Способ интеграции систем и/или средств обеспечения навигационной и мониторинговой информацией и аппаратно-программный комплекс - центр компетенций

Изобретение относится к области космического мониторинга, а именно к системам получения и обработки информации космических аппаратов навигационного и мониторингового назначения.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения может быть выбран многофункциональный (то есть интегрирующий различные мониторинговые и навигационные средства) прикладной потребительский центр навигационно-информационного обеспечения, который так же, как и способ его работы, описан в патенте на изобретение RU 2568924, Российские космические системы, публикация 2015. Предусматривается использование космического сегмента, соединённого по каналам связи и каналам управления с наземным сегментом. Космический сегмент представляет собой совокупность спутниковых орбитальных группировок навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС/GPS. Навигационные космические аппараты соединены каналами связи с центром обработки данных наблюдения земного сегмента и с космическими аппаратами связи и передачи данных, а также каналами связи и управления с центром управления полётами космических аппаратов. Центр обработки данных включает координационно-аналитический центр, который получает информацию от центра обработки данных наблюдения, а также данные от средств локального дистанционного зондирования, осуществляющих сбор первичной мониторинговой информации, и информационно связан с центром управления полетами космических аппаратов. Центр обработки данных осуществляет анализ и последующую трансляцию полученной информации через оператора космической системы в федеральный информационно-аналитический центр. Координационно-аналитический центр информационно связан с региональными информационно-аналитическими центрами, которые, в свою очередь, связаны с территориальными пунктами приёма и обработки информации для дальнейшей трансляции полученной информации в региональные и территориальные информационно-аналитические центры.

При практическом применении выявлены следующие недостатки (технические проблемы) функционирования прикладного потребительского центра: недостаточная точность определения местоположения объектов; отсутствие взаимосвязи между используемыми навигационно-информационными ресурсами и заведомой неоднородностью информации, собираемой на значительном географическом пространстве. В результате существующий прикладной потребительский центр не соответствует современным запросам к качеству услуг по навигационно-информационному обеспечению, предоставляемому в режиме реального времени. В свою очередь, данное изобретение направлено на преодоление указанных технических проблем и позволит предложить способ интеграции систем и/или средств обеспечения навигационной и мониторинговой информацией и аппаратно-программный комплекс – центр компетенций навигационно-информационного обеспечения на базе спутниковых технологий, функционирующий согласно предложенному способу. Предложенные способ интеграции систем и центр компетенций обеспечат требуемую точность пространственной привязки предоставляемой информации, большую полноту потребительской информации, повышение устойчивости и надёжности системы навигационно-информационного обеспечения, возможность совместного использования максимального числа информационных ресурсов, предоставляющих информацию, являющуюся результатами космической деятельности. Дополнительно, следует отметить увеличение работоспособного состояния и коэффициента готовности (ГОСТ Р 53480-2009) сформированного «интегрированного» центра компетенции (до 0,99), сохранение данного увеличенного коэффициента в течение длительного периода времени.

Указанный технический результат будет достигнут при использовании способа интеграции систем и/или средств обеспечения навигационной и мониторинговой информацией, предусматривающего использование заранее выделенного аппаратно-программного комплекса для сбора и обработки данных от систем и/или средств, выбранных из перечня, включающего, по меньшей мере, глобальную спутниковую навигационную систему, систему спутникового мониторинга транспортных средств, систему высокоточного спутникового позиционирования. В отличие от аналога в предложенном способе с использованием указанного аппаратно-программного комплекса формируют облачную среду, обеспечивающую сбор и/или обработку метаинформации от систем и/или средств, объединяемых в ходе интеграции, при этом получают данные коррекции спутниковой навигационной информации, пользовательскую и/или коммерческую информацию о применении средств спутниковой навигации. Данные коррекции спутниковой навигационной информации получают от нескольких систем, а именно системы дифференциальной коррекции и мониторинга, национальной сети высокоточного позиционирования и/или вспомогательной системы A-GNSS, за счёт чего улучшаются корректирующие характеристики и повышается надёжность подсистемы, обеспечивающей формирование корректирующей информации. Собранную и/или обработанную метаинформацию используют для обеспечения обращения к указанным системам и/или средствам. Аппаратно-программный комплекс – центр компетенций - функционирует в соответствии с данным способом.

