Способ привязки устройств "Интернета вещей" и "Умного города" к географическим координатам и карте местности с повышенной точностью координат
METHOD FOR LINKING "INTERNET OF THINGS" AND "SMART CITY" DEVICES TO GEOGRAPHICAL COORDINATES AND TO THE MAP OF THE AREA WITH INCREASED COORDINATES ACCURACY

Изобретение относится к радиотехнике, вычислительной технике, спутниковой навигации и программному обеспечению и может быть использовано для получения точных географических координат различных электронных устройств и привязки этих устройств к географическим картам и планам местности.
Интернет вещей как собирательный термин становится все более и более популярным в мире. Количество различных устройств, подключенных к сетям передачи данных, увеличивается в прогрессии. Для передачи данных используются различные, часто очень ограниченные в пропускной способности, сети связи, такие как, LoRaWAN, UNB, NB-IOT, PLC, GPRS, GSM, LTE, 5G и другие.
Местоположение устройств на карте или плане определяет географическая система координат. Географическая система координат включает широту, долготу и высоту над уровнем моря. Например, 53°32'20.9814''N, 32°34'1.6532''Е
Из уровня техники известны следующие аналоги: патент RU 2582595 С1 (опублик. 27.04.2016) - СИСТЕМА ТОЧНОЙ НАВИГАЦИИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ НАЗЕМНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ГЛОНАСС, патент RU 2633093 С1 (опублик. 11.10.2017) - СПОСОБ И СИСТЕМА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОЙ РАЗМЕТКИ УЧАСТКОВ УЛИЧНО-ДОРОЖНОЙ СЕТИ.
Устройства "Интернета вещей" и "Умных городов" представляют из себя разнообразные датчики и контроллеры, такие как: датчики движения, освещенности, качества воздуха, запыленности, детекторы СО, CO2, NO, NO2, датчики дыма, датчики уровней жидкостей и твердых предметов, трекеры местонахождения предметов, тензодатчики, зонды, контроллеры управления освещением и многие другие. Чаще всего такие устройства структурно состоят из микроконтроллера или микропроцессора и коммуникационного модуля связи, а также некоторого набора периферийных элементов. Каждое из устройств "Интернета вещей" и "Умного города", как правило, имеет уникальный сетевой адрес (IP, MAC или иные, зависящие от типа сети передачи данных), по которому данные устройства могут быть однозначно идентифицированы и адресуемы программной платформой сбора данных и управления устройствами (далее "Программная платформа"). Программные платформы, как правило, минимально состоят из сетевого сервера и сервера приложений. Программная платформа также позволяет визуализировать местоположение и состояние привязанных устройств в пользовательском интерфейсе.
При размещении (монтаже) множеств устройств "интернета вещей" и "умного города" в масштабах больших территорий, протяженных объектов, таких как объекты дорожного и железнодорожного хозяйства, трубопроводного транспорта, и/или поселений возникает 2 основные проблемы:
1. Проблема "потери устройств", когда невозможно точно идентифицировать место установки устройства с конкретным сетевым адресом. Как правило данная проблема возникает по причине «человеческого фактора», когда, например, монтажник неточно указывает координаты установки устройства или путает сетевые адреса устройств;
2. Проблема точности привязки устанавливаемых устройств с уникальным сетевым адресом к реальным географическим координатам для правильного отображения в пользовательском интерфейсе в различных программных платформах.
В ряде случаев точность привязки местоположения устройства к координатам имеет существенное значение. Например, при установке управляемых светильников наружного утилитарного городского освещения имеет значение расположение нескольких светильников на одной опоре для реализации сложных сценариев адресного управления, когда, например, один светильник направлен на проезжую часть, а второй на тротуары, и они должны управляться по разным сценариям. В этом случае неточная привязка может затруднить или сделать невозможным такое управление. В случаях с трубопроводным транспортом проблема точности является еще более актуальной.
