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        空管雷達(dá)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時延監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2020-12-29 11:53:04王勻王蓓蓓
        科學(xué)大眾 2020年7期

        王勻 王蓓蓓

        摘 要:各地單雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)匯集至空管自動化系統(tǒng),再經(jīng)融合處理后形成綜合航跡。偶發(fā)性的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延,可能造成綜合航跡的失真,從而對管制工作造成影響。空管雷達(dá)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時延監(jiān)測系統(tǒng)可對雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延情況進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì),輔助運(yùn)維人員對異常單路雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行干預(yù)。文章闡述了空管雷達(dá)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時延監(jiān)測系統(tǒng)的原理和實(shí)際部署情況。

        關(guān)鍵詞:空管雷達(dá);空管自動化系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)傳輸時延

        目前,民航空管自動化系統(tǒng)大多采用多路單雷達(dá)信息融合,以形成綜合航跡信息,而單路信息的時延可能造成綜合航跡信息的失真,甚至引起航跡分裂,從而對管制工作造成影響。

        空管雷達(dá)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時延監(jiān)測系統(tǒng)是南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司為民航華北空管局區(qū)域管制中心開發(fā)的一套軟、硬件集成系統(tǒng),可通過“時標(biāo)信息加注設(shè)備”在雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)、出傳輸網(wǎng)絡(luò)的位置,進(jìn)行兩次UTC時標(biāo)信息的加注,再由末端的監(jiān)測終端對時標(biāo)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,從而得到網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的實(shí)時統(tǒng)計(jì)信息。該系統(tǒng)能夠幫助運(yùn)維人員實(shí)時掌握網(wǎng)絡(luò)傳輸時延情況,及時對時延較大的單雷達(dá)信息進(jìn)行管控,避免其對空管自動化系統(tǒng)的影響。

        1? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

        系統(tǒng)主要用于分析特定雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸鏈路的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延,具體功能如下:(1)能夠接收雷達(dá)數(shù)據(jù)幀,并解析多種雷達(dá)數(shù)據(jù)格式,提取時間戳信息;(2)雷達(dá)信號接口為RS-232/V.24同步數(shù)據(jù)端口,HDLC協(xié)議封裝;(3)系統(tǒng)本身具備接收GPS時鐘信息的能力;(4)能夠比對雷達(dá)數(shù)據(jù)幀的時間信息和本地GPS時間信息的差值,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理;(5)能夠圖形化展示統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,并輸出報(bào)表;(6)提供移動設(shè)備,能夠發(fā)送帶時標(biāo)信息的HDLC數(shù)據(jù)幀。

        2? ? 時延監(jiān)測系統(tǒng)原理及部署方式

        (1)雷達(dá)源通過RS-232同步串行接口輸出HDLC協(xié)議封裝的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀,再通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至空管自動化系統(tǒng)前端。(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的計(jì)算依賴于數(shù)據(jù)幀攜帶的時間戳信息。通過比較數(shù)據(jù)幀時間戳與監(jiān)測終端本地時間,即可計(jì)算獲得數(shù)據(jù)幀經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)的時延數(shù)值。(3)對于較新的雷達(dá)系統(tǒng),例如Thales雷達(dá)的數(shù)據(jù)本身包含時間信息。只要該時間信息準(zhǔn)確,監(jiān)測終端接收到數(shù)據(jù)后與本地時間做比較,即可獲得雷達(dá)數(shù)據(jù)幀的傳輸時延。

        對于不含時間信息的老式雷達(dá)系統(tǒng),必須通過外部設(shè)備注入時間戳信息。因此,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用的便攜式時標(biāo)加注設(shè)備,可臨時部署在傳輸網(wǎng)絡(luò)的入口和出口。監(jiān)測終端通過解碼加注的時標(biāo)信息,即可獲得數(shù)據(jù)傳輸時延。同時,出口處的時標(biāo)加注設(shè)備能夠?qū)r標(biāo)信息去除,輸出原始雷達(dá)數(shù)據(jù)給最終的空管系統(tǒng)。此種模式也適用于時間戳不準(zhǔn)確的雷達(dá)源監(jiān)測。

        實(shí)線表示雷達(dá)源1的數(shù)據(jù)傳輸路徑。數(shù)據(jù)在進(jìn)、出傳輸網(wǎng)絡(luò)時,分別經(jīng)過時標(biāo)加注設(shè)備,共被添加兩次UTC時標(biāo)信息,最后,再由監(jiān)測終端接收。此場景下,監(jiān)測終端通過比較兩次加注的時標(biāo)信息,進(jìn)行時延統(tǒng)計(jì)處理。

        虛線表示雷達(dá)源2的數(shù)據(jù)傳輸路徑。雷達(dá)數(shù)據(jù)本身含有雷達(dá)錄取設(shè)備生成的時標(biāo)信息,不經(jīng)過任何時標(biāo)加注設(shè)備,直接由監(jiān)測終端接收處理。此場景下,監(jiān)測終端通過比較數(shù)據(jù)自身時標(biāo)信息和監(jiān)測終端本地時間信息,進(jìn)行時延統(tǒng)計(jì)處理。

