陳 寶, 高仲輝, 郝立勇

(1.中國民用航空局空中交通管理局,北京 100125;2.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽 合肥230088;3.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

天氣雷達是機場綜合氣象觀測系統(tǒng)的重要組成部分,是航空運輸保障的重要探測設備之一。航空氣象服務保障的特殊性要求預報人員做出準確的天氣預警預報,空中交通管制人員利用天氣雷達實時探測信息,發(fā)現(xiàn)和跟蹤雷暴位置、強度及變化、移動方位和速度,在天氣雷達探測到較弱雷暴的情況下,有的放矢地指揮飛機進離場或繞飛;在雷暴天氣特別強烈的情況下,果斷地指揮飛機備降或返航。天氣雷達探測是惡劣天氣下管制調(diào)配的重要依據(jù),既保證處在惡劣天氣中的航空器的安全,同時又保障了人民生命財產(chǎn)以及航空公司和機場的經(jīng)濟效益免遭損失。因此,航空運輸安全保障要求天氣雷達在任何條件下都能連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地運行。

中國現(xiàn)役航空天氣雷達系統(tǒng)幾乎全部采用單機體制,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,極易造成停機,結果將嚴重影響航空運輸?shù)臍庀蟊Ｕ?。美國FAA列裝在機場的終端區(qū)多普勒天氣雷達(TDWR)除了雷達天饋系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)為單機體制外,其主體組成部分(發(fā)射機、接收機、信號處理器、遠程遙控終端主機等)采用雙機體制,并實現(xiàn)自動切換[1]。航管二次雷達采用了相似的結構,以保證工作的穩(wěn)定可靠。雙機備份技術是增加系統(tǒng)可靠性、增強機場氣象保障能力的重要手段[2]。

1 雙機備份技術設計思路

機場多普勒天氣雷達由天饋分系統(tǒng)(含天線罩、天線轉(zhuǎn)臺和饋線)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)(也稱終端分系統(tǒng))以及配電分系統(tǒng)等組成[3]。

雙機備份技術即除了天饋系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)為單機體制外,主體部分(發(fā)射機、接收機、信號處理器、遠程遙控終端主機)采用雙機體制,各分系統(tǒng)包括兩套獨立的設備,互為冗余備份,可在監(jiān)控系統(tǒng)冗余控制板的控制下進行自動重組、無縫切換,并可在線維修,實現(xiàn)MTBCF≥10000小時[4]。

天氣雷達在總體設計思想上,采用目前國內(nèi)外最新且成熟的雷達技術、計算機技術和網(wǎng)絡通訊技術;在軟件設計上,融合氣象專家多年的寶貴經(jīng)驗,結合民航氣象部門的使用特點;在應用目標上,滿足中華人民共和國民用航空行業(yè)標準,適合民航機場保障要求[4]。

隨著業(yè)務應用的發(fā)展,終端系統(tǒng)的軟硬件具有持續(xù)的可升級和再開發(fā)能力。天氣雷達操作簡便,設置便捷,維護方便并具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和可維性,擁有完善、穩(wěn)定的安全保護措施,具有無人職守全天候連續(xù)工作的能力和良好的環(huán)境適應性。整個雷達系統(tǒng)可在本地(雷達站)和遠程(氣象臺)具有功能相同的控制、產(chǎn)品顯示和測試維護能力。