Практическое применение центра компетенций может быть описано следующим образом, не исключающим иные варианты построения центра компетенций, выбора задействованных средств и тому подобное, не противоречащие сущности изобретения.

Центр компетенций представляет собой универсальную интегрированную информационную среду 1, в состав которой входят мультисервисная платформа управления и контроля 2, блок информационного обмена 6, региональная навигационно-информационная система центра компетенций 11. В свою очередь, мультисервисная платформа управления и контроля 2 состоит из блока подсистем сбора и формирования корректирующей информации 3, подсистемы управления пространственными данными 4, подсистемы навигационного приемника 5, блока информационного обмена 6. Подсистема навигационного приёмника 5 в большинстве случаев объединяет максимальное число используемых навигационных систем, например ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU. Блок подсистем сбора и формирования корректирующей информации 3 объединяет подсистему A-GNSS 3₁ (приём через каналы телекоммуникационных сетей информации, содержащейся в сигналах навигационных космических аппаратов), подсистему сбора и формирования корректирующей информации от национальной сети высокоточного позиционирования 3₂ (сбор корректирующих поправок), подсистему сбора и формирования корректирующей информации от системы дифференциальной коррекции и мониторинга 3₃ (данные мониторинга целостности спутниковой системы и радионавигационных полей в зоне обслуживания региональных сетей дифференциальных геодезических станций пользователя). Корректирующая информация от блоков 3₁, 3₂, 3₃ гармонизируется с данными от навигационных космических аппаратов. Для получения корректирующих данных используют технологию облачных вычислений, которая позволяет объединить региональные (локальные) сети дифференциальных геодезических станций спутниковых навигационных систем, например ГЛОНАСС/GPS/GALI-LEO/BEIDOU, и отдельных станций в единую сеть, уравнять элементы объединяемой сети, выполнять мониторинг состояния станций. Помимо корректирующей информации от блоков 3₁, 3₂, 3₃ интегрированная информационная среда обеспечивает пользователя информацией о состоянии группировок глобальных навигационных спутниковых систем, составе и характеристиках навигационной аппаратуры потребителей, участниках рынка навигационного оборудования, нормативных и технических актах, регламентирующих применение навигационных технологий, необходимых терминах и определениях.

Подсистема (система) управления пространственными данными 4 может представлять собой распределённую информационную систему для управления пространственной информацией в масштабе региона. Данная подсистема интегрирует все необходимые различным потребителям пространственные данные в рамках одного ресурса и затем предоставляет создаваемые и актуализируемые данные всем пользователям системы согласно предоставленному праву доступа в режиме реального времени. Предполагается использовать подсистему управления пространственными данными в виртуализированных средах: кластерах и/или облачной среде. Пространственные данные, создаваемые профессиональными операторами при помощи собственных геоинформационных систем, попадают в подсистему управления пространственными данными посредством интерфейсов взаимодействия. Для каждой новой подключаемой геоинформационной системы создаётся свой интерфейс, обеспечивающий выполнение заданных прикладных задач (предполагается использование открытых интерфейсов, которые позволят использовать стандартные процедуры интеграции, серверов модульной архитектуры, шин типа Enterprise Service Bus). В частности, подсистема управления пространственными данными 4 обеспечивает управление информацией о территориях с особым статусом (природоохранные и водоохранные зоны, объекты берегоукрепления), о доступности территорий для людей с ограниченными возможностями (инвалидов, беременных женщин и прочее), об инфраструктуре здравоохранения и т.п. Пользовательский интерфейс подсистемы управления пространственными данными 4 позволит выполнить поиск пространственных объектов по формальным полям и тексту, графическое построение оптимальных маршрутов, базовые геометрические расчёты, а также хранить и отображать пользовательские объекты.