        3? ? 時標(biāo)信息加注設(shè)備

        時標(biāo)信息加注設(shè)備內(nèi)置GPS信號接收模塊以獲得精確的UTC時間,可提供精確到毫秒級別的時間戳信息。設(shè)備通過GPS信號進(jìn)行時間校正后,可通過內(nèi)部時鐘模塊維持本地時間。完成時間校正后,設(shè)備實(shí)時接收HDLC數(shù)據(jù)幀,并在數(shù)據(jù)幀末尾添加時間戳字段,以提供給監(jiān)測終端。

        設(shè)備提供3個RS-232同步串口,進(jìn)行HDLC數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。輸入端口P1接收HDLC數(shù)據(jù)幀,主用輸出端口P2輸出帶時標(biāo)信息的HDLC數(shù)據(jù)幀(提供給時延監(jiān)測終端),輔助輸出端口P3輸出原始HDLC數(shù)據(jù)幀(提供給空管自動化系統(tǒng))。

        4? ? 監(jiān)測終端軟件功能設(shè)計(jì)

        4.1? 雷達(dá)數(shù)據(jù)接收處理

        監(jiān)測終端由HDLC數(shù)據(jù)接收設(shè)備和數(shù)據(jù)處理終端構(gòu)成,能夠接收HDLC數(shù)據(jù)幀,并對加注的時標(biāo)信息進(jìn)行解析和處理。同時,對于自身包含時標(biāo)信息的雷達(dá)數(shù)據(jù),監(jiān)測終端可以解析并提取時間戳信息。

        程序可解析的數(shù)據(jù)格式包括:Alenia MP2格式、ASTERIX CAT001/CAT002格式、ASTERIX CAT034/CAT048格式、ASTERIX CAT062格式。

        4.2? 時延統(tǒng)計(jì)處理

        時標(biāo)信息處理包括3種方式:第一種,對經(jīng)過兩次時標(biāo)信息加注的雷達(dá)數(shù)據(jù),通過比較時間戳獲得時間差值。第二種,對經(jīng)過一次時標(biāo)信息加注的雷達(dá)數(shù)據(jù),通過比較時間戳和監(jiān)測終端本地時間獲得時間差值。第三種,對本身帶有時標(biāo)信息的雷達(dá)數(shù)據(jù),監(jiān)測終端按照雷達(dá)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析,獲得數(shù)據(jù)幀的內(nèi)部時標(biāo)信息,再對比監(jiān)測終端本地時間獲得時間差值。

        4.3? 雷達(dá)數(shù)據(jù)扇號幀統(tǒng)計(jì)

        標(biāo)準(zhǔn)的雷達(dá)數(shù)據(jù)除了包含目標(biāo)信息幀,也會輸出扇信息幀,每周期為16或32扇。通過統(tǒng)計(jì)每周期的扇號幀是否完整,可以在一定程度上反映傳輸過程中數(shù)據(jù)幀丟失的情況。需要注意扇號幀丟失很大概率伴隨數(shù)據(jù)幀的丟失情況,但是扇號幀無丟失并不表示數(shù)據(jù)幀一定沒有丟失的情況。時延監(jiān)測終端通過統(tǒng)計(jì)扇號幀丟失情況,可評估傳輸網(wǎng)絡(luò)的丟包率。

        4.4? 雷達(dá)數(shù)據(jù)正北幀時差統(tǒng)計(jì)

        包含扇信息幀的雷達(dá)數(shù)據(jù),通常也包含正北幀。理論上,正北幀之間的時間間隔與雷達(dá)天線的自轉(zhuǎn)周期一致,通常為4 s。經(jīng)過不穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡(luò)后,正北幀時差會發(fā)生較大幅度的波動。時延監(jiān)測終端通過統(tǒng)計(jì)正北幀時差,可評估傳輸網(wǎng)絡(luò)的延遲抖動情況。

        4.5? 可視化結(jié)果輸出

        統(tǒng)計(jì)處理程序?qū)崟r進(jìn)行多種觀測指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)處理,并通過圖形界面進(jìn)行可視化輸出。圖2為延遲統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖,顯示了每個統(tǒng)計(jì)周期的3種時延數(shù)據(jù):延遲最小值、延遲最大值、延遲平均值。

        可見,延遲平均值基本可擬合為直線,但是呈緩慢增加的態(tài)勢。經(jīng)分析,這是由于時標(biāo)加注設(shè)備脫離GPS信號后,內(nèi)置時鐘模塊發(fā)生時鐘漂移所致。

        4.6? 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲

        監(jiān)測程序?qū)?shí)時處理獲得的時延統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲于本機(jī)數(shù)據(jù)庫中,運(yùn)維人員事后可通過軟件進(jìn)行查詢和報(bào)表輸出。

        5? ? 結(jié)語

        該系統(tǒng)部署上線后,主要針對自帶時標(biāo)信息的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行時延監(jiān)測,對偶發(fā)性的傳輸延時異常情況,可提供詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表,幫助運(yùn)維人員排查故障。時延監(jiān)測系統(tǒng)為華北區(qū)管中心空管系統(tǒng)的運(yùn)行保障提供了積極有效的支持手段。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]張寶忠.空管雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時延的研究[J].信息與電腦(理論版),2010(5):116-117.

        [2]汪勇.無時標(biāo)雷達(dá)信號延時測定系統(tǒng)在線測試的實(shí)現(xiàn)[J].電子制作,2019(17):7-8.

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