Устройство автоматической коммутации каналов связи для средств радиотехнического обеспечения полетов

Область техники. Полезная модель относится к системам связи и передачи данных, требующим резервирования каналов связи, конкретно к устройствам автоматической коммутации каналов (УАКК) связи для средств радиотехнического обеспечения полетов и управления воздушным движением.
Уровень техники. Известны устройства для автоматической коммутации каналов связи /SU 1826136 от 1993.07.07, RU 2143788 от 27.12.1999, RU 190103 от 18.06.2019, RU 70432 от 20.01.2008, RU 2341046 от 10.12.2008/.
Наиболее близким по назначению для средств радиотехнического обеспечения полетов /RU 80261, RU 115951, RU 118092/ из указанных выше технических решений к заявляемой полезной модели относится устройство для автоматической коммутации каналов связи /RU 2143788, 27.12.1999/, выбранное в качестве прототипа полезной модели.
Известное устройство для автоматической коммутации каналов связи /RU 2143788/ содержит блок сравнения качества основных и резервных каналов связи, соединенный через блок коммутаторов каналов связи с шинами подключения соответствующих каналов связи.
При этом каждый блок сравнения качества каналов связи каждого линейного узла многоканальной системы связи выполнен с возможностью косвенной оценки качества каналов связи по анализу прохождения через линии связи контрольных булевых сигналов. Для этого он содержит приемник контрольных сигналов, блок контроля, контрольный коммутатор, цифроаналоговый преобразователь, регистр, элемент запрета, дополнительный элемент ИЛИ и блок сравнения. При этом приемник контрольных сигналов выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя, а блок коммутаторов каналов связи с шинами подключения каналов связи выполнен на релейных элементах с портами одного вида цифровой связи.
Недостатком известного устройства /RU 2143788/ для автоматической коммутации каналов связи является косвенная оценка работоспособности каналов связи, приводящая к снижению качества оценки неисправностей каналов связи, к снижению вероятности правильного переключения каналов связи на резервные и обратно и, как следствие, к снижению надежности связи и обмена данными между средствами радиотехнического обеспечения полетов.
Задачей полезной модели является повышение качества оценки неисправностей каналов связи путем сопоставления параметров сигнальной информации, проходящей в прямом и обратном направлении через основные проводные и резервный беспроводный каналы связи, непосредственно в устройстве автоматической коммутации каналов связи.
Техническим результатом полезной модели является повышение вероятности правильного переключения с основных проводных каналов связи на резервный беспроводный и обратно в системах связи радиотехнического обеспечения полетов.
Сущность полезной модели.
Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи обеспечивается тем, что устройство автоматической коммутации каналов (УАКК) связи для средств радиотехнического обеспечения полетов выполнено в виде малогабаритного переключателя каналов связи, содержащего блок сравнения качества основных проводных и резервного беспроводного каналов связи, соединенный через блок коммутаторов каналов связи с шинами подключения соответствующих каналов связи.
Новым согласно полезной модели является то, что блок сравнения качества основных проводных и резервного беспроводного каналов связи выполнен с возможностью оценки пригодности для передачи данных аналоговой линии связи по корреляции спектров сигналов, а цифровой линии связи - по совпадению импульсно-кодовых последовательностей сигналов, проходящих через соответствующие основные проводные и резервный беспроводный каналы связи.
Для этого блок сравнения качества основных проводных и резервного беспроводного каналов связи содержит соединенные между собой интерфейсными линиями связи:
- модуль адаптации и обмена данными между основными проводными и резервным беспроводным каналами связи;
- модуль вычисления и сравнения спектров аналоговых сигналов основных проводных и резервного беспроводного каналов связи;
- модуль сравнения импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов основных проводных и резервного беспроводного каналов связи;
- модуль памяти программ управления процессами преобразования и адаптации цифровых данных основных проводных и резервного беспроводного каналов связи.
Новым для блока коммутаторов является выполнение его на релейных коммутаторах с тремя видами интерфейсных портов для двунаправленного обмена сигнальной информацией, включающим:
- порт аналогового интерфейса тональной частоты (ТЧ) для подключения проводного аналогового канала связи;
- порт цифрового интерфейса RS232 для подключения проводного цифрового канала связи;
- порт цифрового интерфейса Ethernet для подключения беспроводного цифрового канала связи.
Доказательство достижения заявленного технического результата за счет введения новых признаков, отличных от прототипа /RU 2143788/.
Введение модуля адаптации и обмена данными между основными проводными и резервным беспроводным каналами связи, а также модуля памяти программ управления процессами преобразования и адаптации цифровых данных основных проводных и резервного беспроводного каналов связи позволяют адаптировать и приводить информационные потоки данных, передаваемых по основным проводным каналам связи к единому цифровому IP–формату для передачи по резервному беспроводному каналу связи. Сравнение спектров аналоговых сигналов, в свою очередь, в модуле 1.2 вычисления и сравнения спектров аналоговых сигналов основных проводных и резервного беспроводного каналов связи, позволяет определять пригодность для передачи данных аналогового канала 3 по корреляции спектров аналоговых сигналов на входном и выходном конце канала 3 связи после прихода спектра аналогового сигнала по резервному беспроводному каналу 5 связи.