Подсистема навигационного приёмника 5, например навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU, обеспечивает приём на антенну 5₁ навигационных сигналов от навигационных космических аппаратов соответствующих спутниковых систем, их первичную обработку и формирование актуальной информации о состоянии орбитальных группировок. При этом отображается состояние конкретной глобальной навигационной спутниковой системы, эфемериды по данным альманахов на текущие сутки, зоны видимости, доступность, созвездие навигационных космических аппаратов в заданной точке, мгновенная и интегральная доступность, календарь глобальной навигационной спутниковой системы. В состав подсистемы навигационного приёмника 5 входят навигационная антенна, дифференциальная геодезическая станция, аппаратно-программные комплексы управления дифференциальной геодезической станцией и первичной обработки данных с навигационных космических аппаратов. Через порт информационного обмена с усилителем интерфейсного адаптера навигационные данные после первичной обработки поступают в подсистему интеграции 7.

Блок информационного обмена 6 включает подсистему интеграции 7; хранилище данных 8, состоящее из оперативной базы данных, базы данных «Архив», системы управления базами данных; подсистемы формирования геоинформационной и картографической информации 9; подсистемы коммуникации и информационного взаимодействия 10. Региональная навигационно-информационная система центра компетенций 11 – целевой навигационный ресурс для предоставления услуг по навигационно-информационному обеспечению различных групп пользователей навигационно-информационных систем регионального уровня - объединяет систему мониторинга транспортных средств (подсистемы мониторинга грузового 12₁, пассажирского 12₂, специального 12₃ наземного транспорта) и систему высокоточного позиционирования 13 (подсистемы точного (координатного) земледелия 13₁, геодезических работ 13₂, спутникового мониторинга сложных инженерных сооружений 13₃). Универсальная интегрированная информационная среда 1 обеспечивает информационный обмен между подсистемами из состава мультисервисной платформы управления и контроля 2 и региональной навигационно-информационной системой 11. Блок информационного обмена 6 мультисервисной платформы 2 является центральным связующим компонентом между подсистемами 3₁, 3₂, 3₃, 4, 5 и подсистемами 12, 13 региональной навигационно-информационной системой 11. Региональная навигационно-информационная система 11 обеспечивает приём в режиме реального времени от подсистем мультисервисной платформы управления и контроля 2 навигационных данных, их обработку и передачу в подсистемы 8, 9, 10 блока информационного обмена 6 посредством подсистемы интеграции 7. Подсистема формирования геоинформационной и картографической информации 9 блока информационного обмена 6 обеспечивает получение картографической основы, динамических слоёв, результатов поиска объектов, свойств картографических объектов и использование этой информации для визуализации местоположения контролируемого объекта.

Подсистема интеграции 7 обеспечивает приём и постобработку навигационных данных от подсистемы навигационного приёмника 5, например ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU системы; гармонизацию полученных навигационных данных; сбор корректирующей информации от подсистем A-GNSS 3₁, национальной сети высокоточного позиционирования 3₂, системы дифференциальной коррекции и мониторинга 3₃; интеграцию навигационных данных и корректирующей информации; формирование оперативной навигационной информации, в том числе для использования в интересах точной и высокоточной навигации; передачу оперативной навигационной информации в подсистему управления пространственными данными 4, хранилище данных 8 и региональную информационно-навигационную систему 11. Подсистема интеграции 7 организована как ядро в составе аппаратно-программного комплекса постобработки и гармонизации навигационных данных – блока информационного обмена 6. Данный аппаратно-программный комплекс через шину информационного обмена и набор подключаемых модулей обеспечивает непосредственное взаимодействие с подсистемой управления пространственными данными 4 и подсистемами 12 и 13 из состава региональной навигационно-информационной системы 11. Подсистема интеграции 7 оснащена набором обобщённых интерфейсов, ориентированных на наиболее часто используемые технологии обмена данными: средства взаимодействия веб-сервисы протоколов SOAP (W3S SOAP 1.2, WSDL 2.0, WS Addressing 1.0) и REST; средства взаимодействия с SQL источниками данных, подключаемые через интерфейсы JDBC и ODBC; низкоуровневая система взаимодействия на основе многопоточного socket-сервера. Для обеспечения взаимодействия подсистемы интеграции 7 с конкретными навигационно-информационными системами используются драйверы интеграции, согласующие информационные потоки между системами. Возможность интеграции с другими информационными системами обеспечивается за счет широкого использования в рамках подсистемы интеграции стандартных интерфейсов и средств информационного взаимодействия, которые базируются на распространенных протоколах HTTP и web-сервисах, использовании единых классификаторов для представления общих типов информационных объектов.