Существует несколько известных способов привязки подобного рода устройств к географическим координатам. От самого простого - указания человеком непосредственной точки размещения устройства на карте в компьютерной программе или мобильном приложении с помощью манипулятора типа "мышь", до сложных, основанных на триангуляции сотовых или иных сетей связи и получения данных с помощью систем глобальной спутниковой навигации (Global Navigation Satellite System, GNSS. Здесь и далее под GNSS понимаются следующие системы: GPS, ГЛОНАСС, Beidou, Galileo и другие). Недостатками этих способов являются большая трудоемкость при ручной привязке большого количества устройств, высокая вероятность ошибок, вплоть до потери части устройств, координаты которых не были зафиксированы при монтаже, низкая точность при использовании сотовых и иных сетей связи и GNSS. Стандартная точность триангуляции в сетях связи составляет до 100 м, систем GNSS, работающих в одном канале L1, от 2 до 10 м. При этом, приемлемой точностью привязки устройств Интернета вещей и Умного города является субметровая точность (погрешность координат менее 1 м) в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Известны приемные мультисистемные устройства GNSS высокой точности, работающие в двух и более каналах L1 и L5 (для GPS) L1, L3 (для ГЛОНАСС), (Е и В для Galileo и Baidu), применяемые в геодезических системах и навигации, в теории обеспечивающие субсантиметровую точность привязки, однако такие приемники мало распространены и очень дороги для использования в большом количестве устройств. Работа GNSS приемника высокой точности в составе устройств "Интернета вещей" и "Умных городов" затруднена также и тем, что GNSS приемники потребляют достаточно много энергии, тогда как большое количество устройств "Интернета вещей" и "Умных городов" имеют лишь ограниченное или батарейное питание.
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков предшествующего уровня техники. Техническим результатом является сокращение трудозатрат на ручную привязку устройств, устранение потенциальных ошибок, связанных с путаницей сетевых адресов устройств и повышение точности привязки устройств (вплоть до геодезической) к реальным координатам.
Заявленная задача решается, а поставленный технический результат достигается посредством заявленного способа привязки устройств "Интернета вещей" и "Умного города" к географическим координатам и карте местности с повышенной точностью координат.
Предлагаемый способ привязки устройств "Интернета вещей" и "Умного города" к географическим координатам и карте местности является сочетанием схемотехнических решений (Hardware) устройств, программного обеспечения (Software), в том числе встраиваемого (Embedded Software), и применяемой методологии.
Суть способа заключается в следующем: каждое устройство "Интернета вещей" и "умных городов" может оснащаться простым одноканальным (L1) приемником GNSS стандартной точности. При этом, как уже было сказано, стандартной точности приемников GNSS недостаточно для точной привязки устройства к координатам. Предлагаемый способ использует известные методы СДК ГНСС (Системы Дифференциальной Коррекции Глобальных Навигационных Спутниковых Систем) или ФД СРНС (Функциональные Дополнения Спутниковых Радио Навигационных Систем), известные также как DGPS {differential global positioning system) или GNSS augmentation, в частности метод PPK (Post Processing Kinematic). Системы дифференциальной коррекции - система повышения точности сигналов GNSS, заключающаяся в исправлении измеренных приемником псевдодальностей до спутников поправками к ним, полученным извне, от достоверного измерителя (базовая, опорная или виртуальные станции). При этом компенсируются как атмосферные искажения, так и эфемеридные ошибки. Многие из представленных на рынке GNSS приемников имеют возможность передавать координаты в двух наиболее распространенных стандартизованных форматах: NMEA (National Marine Electronics Association) и RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services). При этом, формат RTCM обеспечивает передачу "сырых" данных GNSS приемников, используемых для уточнения координат, включая кодовые и фазовые измерения, параметры антенны и вспомогательные системные параметры. В то же время формат NMEA обеспечивает лишь простое взаимодействие с большинством GNSS приемников.