Снабжение блока коммутаторов 2 интерфейсными портами связи позволяет в реальном масштабе времени проводить двунаправленный обмен сигнальной информацией по основным проводным и резервному беспроводному каналам связи и обеспечить в модулях 1.2 и 1.3 возможность оценки пригодности соответствующих проводных каналов связи для передачи данных средствам радиотехнического обеспечения полетов.
Аналогичным образом сравнение импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов позволяет в модуле 1.3 сравнения импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов основных проводных и резервного беспроводного каналов связи определять пригодность основного проводного цифрового канала связи по критерию совпадения импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов на входном и выходном конце проводного цифрового канала 4 связи после прихода импульсно-кодовой последовательности по резервному беспроводному каналу 5 связи.
Указанные технические преимущества полезной модели позволяют повысить качество оценки неисправностей каналов связи, и достичь заявленного технического результата, заключающегося в повышении вероятности правильного переключения с основных проводных каналов связи на резервный беспроводный и обратно в системах связи радиотехнического обеспечения полетов.
В итоге обеспечивается бесперебойная передача данных о воздушной обстановке и команд управления в системах связи радиотехнического обеспечения полетов.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства автоматической коммутации каналов (УАКК) связи для средств радиотехнического обеспечения полетов.
На фиг. 1 обозначены:
1 - блок сравнения качества основных проводных и резервного беспроводного каналов связи (БСК);
- модуль адаптации и обмена данными (МАОД) между основными проводными и резервным беспроводным каналами связи;
– микроконтроллер (МК) МАОД 1.1;
– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) МАОД 1.1;
– модуль коммутации Ethernet связи (КС);
- модуль вычисления и сравнения спектров (МВСС) аналоговых сигналов на входном и выходном конце проводного аналогового канала связи ТЧ;
- модуль сравнения импульсно-кодовых последовательностей (МИКП) цифровых сигналов на входном и выходном конце проводного цифрового канала связи;
- модуль памяти программ управления (МППУ) процессами преобразования и адаптации цифровых данных основных проводных и резервного беспроводного каналов связи
2 -  блок коммутаторов (БК) каналов связи:
2.1 - порт аналогового интерфейса для подключения проводного аналогового канала связи (ТЧ);
2.2 - порт цифрового интерфейса для подключения проводного цифрового канала связи (RS232);
2.3 - порт резервного канала связи для подключения резервного беспроводного цифрового канала связи (Eth);
3 – шины подключения основного проводного канала аналоговой связи тональной частоты (ТЧ):
3.1 – кабель ТЧ связи с центральным пунктом управления полетами (ЦПУ) 6;
3.2 - кабель ТЧ связи со средством радиотехнического обеспечения полетов (РТОП) 7;
4 - шины подключения основного проводного канала цифровой связи:
4.1 – кабель цифровой связи с центральным пунктом управления полетами (ЦПУ) 6;
4.2 - кабель цифровой связи со средством радиотехнического обеспечения полетов (РТОП) 7;
5 - шины подключения резервного беспроводного канала цифровой Ethernet-связи:
5.1 - радиолиния резервной связи с ЦПУ 6;
5.2 - радиолиния резервной связи с РТОП 7;
6 - центральный пункт управления полетами (ЦПУ);
7 - средства радиотехнического обеспечения полетов (РТОП).
Раскрытие сущности изобретения.
Согласно фиг. 1 устройство автоматической коммутации каналов (УАКК) связи для средств радиотехнического обеспечения полетов, содержащее цифровой блок 1 сравнения качества (БСК) основных проводных и резервного беспроводного каналов связи, соединенный через блок 2 коммутаторов (БК) каналов связи с шинами подключения соответствующих 3-5 каналов связи. Блоки БСК 1 и БК 2 установлены в общем корпусе, а шины подключения каналов 3-5 связи – на внешней поверхности корпуса УАКК.
Блок 1 сравнения качества (БСК) основных проводных 3 и 4 и резервного беспроводного 5 каналов связи выполнен с возможностью оценки пригодности для передачи данных аналоговой линии 3 связи по корреляции спектров аналоговых сигналов, а цифровой линии 4 связи - по совпадению импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов.