2 雙機備份雷達系統(tǒng)組成及基本工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

天氣雷達整機在總體布局上分為天線單元、主機單元、終端單元3部分。這3個部分分別安置在雷達塔頂、雷達站主機房和航管樓氣象臺內(nèi)。

天線單元為室外設備,主要包括天線罩、天線反射面、室外饋線、天線轉(zhuǎn)臺等設備。為保證安全,天線單元安裝避雷裝置和航空障礙燈。

主機單元主要包括兩個發(fā)射機柜、兩個接收機柜,放置在雷達主機房內(nèi)。同時還包括一些饋線及輔助設備。

終端單元主要包括雷達數(shù)據(jù)處理服務器、控制維護工作站、預報工作站、用戶終端、網(wǎng)絡交換機等硬件設備和在其中運行的軟件系統(tǒng)。

圖1 天氣雷達組成框圖

2.2 基本工作原理

天氣雷達為全相參多普勒天氣雷達,即雷達的發(fā)射信號、本振信號和相參基準信號都是由一個高穩(wěn)定度和高純度的主振源同步產(chǎn)生,之間保持著嚴格的、固定的相位關系。雷達通過發(fā)射高功率的微波脈沖信號,借助于云、雨等氣象目標的后向散射檢測、分析和確定降水目標。根據(jù)回波信息,測量其強度以及運動的徑向速度和譜寬[5]。雷達整機的工作過程簡單描述如下。

接收分系統(tǒng)中的激勵源輸出頻率遙控可改變的射頻激勵信號,送入發(fā)射分系統(tǒng),經(jīng)固態(tài)功率放大器后,進入速調(diào)管放大,在系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制下,選擇一套發(fā)射機處于高壓工作,輸出峰值功率大于250kW的射頻脈沖信號,經(jīng)過饋線到達天線向空間定向輻射。天線定向輻射的電磁波遇到云、雨等降水目標時,便會發(fā)生后向散射,形成氣象目標的射頻回波信號被天線接收。

接收到的微弱射頻回波信號,經(jīng)過饋線送往接收分系統(tǒng)。接收分系統(tǒng)的同軸射頻冗余開關,在雷達監(jiān)控系統(tǒng)的控制下,將回波信號送至任一接收通道,經(jīng)過兩路射頻放大和變頻(高靈敏度通道和低靈敏度通道),成為60MHz的中頻回波信號,送至數(shù)字接收機直接進行中頻采樣。

中頻接收分機為高性能的數(shù)字中頻接收機,在結構上與信號處理器、監(jiān)控板及冗余控制配置在綜合分機中。在監(jiān)控系統(tǒng)的控制下,選擇處于工作狀態(tài)的接收機的中頻信號,進行處理后輸出兩路16位I、Q正交信號,通過光纖送往信號處理分系統(tǒng)。

信號處理分系統(tǒng)將兩路I、Q正交信號,作平方律平均處理、地物雜波對消處理,和拼接處理后,得到反射率的估測值;并通過脈沖對處理(PPP)或快速傅里葉變換(FFT)處理,從而得到散射粒子群的平均徑向速度 V和速度的平均起伏即速度譜寬W。并將處理后的回波數(shù)據(jù)及GPS傳入的時間,以TCP/IP協(xié)議格式傳輸至終端系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控板和冗余控制板,負責對雷達全機的監(jiān)測和控制。自動檢測、搜集雷達各分系統(tǒng)的故障信息和狀態(tài),送往終端分系統(tǒng)。并將終端分系統(tǒng)發(fā)出各種控制指令和工作參數(shù)指令,轉(zhuǎn)發(fā)至各相應的分系統(tǒng),完成相應的控制操作和工作參數(shù)設置。同時,監(jiān)控系統(tǒng)是雙備份系統(tǒng)設備切換的控制中心,雷達正常運行時,監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出初始化指令,將各分系統(tǒng)的主通道設備設置為工作狀態(tài),備份通道處于熱備份狀態(tài),當某一設備發(fā)生故障時,監(jiān)控系統(tǒng)自動檢測故障信息,并根據(jù)故障信息自動切換至相應的備份通道,并控制其他相關系統(tǒng)或開關器件,完成系統(tǒng)設備自動重組,保證系統(tǒng)正常運行;同時隔離故障設備,實現(xiàn)故障設備在線維修功能。

伺服分系統(tǒng)接收監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令,完成天線方位和俯仰掃描控制;同時將天線的實時方位角、仰角數(shù)據(jù)送往信號處理分系統(tǒng)。伺服分系統(tǒng)中的伺服分機及驅(qū)動電機、角度傳感設備為雙套獨立系統(tǒng),兩套系統(tǒng)同時在線工作,驅(qū)動電機可通過超越離合器脫離嚙合或進入嚙合狀態(tài)。