В рамках описываемого способа, после включения смонтированных устройств «Интернета вещей» и «Умного города», микроконтроллеры или микропроцессоры этих устройств начинают получать с GNSS приемников и записывать в энергонезависимую память устройств полученные по протоколу RTCM данные в файл стандарта RINEX (Receiver Independent Exchange Format). После записи данных заданной продолжительности, устройства подготавливают и отправляют на сервер Программной платформы, управляющей устройствами, сформированные RINEX файлы, которые перед отправкой проходит процедуру сжатия (сериализации) в бинарный формат для сокращения объема передачи данных (опционально) с использованием стандартных методов, таких как zip, cbor, exi и других или сжатия по методу Yuki Hatanaka (Geospatial Information Authority of Japan). В случае отсутствия ограничений на объем передаваемых данных в зависимости от вида сети связи операция сжатия может не осуществляться. Продолжительность записи данных определяется сервером Программной платформы в зависимости от внешних условий расположения устройств. Однако расчеты показывают, что 2-часовой продолжительности записи достаточно для получения субдециметровой точности. Конкретная продолжительность записи каждым из устройств настраивается через программную платформу. Полученных с устройств данных достаточно для привязки к географическим координатам стандартной точности, но недостаточно для повышенной точности. Специальный программный модуль платформы осуществляет десериализацию (опционально) и пересчет полученных приближенных координат каждого из устройств с помощью PPK-поправок геодезической точности, получаемых по каналам Internet, от одного из провайдеров услуг постоянно действующих референцных станций (CORS (Continuously Operating Reference Stations)) в режиме ppk (Post Processing Kinematic - дословно «кинематика в постобработке») и вычисляет точные координаты каждого из устройств, осуществляя их привязку к карте с точностью от нескольких сантиметров до 1 метра. При этом могут использоваться как данные с CORS, так и данные с Виртуальной базовой станции (Virtual Reference Station). Сеть постоянно действующих референцных станций располагается, как правило вблизи крупных населенных пунктов и не покрывает всю территорию страны. Чем дальше находится реальное устройство от базовой станции, тем выше погрешность вычисления координат даже с учетом ppk-поправок. Виртуальная базовая станция создается "программно". Преимуществом VRS является уменьшение длины базовой линии между приемником устройства и базовой станцией для того, чтобы эффективно удалить пространственно-коррелированные ошибки с использованием дифференциальной обработки, и включить поправки, полученные от всей сети базовых станций, а не от одной ближайшей. Кроме того использование VRS позволяет применять данный метод в любой точке страны и земного шара. После вычисления и фиксации точных координат каждого из устройств, программная платформа осуществляет привязку устройств к карте или плану, после чего может направить (в зависимости от особенностей использования устройств) на устройства команду на программное отключение встроенного модуля GNSS для обеспечения повышенной энергоэффективности. В дальнейшем, при необходимости процедура может быть повторена. Таким образом, с точки зрения энергоэффективности устройств с ограниченным или батарейным питанием GNSS приемник может быть использован лишь 1 раз во время начальной привязки устройств. В отличие от других методов СДК ГНСС, например RTK, метод PPK не требует наличия больших вычислительных мощностей на устройстве, а переносит всю вычислительную нагрузку на сервер Программной платформы, что позволяет применять данный метод в том числе для устройств с микроконтроллерами минимальной производительности, вплоть до 8- битных. Программная платформа может также отправить команду на перевод GNSS приемников устройств в режим NMEA с возможностью периодического включения, например для синхронизации часов реального времени устройств по данным GNSS.
В случае отсутствия возможности получения ppk-поправок геодезической точности от провайдеров услуг постоянно действующих референцных станций (CORS) уточнение координат осуществляется по аналогичному алгоритму, но используя взаимное расположение подлежащих привязке устройств. То есть, каждое устройство является источником поправок для других. Таким образом, описываемый способ позволяет сократить трудозатраты на ручную привязку устройств, избавиться от потенциальных ошибок, связанных с путаницей сетевых адресов устройств и добиться значительной, вплоть до геодезической, точности привязки устройств к географическим координатам. Использование в описываемом способе метода постобработки, вместо использования поправок реального времени вызвано значительным ограничением пропускной способности большинства сетей интернета вещей, отсутствием необходимости использовать синхронный канал связи, что может быть затруднено, например, в случае использования LPWAN сетей, а также потребностью в значительных вычислительных ресурсах в устройстве для работы с поправками реального времени.
На представленном фиг.1 обозначены:
1. Сети связи "Интернета вещей": LoRaWAN, NB-IOT, UNB, PLC, GSM, LTE, LPWAN и другие.
2. Сеть Интернет.
3. Коммуникационный интерфейс внутри устройства "Интернета вещей": UART, SPI, I2C и другие, между мультисистемным GNSS приемником и микроконтроллером устройства.