Для этого  БСК 1 содержит соединенные между собой интерфейсными линиями связи модуль 1.1 адаптации и обмена данными (МАОД)  между основными проводными и резервным беспроводным каналами связи, модуль 1.2 вычисления и сравнения спектров (МВСС) аналоговых сигналов основных проводных и резервного беспроводного каналов связи, модуль 1.3 сравнения импульсно-кодовых последовательностей (МИКП) цифровых сигналов основных проводных и резервного беспроводного каналов связи и модуль 1.4 памяти программ управления (МППУ) процессами преобразования и адаптации цифровых данных основных проводных и резервного беспроводного каналов связи.
МАОД 1.1 БСК 1 выполнен в виде микроЭВМ серии СМ-А20 и содержит установленные на интерфейсной плате сопряжения микроконтроллер (МК) 1.1.1, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 1.1.2 и модуль 1.1.3 коммутации Ethernet связи (КС), соединенный через порт 2.3 резервного канала связи с резервным беспроводным 5 каналом связи.
МК 1.1.1 МАОД 1.1 выполнен на базе микроЭВМ серии Allwinner A20.
МВСС 1.2 БСК 1 выполнен в виде микроконтроллера STM32 со встроенной программой быстрого преобразования Фурье (БПФ) амплитудно-временных характеристик (АВХ) аналоговых сигналов в амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) их спектра и программой сравнения спектров аналоговых сигналов на входном и выходном конце проводного аналогового канала связи тональной частоты (ТЧ). Микроконтроллер STM32 МВСС 1.2 соединен по входу через блок аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и порт 2.1 аналогового интерфейса с шинами 3 подключения основного проводного канала аналоговой связи, а по выходу – с МК 1.1.1 МАОД 1.1.
МИКП 1.3 БСК 1 выполнен в виде микроконтроллера STM32, снабженного корреляционной программой побайтового сравнения импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов на входном и выходном конце основного проводного цифрового канала связи через резервный беспроводный канал связи.
МППУ 1.4 БСК 1 выполнен в виде съемной SD card или Flash-памяти, а его программы выполнены на языке программирования Python для микроЭВМ серии СМ-А20 с операционной системой Linux, объем исходного текста программы – 9 Кб.
БСК 1 снабжен 64-контактным интерфейсным разъёмом для двунаправленного обмена и коммутации принимаемых сигналов с блоком 2 коммутаторов (БК) 2 каналов связи.
БК 2 выполнен с возможностью двухстороннего обмена данными с ЦПУ 6 и РТОП 7 тремя видами связи и содержит:
- порт 2.1 аналогового интерфейса (ТЧ) для подключения к его шинам 3 основных проводных аналоговых каналов 3.1-3.2 связи;
-  порт 2.2 цифрового интерфейса (RS232) для подключения к его шинам 4 основных проводных цифровых каналов 4.1-4.2 связи;
- порт 2.3 резервного канала связи для подключения его шинам 5 резервных беспроводных цифровых каналов 5.1-5.2 радиосвязи.
Работа устройства.
Устройство автоматической коммутации каналов (УАКК) связи работает следующим образом.
До момента включения УАКК центральный пункт управления полетами (ЦПУ) 6 соединен со средствами 7 радиотехнического обеспечения полетов (РТОП) кабелями основной аналоговой и цифровой связи через шины 3 и 4 портов 2.1 и 2.2 соответственно.
При включении УАКК начинается загрузка операционной системы МК Allwinner-A20 1.1.1 МАОД 1.1 и происходит начальная инициализация микроконтроллеров STM32 в МВСС 1.2 и в МИКП 1.3. Микроконтроллеры STM32 в МВСС 1.2 и в МИКП 1.3 инициализируются быстрее, чем успевает загрузится операционная система МК 1.1.1 МАОД 1.1.
Поэтому, после инициализации микроконтроллеры STM32 в МВСС 1.2 и в МИКП 1.3 ждут сигнала от МК 1.1.1 МАОД 1.1. После загрузки операционной системы с МППУ 1.4 начинает выполняться основная программа МК 1.1.1 МАОД 1.1 и подается сигнал всем контроллерам STM32 МВСС 1.2 и МИКП 1.3 о начале работы. При наличии входящих пакетов от МК 1.1.1 МАОД 1.1, МВСС 1.2 переключает реле порта 2.1 БК 2. При этом аналоговая линия связи 3.1 от оборудования ЦПУ 6 через порт ТЧ (ТЧ-вход/выход для оборудования) 2.1 подключается к входным интерфейсам МВСС 1.2, а выходные интерфейсы МВСС 1.2 подключаются через порт ТЧ 2.1 и шины 3 к аналоговым линиям основной проводной связи 3.2 на РТОП 7.
Аналоговый сигнал от оборудования ЦПУ 6 поступивший в МВСС 1.2 через порт ТЧ 2.1 БК 2 оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), сжимается и рассчитывается его спектр по алгоритму быстрого преобразования Фурье, после чего полученный сигнал идёт одновременно двумя путями.