Подсистема интеграции 7 позволяет объединять средства управления информационными объектами системы – интегратора мониторинговых и навигационных систем и средств, в том числе внешними системами, за счет интеграции метаинформации о контролируемых подсистемах, то есть данных и способах управления подсистемами. Для реализации общей шины обмена сообщениями используются архитектурные решения типа Enterprise Service Bus (ESB). Подсистема интеграции 7 направляет в хранилище данных 8 данные, которые в нём аккумулируются, от всех подсистем мультисервисной платформы управления и контроля 2 и региональной навигационно-информационной системы 11. Одновременно в хранилище данных 8 обрабатывается метаинформация (метаданные, сведения о составе данных, их содержании, статусе, происхождении, качестве, форматах и формах представления, условиях доступа, использования и т.п.) всех подсистем универсальной интегрированной информационной среды 1. Таким образом, хранилище данных 8 содержит данные и метаинформацию, которые, с одной стороны, могут воспользоваться всеми подсистемами мультисервисной платформы управления и контроля 2, а с другой стороны, потребителями региональной навигационно-информационной системы 11 в соответствии с их правами доступа. Работа с метаинформацией минимизирует работы по разработке и администрированию хранилища данных 8, что обеспечивает интеграцию внешних подсистем в универсальную интегрированную информационную среду; повышает гибкость системы в целом за счёт упрощения расширения системы и адаптации новых подсистем. Метаинформация позволяет самостоятельно управлять процессами загрузки и обновления, что обеспечивает автоматизацию административных процессов; усиливает информационную безопасность, контроль и управление доступом. Также работа с метаинформацией позволяет повысить качество данных: их полноту, точность, согласованность (однородное представление данных, наличие дубликатов, данные с пересекающимися/конфликтующими определениями), оперативность предоставления данных и актуальность информации.

Пользователи в соответствии с их правами доступа с помощью подсистемы коммуникации и информационного взаимодействия 10 через потребительские терминалы 14 по каналам связи 10₁, 10₂ запрашивают и получают услугу по навигационно-информационному обеспечению в необходимом объёме. Потребительские терминалы 14 обеспечивают доступ к навигационно-информационным ресурсам подсистем региональной навигационно-информационной системы 11 из любой точки Земли с доступом к системам связи (мониторинг транспорта через веб-интерфейс, определение высокоточных координат в режиме постпроцессинга, информационное взаимодействие с мобильным потребительским терминалом). Потребительский терминал 14 представляет собой программно-техническое средство из навигационного приемника и компьютера (стационарного, мобильного, планшетного и т.п.), на которые поступает информация по каналу Intertnet 10₁ (для большинства потребителей) либо VIPNet 10₂ (для потребителей, предъявляющих повышенные требования к обеспечению защиты информации). Канал VIPNet представляет собой выделенный защищённый сегмент информационного обмена в существующих сетях, передаваемая по нему информация высокого качества защищена от искажений, воздействия со стороны третьих лиц, хищений и т.д.

Стационарные и/или мобильные потребительские терминалы 14 на базе планшетного компьютера обеспечивают предоставление навигационно-информационных услуг потребителям в режиме реального времени. В состав потребительских терминалов входят: ПЭВМ (стационарный вариант) или планшетный компьютер (мобильный вариант), модуль навигационного приемника, навигационная антенна. Предусматривается следующий функционал для потребительских терминалов: картография от сервера подсистемы формирования геоинформационной и картографической информации 9 или Openstreetmap; локальная векторная картография и/или растровые онлайн-сервисы; персональный автомобильный навигатор с прокладкой маршрутов и голосовой поддержкой; обмен сообщениями с сервером системы мониторинга транспортных средств 12; установку / отображение статусов транспортных средств; фиксирование и отображение маршрутов; навигационные расчёты с учётом совокупности корректирующих данных от различных средств и систем коррекции (дифференциальных геодезических станций / сетей, систем функциональных дополнений SBAS, системы дифференциальной коррекции и мониторинга; технология PPP и др.); решение задач координатно-временного обеспечения стандартного и повышенного классов точности по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Навигационный модуль 14₁, входящий в состав потребительского терминала функционально, выполняет фазовые измерения навигационных сигналов, например данных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU.

Применение мониторинговых систем в составе предложенного центра компетенций может быть пояснено следующим образом.

Система мониторинга транспортных средств 12 основана на использовании многофункциональной платформы для мониторинга наземных подвижных объектов и подсистемы управления пространственными данными. Многофункциональная платформа мониторинга наземных подвижных объектов включает телематический сервер, сервер приложений, подсистему хранения данных и автоматизированные рабочие места с desktop- и web-приложениями пользователя. Предусмотрено использование модульной архитектуры серверов, виртуализированных сред: кластеров, облачных вычислений. Для интеграции с центром компетенций и внешними системами используется шина Enterprise Service Bus (ESB). Предусмотрено также использование данной системы 12 с известными геоинформационными системами, например ГИС «Гармония». Предлагается развёртывание системы мониторинга транспортных средств 12 в виртуализированных средах с автоматическим выделением ресурсов в облачной среде. Кроме того, предусматривается использование средств актуализации пространственных данных, в частности дорожного графа, что позволит создавать недостающие пространственные данные самостоятельно и использовать их в системе управления транспортными средствами. Интеграция системы мониторинга транспортных средств 12 с подсистемой управления пространственными данными 4 обеспечит работу с геопространственными зонами в том числе: управление информацией о зонах, параметрическое задание зон, прокладку маршрутов в зависимости от состояния дорог и транспорта, постоянное отслеживание временных параметров маршрута, аналитические пространственные расчёты навигационной информации, пространственные ограничения при фильтрации объектов, автоматическое вождение наземных транспортных средств и многое другое. Дополнительно, в сравнении с прототипом, система мониторинга транспортных средств 12 обеспечивает решение комплекса задач по координатному земледелию и точному животноводству. Также предусмотрено формирование шаблонов правил построения маршрутов для различного вида транспортных средств, их состояния и характеристик внешних условий.

В целом система мониторинга транспортных средств 12 обеспечивает решение широкого спектра практических задач, включая: сбор и отображение откорректированных навигационных данных в режиме реального времени; использование различных типов навигационного оборудования и информационных систем; автоматическое вождение транспортных средств различного типа и назначения; взаимодействие с внешними системами мониторинга транспорта и управления транспортными средствами; сбор показаний датчиков, подключенных к навигационным приемникам; актуализацию информации о состоянии навигационного оборудования транспортных средств; актуализацию геопространственной информации; автоматический контроль за состоянием систем, механизмов и узлов транспортных средств на базе показаний датчиков бортового оборудования; типовые сценарии интерпретации показаний датчиков (уровень и расход топлива, элементы движения, события на маршруте следования и др.); сервисы для формирования и контроля маршрутных заданий; текстовую и графическую отчётную информацию.

