с потребителями 3 получает доступ к соответствующему разделу хранилища центра обработки данных 5 по протоколу S3 или FTP. В отдельных случаях возможна прямая передача данных с приемной станции непосредственно на средства хранения заказчика по протоколу VPN.

Расширенный сценарий взаимодействия с потребителем предполагает дальнейшую обработку полученной информации в центре обработки данных 5. Выполняют демодуляцию радиосигнала (средства модуляции на программном или техническом уровне обеспечиваются потребителем). Декодируют и форматируют радиосигнал при условии обеспечении конфиденциальности данных (технические параметры декодирования предоставляются потребителем). Выполняют стандартную обработку данных дистанционного зондирования Земли вплоть до уровня ARD (данные готовые для анализа). Алгоритмы обработки и необходимые метаданные обеспечиваются потребителем. Скорость обработки данных дистанционного зондирования Земли является зависимой величиной и увеличивает стоимость услуг без фактических ограничений вычислительной мощности. Обеспечивают оперативное и долговременное хранение первичных и обработанных данных дистанционного зондирования Земли без ограничения объема и с гарантией сохранности и конфиденциальности. Предоставление вычислительных и программных ресурсов центра обработки данных 5 для реализации прикладных (тематических) сервисов 3, а также требования к платформе уточняются в зависимости от масштаба конкретной задачи без фактических ограничений вычислительной мощности. Доступ к данным дистанционного зондирования Земли на любом уровне осуществляется по протоколам по протоколу S3 или FTP. Количество заказчиков потенциально не ограничено.

В результате, обеспечивается решение ключевой задачи по переходу от большого комплекса аналогового оборудования и дублирующих друг друга аппаратно-программных средств на разных программно-аппаратных комплексов приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли к виртуализированной IT инфраструктуре. Программируемая и автоматизированная программно-определяемая архитектура работы наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли 4 позволяет системе работать в условиях поступающей целевой информации разнородной внутренней организации с разнотипных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. Указанные выше преимущества обеспечиваются за счет:

- оцифровки радиочастотной цепи, то есть оцифровки соединения (потока сигналов промежуточных частот) между антенной и оборудованием наземной станции приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли, что обеспечивает гибкость на физическом уровне за счет отделения функций радиочастотного преобразования и усиления от фактического места, где сигналы могут обрабатываться в цифровой форме;

- переноса процессов обработки принятого сигнала в программно-аппаратных комплексах приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли в центр обработки данных 5, сигнал, не прошедший демодуляцию, дискретизацию и детектирование, передается непосредственно в центр обработки данных и обрабатывается до уровня ARD (данные, готовые для анализа);

- использования высокопроизводительного центра обработки данных (дата-центра) 5 для обработки данных дистанционного зондирования Земли (центр обработки данных должен обеспечивать высокий уровень надежности, например, с сертификацией уровней надежности (Tier) III или IV уровня с возможностью обслуживания практически без остановки); на наземных станциях приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли предлагается оптимизировать IT инфраструктуру путем создания виртуального пространства на базе стандартных серверов, удаленно размещенных в центре обработки данных (с учетом указанных уровней надежности коэффициент готовности центра обработки данных составит величину порядка 0,9999);

- виртуализации сетевых функций, что позволит перенести сетевые функции в виртуальное пространство на базе стандартных серверов, размещенных в центре обработки данных 5, что обеспечивается за счет создания инфраструктуры NFV 4 - аппаратные и программные ресурсы в физическом и виртуальном виде, на которых работают виртуальные сетевые функции VNF;

- обеспечения запуска функций VNF в приложениях на виртуальных машинах в объектах наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли вместо функций, выполнявшихся в аналоговой области либо на проприетарном оборудовании, функции должны быть виртуализированы для снижения затрат на оборудование и увеличения гибкости их использования; некоторые функции смогут быть доступны для предоставления доступа к сервисам через технологию контейнеризации;

- использования реплицированной распределенной базы данных в единой децентрализованной сети наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли 4, при этом реестр, содержавший строки в части планирования приема и передачи целевой информации, находится во всех наземных станциях приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли и содержит идентичную информацию (если программно-аппаратный комплекс приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли переходит в нештатный режим, происходит автоматическое изменение плана по приему всей сети и путем обмена транзакций между остальными наземными станциями обновляется реестр, изменение плана становится подтвержденным при изменении остальных реестров, обеспечивая непротиворечивость информации во всех объектах наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли);

- размещения в центре обработки данных 5 программного обеспечения ведения процессов планирования, приема и передачи целевой информации в связи с тем, что с учетом возрастающего количества сеансов и объема информационных потоков существенно уменьшаются временные лаги на принятие всеобъемлющего плана и его обновление во всех объектах наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли, при изменении плановой ситуации информация из обновленного реестра автоматически передается в центр управления полетом соответствующих космических аппаратов для последующей закладки рабочих программ по сбросу целевой информации;

- выполнения согласованных технологических процессов и обмена достоверной информацией в контуре наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли с использованием консенсусного алгоритма, обеспечивающего взаимодействие узлов наземной инфраструктуры и достижение согласия о правильности информации, записываемой в базу данных (у каждого узла сети наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли формируется обновленный реестр, узлы взаимодействуют между собой в одноранговом формате - peer-to-peer путем обмена транзакциями).

Таким образом, обеспечивается рациональное использование ресурсов наземной инфраструктуры дистанционного зондирования Земли в части планирования съемки, приема и обработки информации. Предложенная система обеспечения потребителей данными дистанционного зондирования Земли сможет найти практическое применение при дальнейшей модернизации наземной космической инфраструктуры дистанционного зондирования Земли.

Изобретение относится к наземной космической инфраструктуре, обеспечивающей прием, обработку и распространение данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Система обеспечения потребителей данными ДЗЗ включает виртуальную программно-определяемую сеть взаимосвязанных между собой программно-аппаратных комплексов приема, обработки и распространения данных ДЗЗ, а также связанных через Интернет с пользовательскими компьютерами (ПК) операторов космических аппаратов (КА) ДЗЗ, и с, по меньшей мере, одним центром обработки данных ДЗЗ. При этом программно-аппаратные комплексы приема, обработки и распространения данных ДЗЗ образуют одноранговую децентрализованную сеть с виртуализацией сетевых функций для локальной вычислительной сети каждого из таких комплексов. Центр обработки данных ДЗЗ связан с оборудованием платежных систем, обеспечивает формирование заявки потребителя на съемку заданного участка поверхности Земли с прогнозированием возможности ее осуществления и назначением, по меньшей мере, одного программно-аппаратного комплекса для исполнения заявки, а также функционирование веб-интерфейса формирования заявок потребителей, доступного с ПК операторов КА ДЗЗ. Техническим результатом изобретения является масштабирование архитектуры системы и повышение её отказоустойчивости. 1 ил.

Система обеспечения потребителей данными дистанционного зондирования Земли, включающая 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, обеспечивающим формирование заявки потребителя на съемку заданного участка поверхности Земли с прогнозированием возможности ее осуществления и назначением, по меньшей мере, одного программно-аппаратного комплекса приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли для исполнения данной заявки и функционирование веб-интерфейса формирования заявок потребителей, доступного с пользовательских компьютеров операторов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, и связанным с оборудованием платежных систем, характеризующаяся тем, что упомянутые программно-аппаратные комплексы приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли образуют одноранговую децентрализованную сеть, в которой поддерживается реплицированная распределенная база данных, с виртуализацией сетевых функций и выделенным сервером в центре обработки данных для локальной вычислительной сети каждого из программно-аппаратных комплексов приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли.