Система автоматической коммутации каналов связи и управления для средств радиотехнического обеспечения полетов
SYSTEM FOR AUTOMATIC SWITCHING OF COMMUNICATION AND CONTROL CHANNELS FOR RADIO FLIGHT SUPPORT FACILITIES

Область техники. Изобретение относится к системам управления воздушным движением, конкретно к системе автоматической коммутации каналов (САКК) связи и управления для средств радиотехнического обеспечения полетов (РТОП) и управления воздушным движением (УВД).
Уровень техники.
Известны системы ручной и полуавтоматической коммутации каналов связи и управления для РТОП и УВД /Авторское свидетельство SU 1252269, RU 1826136, RU 2143788/.
Недостатком известных систем коммутации каналов связи, является недостаточная производительность, связанная с недостаточной автоматизацией каналов связи.
Для современных систем связи и УВД /RU 118092/, разработанных Заявителем требуются системы автоматической коммутации каналов (САКК) связи, пригодные для оперативного переключения каналов связи, надежной работы в РТОП и УВД различных производителей.
Таких САКК в известном уровне техники не обнаружено.
Задачей изобретения является повышение производительности и надежности САКК в РТОП и УВД различных производителей, а техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи - разработка СААК, обеспечивающей оперативный автоматический переход, с отказавшего канала на резервный, и обратно при восстановлении основного канала, в реальном масштабе времени, обеспечение доступа к среде Ethernet и унификация применения с оборудованием РТОП разных производителей.
Сущность изобретения.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что система 1 автоматической коммутации каналов (САКК) связи и управления для средств радиотехнического обеспечения полетов содержит блок 2 автоматических переключателей (АПК) каналов связи с модулем 3 настройки Ethernet - связи, установленных на диспетчерском пункте 4 управления (ДПУ) воздушным движением, и по одному аналогичному АПК для каждого исполнительного средства (ИС) 5.1 на удаленных объектах 5 радиотехнического обеспечения полетов (РТОП). Каждый АПК 2 ДПУ 4 и соответствующий АПК 2 РТОП 5 соединены между собой кабельной линией 6.1-6.2 аналоговой связи тональной частоты (ТЧ - связи), кабельной линией 6.3, 6.4 цифровой связи и радиолинией 7.1, 7.2 резервной связи. АПК 2 выполнен универсальным и содержит блок 2.1 сравнения качества (БСК) основных проводных и резервного беспроводного каналов связи, соединенный через блок 2.2 коммутаторов (БК) каналов связи с шинами 3, 4, 5 подключения соответствующих каналов 6, 7 связи. При этом БСК 2.1 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, проходящих через соответствующие основные проводные 6 и резервный 7 беспроводный канал связи. Для этого БСК 2.1 содержит соединенные между собой интерфейсными линиями связи модуль 2.1.1 адаптации и обмена данными (МАОД) между основными проводными 6 и резервным 7 беспроводным каналами связи, модуль 2.1.2 вычисления и сравнения спектров (МВСС) аналоговых сигналов основных проводных 6 и резервного 7 беспроводного каналов связи, модуль 2.1.3 сравнения импульсно-кодовых последовательностей (МИКП) цифровых сигналов основных проводных 6 и резервного 7 беспроводного каналов связи и модуль 2.1.4 памяти программ управления (МППУ) процессами преобразования и адаптации цифровых данных основных проводных 6 и резервного 7 беспроводного каналов связи. БК 2.2 содержит порты 2.2.1 аналогового интерфейса, порты 2.2.2 цифрового интерфейса для обмена с соответствующими шинами 3, 4 подключения основных проводных линий связи и порт 2.2.3 - резервного канала связи для двунаправленного обмена сигнальной информацией с резервным 7 беспроводным каналом связи.
Доказательство достижения заявленного технического результата и решение поставленной задачи.
Выполнение САКК 1 на универсальных АПК 2 позволяет контролировать качество связи и своевременно, без участия оператора, автоматически переключать связь между ОКУ 4.1 и ИС 5.1 с основных на резервные линии связи и обратно. Этим обеспечивается повышение надежности и оперативности управления средствами РТОП. Выполнение АПК 2 универсальным и включающим цифровой блок 2.1 сравнения качества (БСК) основных проводных и резервного беспроводного каналов связи, соединенный через блок 2.2 коммутаторов (БК) каналов связи с шинами 3, 4, 5 подключения соответствующих каналов 6, 7 связи, применимо к системам связи и управления воздушным движением (УВД), разных производителей оборудования. То есть. обладает унификацией как технического плана, так и системного подхода к автоматизации процесса. Доступ к среде Ethernet позволяет подключиться в локальную вычислительную сеть (ЛВС) и к беспроводным линиям связи 7, выполнять мониторинг и настройку САКК 1 через модуль 3 настройки с ДПУ 4 или дистанционно из любого места при наличии сетевого доступа к модулю 3.
В целом указанные технические преимущества САКК 1 позволяют обеспечить бесперебойную передачу данных и команд управления в РТОП и УВД.
Ссылка на чертежи.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1- фиг.2.
На фиг.1 представлена функциональная схема системы автоматической коммутации каналов (САКК) связи для радиотехнического обеспечения полетов авиации в системе управления воздушным движением.
На фиг.2 - функциональная схема устройства автоматической коммутации каналов (УАКК) связи САКК.
На фиг.1-2 позициями обозначены:
1 - система автоматической коммутации каналов (САКК) связи для радиотехнического обеспечения полетов;
2 -автоматический переключатель каналов (АПК) связи САКК 1;
2.1 - блок сравнения качества основных проводных и резервного беспроводного каналов связи (БСК);
2.1.1- модуль адаптации и обмена данными (МАОД) между основными проводными и резервным беспроводным каналами связи;
2.1.1.2- микроконтроллер (МК) МАОД 1.1;
2.1.1.2- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) МАОД 1.1;
2.1.1.3- модуль коммутации Ethernet связи (КС);
2.1.2 - модуль вычисления и сравнения спектров (МВСС) аналоговых сигналов на входном и выходном конце проводного аналогового канала связи ТЧ;
2.1.3 - модуль сравнения импульсно-кодовых последовательностей (МИКП) цифровых сигналов на входном и выходном конце проводного цифрового канала связи;
2.1.4 -модуль памяти программ управления (МППУ) процессами преобразования и адаптации цифровых данных основных проводных и резервного беспроводного каналов связи
2.2 - блок коммутаторов (БК) каналов связи:
2.2.1 - порт аналогового интерфейса для подключения проводного аналогового канала связи (ТЧ);
2.2.2 - порт цифрового интерфейса для подключения проводного цифрового канала связи (RS232);
2.2.3 - порт резервного канала связи для подключения резервного беспроводного цифрового канала связи (Eth);
2.3 - шины подключения основного проводного канала аналоговой связи тональной частоты (ТЧ):
2.4 - шины подключения основного проводного канала цифровой связи:
2.4.1 - кабель цифровой связи с диспетчерским пунктом управления полетами (ЦПУ) 6;
2.4.2 - кабель цифровой связи со средством радиотехнического обеспечения полетов (РТОП);
2.5 - шины подключения резервного беспроводного канала цифровой Ethernet-связи:
2.5.1 - радиолиния резервной связи с ДПУ 4;
2.5.2 - радиолиния резервной связи с РТОП 7;
3 - модуль настройки Ethernet - связи САКК 1;
4 - диспетчерский пункт управления полетами (ДПУ);
4.1 - оборудование контроля и управления (ОКУ) удаленными объектами;
4.2 - коммутатор Ethernet ДПУ 4;
5 - удаленные объекты радиотехнического обеспечения полетов (РТОП);
5.1 - исполнительные средства (ИС) объектов РТОП 5;
5.2 - коммутатор Ethernet РТОП 5;
6 - кабели основной связи;
6.1 - кабель ТЧ связи АПК 2 с ОКУ 4.1;
6.2 - кабель ТЧ связи АПК 2 с ИС 5.1;
6.3 - кабель цифровой связи АПК 2 с ОКУ 4.1;
6.4 - кабель цифровой связи АПК 2 с ИС 5.1;
7 - кабели резервной связи
7.1 - кабель цифровой радиосвязи АПК 2 с ОКУ 4.1;
7.2 - кабель цифровой связи АПК 2 с ИС 5.1.
Раскрытие сущности изобретения
Согласно фиг.1 и фиг.2 система 1 автоматической коммутации каналов (САКК) связи и управления для средств радиотехнического обеспечения полетов содержит блок 2 автоматических переключателей (АПК) каналов связи с модулем 3 настройки Ethernet - связи, установленных на диспетчерском пункте 4 управления (ДПУ) воздушным движением, и по одному аналогичному АПК для каждого исполнительного средства (ИС) 5.1 на удаленных объектах 5 радиотехнического обеспечения полетов (РТОП). Каждый АПК 2 ДПУ 4 и соответствующий АПК 2 РТОП 5 соединены между собой кабельной линией 6.1-6.2 аналоговой связи тональной частоты (ТЧ - связи), кабельной линией 6.3, 6.4 цифровой связи и радиолинией 7.1, 7.2 резервной связи. АПК 2 выполнен универсальным и содержит блок 2.1 сравнения качества (БСК) основных проводных и резервного беспроводного каналов связи, соединенный через блок 2.2 коммутаторов (БК) каналов связи с шинами 3, 4, 5 подключения соответствующих каналов 6, 7 связи. При этом БСК 2.1 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, проходящих через соответствующие основные проводные 6 и резервный 7 беспроводный канал связи. Для этого БСК 2.1 содержит соединенные между собой интерфейсными линиями связи модуль 2.1.1 адаптации и обмена данными (МАОД) между основными проводными 6 и резервным 7 беспроводным каналами связи, модуль 2.1.2 вычисления и сравнения спектров (МВСС) аналоговых сигналов основных проводных 6 и резервного 7 беспроводного каналов связи, модуль 2.1.3 сравнения импульсно-кодовых последовательностей (МИКП) цифровых сигналов основных проводных 6 и резервного 7 беспроводного каналов связи и модуль 2.1.4 памяти программ управления (МППУ) процессами преобразования и адаптации цифровых данных основных проводных 6 и резервного 7 беспроводного каналов связи. БК 2.2 содержит порты 2.2.1 аналогового интерфейса, порты 2.2.2 цифрового интерфейса для обмена с соответствующими шинами 3, 4 подключения основных проводных линий связи и порт 2.2.3 - резервного канала связи для двунаправленного обмена сигнальной информацией с резервным 7 беспроводным каналом связи. МППУ 2.1.4 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 2.1 и БК 2.2 установлены на отдельных платах и соединены между собой 64-контактным интерфейсным разъемом для двунаправленного обмена и коммутации принимаемых сигналов. МАОД 2.1.1 выполнен в виде микроЭВМ серии СМ-А20 и содержит установленные на интерфейсной плате сопряжения микроконтроллер 2.1.1.1, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 2.1.1.2 и модуль 2.1.1.3 коммутации (КС) Ethernet связи, соединенный через порт 2.2.3 резервного канала связи с шинами подключения резервного 7 беспроводного канала связи. Микроконтроллер 2.1.1.1 выполнен на базе микроЭВМ серии Allwinner A20. МВСС 2.1.2 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. Микроконтроллер STM32 соединен по входу через блок аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с портом 2.2.1 аналогового интерфейса с шинами подключения проводного 3 канала аналоговой связи, а по выходу - с микроконтроллером 2.1.1.1 МАОД 2.1.1. МИКП 2.1.3 выполнен в виде микроконтроллера STM32, снабженного корреляционной программой побайтового сравнения цифровых сигналов основных проводных и резервного беспроводного каналов связи. МИКП 2.1.3 соединен по входу через порт 2.2.2 цифрового интерфейса блока 2.2 коммутаторов с шинами 4 подключения проводного 6 канала цифровой связи, а по выходу - с микроконтроллером 2.1.1 1 МАОД 2.1.1.
Работа САКК.
Система автоматической коммутации каналов (САКК) связи работает следующим образом.
До момента включения САКК 1 аппаратура контроля и управления (ОКУ) 4.1 диспетчерского пункта управления полетами (ДПУ) 4 соединена с исполнительными средствами (ИС) 5.1 удаленных объектов РТОП кабелями 6 основной аналоговой 6.1 и цифровой 6.2 связи через шины 3 и 4 портов 2.2.1 и 2.2.2 соответственно.
При включении САКК 1 начинается загрузка операционной системы МК Allwinner-A20 2.1.1.1 МАОД 2.1.1 всех АПК 2 и происходит начальная инициализация их микроконтроллеров STM32 в МВСС 2.1.2 и в МИКП 2.1.3. Микроконтроллеры STM32 в МВСС 2.1.2 и в МИКП 2.1.3 инициализируются быстрее, чем успевает загрузится операционная система МК 2.1.1.1 МАОД 2.1.1.
Поэтому, после инициализации микроконтроллеры STM32 в МВСС 2.1.2 и в МИКП 2.1.3 ждут сигнала от МК 2.1.1.1 МАОД 2.1.1. После загрузки операционной системы с МППУ 2.1.4 начинает выполняться основная программа МК 2.1.1.1 МАОД 2.1.1 и подается сигнал всем контроллерам STM32 МВСС 2.1.2 и МИКП 2.1.3 о начале работы. При наличии входящих пакетов от МК 2.1.1.1 МАОД 2.1.1, МВСС 2.1.2 переключает реле порта 2.2.1 БК 2.2. При этом аналоговая линия связи 6.1 от оборудования ДПУ 6 через порт ТЧ (ТЧ-вход/выход для оборудования) 2.2.1 подключается к входным интерфейсам МВСС 2.1.2, а выходные интерфейсы МВСС 2.1.2 подключаются через порт ТЧ 2.2.1 и шины 3 к аналоговым линиям основной проводной связи 6.2 на ИС 5.1 РТОП 5.
Аналоговый сигнал от оборудования 4.1 ДПУ 6 поступивший в МВСС 2.1.2 через порт ТЧ 2.2.1 БК 2.2 оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), сжимается и рассчитывается его спектр по алгоритму быстрого преобразования Фурье, после чего полученный сигнал идет одновременно двумя путями.