Система высокоточного позиционирования 13 обеспечивает услуги высокоточного позиционирования, включая высокоточное определение местоположения, как в режиме реального времени, так и в режиме постобработки. Используется навигационный ресурс на базе технологий высокоточной навигации с использованием корректирующей навигационной информации от национальной сети высокоточного позиционирования 3₂ из состава подсистемы сбора и формирования корректирующей информации 3. Информационный обмен между потребителями высокоточных навигационно-информационных услуг и системой высокоточного позиционирования 13 осуществляется через подсистему коммуникации и информационного взаимодействия 10 и потребительские терминалы 14 по каналам 10₁ или 10₂ в том числе, с использованием облачной среды. В целом система высокоточного позиционирования обеспечивает: сбор и обработку актуальной навигационной информации от навигационных космических аппаратов в режиме реального времени; определение координат в интересах развития геодезической основы (землеустройство, кадастр, изыскания, строительство, мониторинг зданий и сооружений); высокоточную навигацию транспорта; дифференциальные поправки на основе использования геодезических станций; доступ к региональным навигационно-информационным системам; сбор и хранение массивов оперативных высокоточных навигационных данных и информации о состоянии навигационных полей глобальной навигационной спутниковой системы; передачу потребителям через подсистему коммуникации и информационного взаимодействия 10 корректирующей навигационной информации. Одним из сегментов системы высокоточного позиционирования является подсистема точного (координатного) земледелия 13₁, при применении которой обеспечивают автоматизацию процессов управления техникой (параллельное, координатное, автоматическое вождение и т.п.) на базе навигационных данных, например GPS/ГЛОНАСС/GALILEO/BEIDOU, и корректирующей информации; составление почвенных карт с использованием автоматических навигационных химико-диагностических средств; мониторинг состояния полей и посевов; дифференцированное увлажнение почв и внесение удобрений; мониторинг урожайности, составление карт урожайности и рентабельности участков сельскохозяйственных угодий; мониторинг навигационных средств, установленных на сельскохозяйственной технике; текстовую и графическую отчётную информацию. Схожим образом построена система высокоточного животноводства, которая в режиме реального времени обеспечивает как мониторинг домашних животных, так и контроль состояния кормовой базы.

Таким образом, при работе предложенного центра компетенций и, соответственно, практическом применении предложенного способа интеграции систем и/или средств обеспечения навигационной и мониторинговой информацией обеспечивается:

- гарантированный доступ потребителя к единому навигационно-информационному ресурсу (комплексным услугам спутникового мониторинга) – центру компетенций, сформированному при гармонизации спутниковых технологий навигации с использованием средств корректировки навигационных данных и геоинформационных систем;

- предоставление региональным потребителям прикладных сервисов и услуг для системы мониторинга транспортных средств, обеспечение процессов контроля и управления в режиме реального времени транспортными средствами различного назначения и отраслевой принадлежности, оснащенными навигационной аппаратурой потребителей ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/ BEIDOU;

- предоставление услуг системы спутникового высокоточного позиционирования для определения координат геодезической основы при проведении землеустроительных и кадастровых работ, инженерных изысканиях, геодезическом обеспечении строительства, эксплуатации объектов капитального строительства; для мониторинга деформационных процессов, высокоточной навигации специализированного транспорта, точного (координатного) земледелия и животноводства;

- оперативный доступ через многофункциональные потребительские терминалы (стационарные и мобильные) по беспроводным каналам связи к навигационно-информационным ресурсам на базе глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU в соответствии с предоставленными правами доступа;

- предоставление в режиме реального времени корректирующих данных системы дифференциальной коррекции и мониторинга, национальной сети высокоточного позиционирования и вспомогательной системы A-GNSS;

- доступ к данным о составе и характеристиках навигационной аппаратуры потребителя, предлагаемых производителями, участниках рынка навигационной аппаратуры потребителя, нормативных и правовых актах, регламентирующих её использование, а также применении спутниковых навигационных технологий.