終端分系統(tǒng)對于信號處理分系統(tǒng)的雷達探測氣象目標回波的原始數(shù)據(jù)、天線角度信號,以及GPS時鐘進行采集、處理,以PPI、RHI、體掃等工作方式,實時顯示回波圖像,并將數(shù)據(jù)存儲,自動生成航空氣象保障所需的各種天氣預報和天氣監(jiān)測用的圖像、圖形、曲線等氣象產(chǎn)品。軟件設計滿足兩套以上主/備方式在線工作,并通過網(wǎng)絡互相訪問和監(jiān)測軟件運行情況,實現(xiàn)互為備份。

3 各分系統(tǒng)技術方案

3.1 發(fā)射分系統(tǒng)

雷達發(fā)射分系統(tǒng)采用全相參速調(diào)管放大鏈式工作方式,包含兩套相同的發(fā)射機,互為冗余備份,可以在線維修。發(fā)射機A正常工作,發(fā)射機B開機預熱,處于準加狀態(tài),波導開關選通發(fā)射機A的功率輸出,將大功率脈沖信號通過饋線傳輸至天線再輻射到空間;當發(fā)射機A出現(xiàn)故障時,A發(fā)射機高壓自動跳閘并與故障連鎖,此時雷達監(jiān)控系統(tǒng)自動控制大功率波導開關選擇發(fā)射機B輸出,同時發(fā)射機B受監(jiān)控系統(tǒng)控制開始加高壓工作。

3.2 接收分系統(tǒng)

接收機分系統(tǒng)是全相參、超外差二次變頻式數(shù)字化接收機,具有大動態(tài)、低噪聲、靈敏度高等特點。采用冗余結構設計,包含兩套獨立的接收分機和同軸冗余開關,每套接收分機包括接收通道分機、頻率源分機、激勵源分機;兩套接收分機單獨供電,設備故障時可在線維修;另外設計標定/BIT分機實現(xiàn)系統(tǒng)自動標校和故障檢測。

具體工作過程為:來自天線的回波信號經(jīng)TR管和PIN開關保護后,由同軸電纜送至接收分系統(tǒng)的冗余開關,開關在監(jiān)控系統(tǒng)的控制下,選擇回波信號進入接收機A的接收通道分機(或接收機B的接收通道分機)。為了防止非同步強干擾信號對接收前端的損傷,在低噪聲放大器(LNA)的前面還裝有限幅器,經(jīng)過低噪聲放大器放大后分為兩路信號,兩路信號分別進入高靈敏度通道和低靈敏度通道,在各自接收通道內(nèi)進行放大、兩次下變頻,然后送入雙通道數(shù)字中頻接收機,直接進行相位檢波和A/D采樣,得到兩路I/Q信號,送信號處理系統(tǒng)。

3.3 信號處理分系統(tǒng)

信號處理分系統(tǒng)采用模塊化設計,所有的功能均由一塊插件完成。結構設計與數(shù)字接收機、監(jiān)控板、冗余控制插件共同配置在綜合分機中,系統(tǒng)采用冗余結構設計,配置兩臺互為冗余備份的綜合分機。

系統(tǒng)對接收分系統(tǒng)輸出的兩路16位數(shù)字I、Q信號首先進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,以便與DSP進行正確數(shù)據(jù)接口。I、Q信號經(jīng)過DVIP處理得到氣象目標的強度估值,經(jīng)過FFT/PPP處理得到氣象目標的平均多普勒速度和速度譜寬。然后對兩路信號進行拼接處理后輸出至數(shù)據(jù)緩存接口,最后數(shù)據(jù)以標準TCP/IP協(xié)議輸出。兩路信號處理輸出數(shù)據(jù)以網(wǎng)線形式進入綜合機柜的HUB,再傳輸?shù)浇K端系統(tǒng);兩路信號處理數(shù)據(jù)的輸出受監(jiān)控系統(tǒng)的冗余控制插件控制并連鎖,實際工作時同一時間只有一路信號處理輸出有數(shù)據(jù),另一路輸出網(wǎng)絡接口受控截止。

3.4 伺服分系統(tǒng)