Путь 1. Выполняется обратное цифроаналоговое преобразование (ЦАП) сигнала ЦПУ 6 в амплитудно-временные характеристики аналогового сигнала. При этом аналоговый сигнал ЦПУ 6 передаётся обратно в БК 2 на интерфейс ТЧ 2.1 и через вторую шину 3 переходит в основную проводную линию связи 3.2, ведущую на РТОП 7. На РТОП 7 аналоговый сигнал ЦПУ 6 обрабатывается в аналогичном УАКК, измеряется его спектр.
Путь 2. Сжатый сигнал вместе со своим спектром через МАОД 1.1, порт 2.3, шину 5 и резервный канал 5.2 УАКК ЦПУ 6 поступает на аналогичный МВСС 1.2 РТОП 7 через резервный беспроводной канал 5.2, шину 5, порт 2.3 и модуль МАОД 1.1 УАКК РТОП 7.
В МВСС 1.2 УАКК РТОП 7 производится сравнение спектров посланного с ЦПУ 6 и рассчитанного на РТОП 7 аналоговых сигналов.
Критерий принятия решения на переключение с основной проводной линии связи 3.2 на резервную беспроводную 5.2 средствами РТОП 7 выполняется методом сравнения спектров, рассчитанных для основной проводной линии связи 3.2 и резервной беспроводной линии связи 5.2 из условия:
, где
– спектр сигнала , от оборудования, рассчитанный на УАКК ЦПУ 6 и переданный на УАКК РТОП 7, через резервный беспроводной канал связи.
– спектр сигнала, рассчитанный на УАКК РТОП 7 после прохождения сигнала от оборудования через основную проводную линию аналоговой связи.
FFT – алгоритм быстрого преобразования Фурье МВСС 1.2;
– коэффициент корреляции спектров  и ,
– порог корреляции, менее которого, сигналы считаются несовпадающими при обрыве, коротком замыкании или ухудшении характеристик линии 3.1- 3.2 аналоговой связи.
После каждого пакета данных, пришедшего по резервному беспроводному 5.2 каналу связи от ЦПУ 6, рассчитывается коэффициент корреляции спектра сигнала, переданного в этом пакете данных, с имеющимся набором спектров сигнала, рассчитанных на РТОП 7 после прохождения через основную проводную линию связи 3.2 (основной канал). Если рассчитанный коэффициент корреляции менее заданного порога, наступает условие переключения потока данных с основного проводного канала связи на резервный беспроводной и отправляется команда «переключить канал» на ЦПУ 6.
Значение порога корреляции можно менять через Web-интерфейс в установленных пределах (на фигурах не показано).
В определённых случаях (отключение питания, извлечение БСК 1), аналоговый сигнал с ЦПУ 6 по кабелю 3.1, поступивший в БК 2 не передаётся в БСК 1, а сразу выдаётся через замкнутые шины 3 порта 2.1 ТЧ в проводную линию 3.1 -3.2 аналоговой связи ЦПУ 6 с РТОП 7.
Стабильная непрерывная работа системы, исключающая потерю данных, обеспечивается буферами данных до 200 миллисекунд.
УАКК позволяет работать с каналами ТЧ как в 4-х проводном режиме, так и в 2-х проводном режиме.
Для цифровых сигналов RS232 алгоритм работы системы аналогичен, за исключением, прохождение сигналов организовано через порты 2.2 RS232 БК 2, МИКП 1.3 МАОД 1.1. АЦП и ЦАП не задействуются, т.к. сигнал уже цифровой.  В МИКП 1.3 вместо корреляции спектров, выполняется побайтовое сравнение импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов, полученных по основному проводному цифровому каналу связи 4.2 и резервному беспроводному каналу связи 5.2.
По умолчанию принято, что сигнал, поступивший по резервному беспроводному каналу связи 5.1-5.2 – является эталонным. Если сигнал пришедший по основному проводному каналу связи не совпадает с эталоном при наличии сетевого обмена между ЦПУ 6 и РТОП 7, в МИКП 1.3 принимается решение на выбор резервного беспроводного канала связи 5.2, и одновременно происходит выдача команды на переход на резервный беспроводной канал связи 5.1. При совпадении сигналов принимается переход на основной проводной канал связи 4.2. Если по резервному беспроводному каналу связи перестали приходить пакеты, выбирается основной проводной канал связи 4.2.
Для исключения ложных срабатываний и потери данных предусмотрены буферы данных до 200 миллисекунд.
Промышленная применимость.
Изобретение разработано на уровне рабочей документации и опытного образца УАКК для системы связи в целях радиотехнического обеспечения полетов. Опытные испытания УАКК показали надежность и стабильность связи, за счёт исключения ложных срабатываний, при оперативном управлении и контроле работы средств РТОП, в реальном масштабе времени.
Готовится промышленное освоение УАКК для существующей и перспективной систем связи и передачи данных управления и контроля средств РТОП.