Путь 1. Выполняется обратное цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) сигнала ДПУ 4 в амплитудно-временные характеристики аналогового сигнала. При этом аналоговый сигнал ДПУ 4 передается обратно в БК 2.2 на интерфейс ТЧ 2.2.1 и через вторую шину 3 переходит в основную проводную линию связи 6.2, ведущую на ИС 5.1 РТОП 5. На ИС 5.1 аналоговый сигнал ОКУ 4.1 ДПУ 4 обрабатывается в аналогичном АПК 2, измеряется его спектр.
Путь 2. Сжатый сигнал вместе со своим спектром через МАОД 2.1.1, порт 2.2.3, шину 5 и резервный канал 7.1 АПК 2 ДПУ 4 поступает на аналогичный МВСС 2.1.2 ИС 5.1 РТОП 5 через резервный беспроводной канал 7.2, шину 5, порт 2.2.3 и модуль МАОД 2.1.1 АПК 2 ИС 5.1 РТОП 5.
В МВСС 2.1.2 ИС 5.1 РТОП 5 производится сравнение спектров посланного с ДПУ 4 и рассчитанного на РТОП 5 аналоговых сигналов.
Критерий принятия решения на переключение с основной проводной линии связи 6.2 на резервную беспроводную 7.2 ИС 5.1 РТОП 5 выполняется методом сравнения спектров, рассчитанных для основной проводной линии связи 6.2 и резервной беспроводной линии связи 7.2 из условия:
, где:
- спектр сигнала , от оборудования, рассчитанный на АПК 2 ДПУ 4 и переданный на ИС 5.1 РТОП 5, через резервный беспроводной канал 7 связи.
- спектр сигнала, рассчитанный на АПК 2 РТОП 5 после прохождения сигнала от оборудования через основную проводную линию аналоговой связи.
FFT -
алгоритм быстрого преобразования Фурье МВСС 2.1.2;
- коэффициент корреляции спектров  и ,
- порог корреляции, менее которого, сигналы считаются несовпадающими при обрыве, коротком замыкании или ухудшении характеристик линии 6.1- 6.2 аналоговой связи.
После каждого пакета данных, пришедшего по резервному беспроводному 7.2 каналу связи от ДПУ 4, рассчитывается коэффициент корреляции спектра сигнала, переданного в этом пакете данных, с имеющимся набором спектров сигнала, рассчитанных на РТОП 5 после прохождения через основную проводную линию связи 6.2 (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 ДПУ 4.
Значение порога корреляции можно менять через Web-интерфейс в установленных пределах (на фигурах не показано).
В определенных случаях (отключение питания, извлечение БСК 2.1), аналоговый сигнал с ДПУ 4 по кабелю 6.1, поступивший в БК 2.2 не передается в БСК 2.1, а сразу выдается через замкнутые шины 3 порта 2.2.1 ТЧ в проводную линию 6.1 -6.2 аналоговой связи ЦПУ 4 с РТОП 5.
Стабильная непрерывная работа системы, исключающая потерю данных, обеспечивается буферами данных до 200 миллисекунд.
САКК 2 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 2.2.2 RS232 БК 2.2, МИКП 2.1.3 МАОД 2.1.1. АЦП и ЦАП не задействуются, т.к. сигнал уже цифровой. В МИКП 2.1.3 вместо корреляции спектров, выполняется побайтовое сравнение импульсно-кодовых последовательностей цифровых сигналов, полученных по основному проводному цифровому каналу связи 6.2 и резервному беспроводному каналу связи 7.2.
По умолчанию принято, что сигнал, поступивший по резервному беспроводному каналу связи 7.1-7.2 - является эталонным. Если сигнал пришедший по основному проводному каналу связи не совпадает с эталоном при наличии сетевого обмена между ЦПУ 4 и РТОП 5, в МИКП 2.1.3 принимается решение на выбор резервного беспроводного канала связи 7.2, и одновременно происходит выдача команды на переход на резервный беспроводной канал связи 7.1. При совпадении сигналов принимается переход на основной проводной канал связи 6.2. Если по резервному беспроводному каналу связи 7.2 перестали приходить пакеты, выбирается основной проводной канал связи 6.2.
Для исключения ложных срабатываний и потери данных предусмотрены буферы данных до 200 миллисекунд.
Промышленная применимость.
Изобретение разработано на уровне рабочей документации и опытного образца САКК 1 для системы связи радиотехнического обеспечения полетов. Опытные испытания САКК в Шереметьевском центре УВД показали надежность и стабильность связи, за счет исключения ложных срабатываний, при оперативном управлении и контроле работы средств РТОП, в реальном масштабе времени.
Готовится промышленное освоения САКК 1 для существующей и перспективной системы связи и передачи данных управления и контроля средств РТОП.