伺服分系統(tǒng)根據(jù)控制指令的要求,控制天線作各種模式的掃描運動,同時向信號處理器提供天線的方位、俯仰角度和天線狀態(tài)信號,并向監(jiān)控分系統(tǒng)回饋伺服分系統(tǒng)的故障信息。雷達選用全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動裝置,采用旋轉(zhuǎn)變壓器和R/D變換模塊作為位置監(jiān)測元件,各種掃描方式均用軟件控制完成。整個系統(tǒng)具有控制靈活、體積小、重量輕、可靠性高和電機免維護等特點。

系統(tǒng)亦采用冗余結構設計,主要由伺服分機和配置在天線轉(zhuǎn)臺中的電機、減速機、超越離合器、旋轉(zhuǎn)變壓器等組成,其中伺服分機和電機、減速機、超越離合器等驅(qū)動裝置及旋轉(zhuǎn)變壓器角度傳感裝置均采用雙備份設計,組成兩套獨立的控制、驅(qū)動及角度檢測系統(tǒng)。在天線正常運轉(zhuǎn)的情況下,可以將任一驅(qū)動電機通過超越離合器脫離嚙合或進入嚙合狀態(tài),以支持驅(qū)動機構的在線維修。通常天線轉(zhuǎn)臺只需使用一臺電機驅(qū)動,兩套驅(qū)動設備可以輪換工作;但在特殊條件下,也可使用兩臺電機同時驅(qū)動。

3.5 數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)

系統(tǒng)采用一個高速局域網(wǎng)進行互連,按照安裝地點分為雷達樓(雷達站)、航管樓氣象臺兩個組成部分,兩地間用千兆單模光纖相連接,雷達終端組成框圖如圖2所示。

3.5.1 雷達樓主要設備

(1)數(shù)據(jù)處理服務器:由互為備份的兩臺品牌服務器組成,負責回波數(shù)據(jù)接收、氣象產(chǎn)品的生成和所有資料的保存。

(2)控制維護工作站:由互為備份的兩臺品牌工作站,主要負責雷達設備的控制、主要工作參數(shù)的監(jiān)測、日常維護維修等。

(3)網(wǎng)絡交換機:完成雷達樓網(wǎng)絡和航管樓網(wǎng)絡的鏈接,組成局域網(wǎng)。

3.5.2 航管樓氣象臺主要設備

(1)預報工作站:負責雷達設備的工作任務設置,所有資料的存儲、發(fā)布和查閱。

(2)用戶終端:品牌商用計算機,負責所有資料的查閱。

(3)交換機:完成雷達樓網(wǎng)絡、氣象樓網(wǎng)絡和航管樓網(wǎng)絡的鏈接,組成局域網(wǎng)。

3.5.3 終端軟件組成

軟件部分包含數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)據(jù)服務軟件、控制維護軟件、預報工作站軟件、數(shù)據(jù)瀏覽軟件5個部分。數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)服務軟件運行在數(shù)據(jù)處理服務器上,控制維護軟件運行在控制維護工作站上,預報工作站軟件運行在預報工作站,數(shù)據(jù)瀏覽軟件運行在用戶終端上。控制維護軟件和預報工作站軟件均具有遠程工作能力。各軟件之間通過TCP/IP網(wǎng)絡互相連接,相同軟件可同時在兩臺以上終端設備上運行,但同一時間只有一臺具有完全控制功能,其余為熱備份狀態(tài)。各軟件之間通過網(wǎng)絡互相傳遞信息,當某一軟件故障時,備份軟件可自動開始工作。

可見,系統(tǒng)軟件的核心功能是實現(xiàn)兩套互為熱備的控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管控,以確保系統(tǒng)對外的控制功能具有在線熱備的功能,概括起來,軟件設計具有以下功能特點:

(1)高速性:系統(tǒng)軟件滿足高速運行,對外實現(xiàn)精準的數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集與控制,并在主控單元崩潰失效后,以較短的時間,完成主備用軟件系統(tǒng)的自動切換。

圖2 雷達終端組成框圖

(2)同步性:兩套互為主備的軟件控制系統(tǒng)保持相互運行的同步性要求,并在主備角色切換時,確保對硬件設備的輸出控制平滑無擾動,這一點,單純從完全對稱的硬件結構設計是無法保證的,必須做出針對性的軟件任務調(diào)度設計和數(shù)據(jù)同步方面的處理。這也是整個系統(tǒng)軟件的核心所在。

(3)對稱性:系統(tǒng)設計不僅需要實現(xiàn)硬件方面的對稱性,而且需要實現(xiàn)純粹的軟件對稱、同一性,即兩套軟件控制系統(tǒng)

內(nèi)部軟件完全一樣。這是在系統(tǒng)時間投運后,用戶得以正常進行日常軟硬件維護工作的客戶要求[6]。

圖3 雷達可靠性模型框圖

4 系統(tǒng)可靠性分析

雷達的可靠性指標為 MTBF≥600小時,MTTR≤30分鐘。因而,對應的雷達系統(tǒng)可用度為 A=0.999961[7]。具體的系統(tǒng)可靠性(MTBCF)估算如下:

天饋MTBCF1=30000小時,MTTR1=0.2小時

伺服MTBF2=5000小時,MTTR3=0.45小時

伺服系統(tǒng)有兩套互為冗余的伺服分機及驅(qū)動機構,允許一套伺服分機及驅(qū)動機構故障的系統(tǒng)可靠性為:

發(fā)射MTBF3=1700小時,MTTR3=0.62小時

發(fā)射分系統(tǒng)有兩套互為冗余的發(fā)射分機組成,允許一套發(fā)射分機故障的系統(tǒng)可靠性為:

接收 MTBF4=4800小時,MTTR4=0.45小時

接收分系統(tǒng)有兩套互為冗余的接收機組成,允許一套接收機故障的系統(tǒng)可靠性為:

信號處理MTBF5=6000小時,MTTR5=0.35小時

信號處理器與監(jiān)控分系統(tǒng)(監(jiān)控板、冗余控制插件)共同配置組成綜合分機,系統(tǒng)有兩套互為冗余的綜合分機,允許一套綜合分機故障的系統(tǒng)可靠性為:

配電系統(tǒng)MTBCF6=24000小時,MTTR6=0.27小時

終端MTBF7=37000小時,MTTR7=0.21小時

終端系統(tǒng)硬件及軟件均以雙套系統(tǒng)進行配置,互為冗余,允許一套故障的系統(tǒng)可靠性為:

根據(jù)以上各分系統(tǒng)的任務可靠性及維修性預計指標,雷達系統(tǒng)可達到的任務可靠性指標估算如下[8]:

5 結束語

隨著民航運輸業(yè)的高速發(fā)展,雷暴、風切變、臺風等危險天氣對飛行安全的影響日益突顯。天氣雷達已成為氣象預報員發(fā)出風切變警報的主要依據(jù),已成為空中交通管制的運行決策輔助工具,為飛行、管制部門提供更準確的危險天氣預警信息。針對機場氣象雷達的這種應用特點和要求,設計了這種基于雙機備份技術的雷達運行方案,方案中雷達各分系統(tǒng)分別包括了兩套獨立的設備,互為冗余備份,可在雷達監(jiān)控系統(tǒng)控制下進行自動重組、無縫切換,當某雷達設備系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,可以自動或者手動地切換到對應的非故障系統(tǒng),使雷達連續(xù)地輸出觀測數(shù)據(jù),為飛行安全提供保障。結果表明,雷達系統(tǒng)的可靠性得到了提高,而維修保障費用則相對降低。

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[2] 顧春平.空中交通管制監(jiān)視新技術簡介[J].現(xiàn)代雷達,2010,32(9):1-5.

[3] MH/T 4016.5-2004.民用航空氣象第5部分:設備技術要求[M].北京:中國民用航空總局,2004:4-9.

[4] 游志勝,張麟,朱敏.新一代空中管制系統(tǒng)中關鍵技術的研究成果介紹[J].中國科學基金,2002,(5):303-305.

[5] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理.修訂版[M].西安:西安電子科技大學出版社,1997.

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[7] 楊秉喜.雷達綜合技術保障工程[M].北京:中國標準出版社,2001:429-479.

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