航管雷達(dá)任務(wù)管理冗余設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉健，楊志謙

(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥，230088)

航管雷達(dá)任務(wù)管理冗余設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉健，楊志謙

(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥，230088)

本文研究了雙機(jī)冗余系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)和方法，提出了基于熱備份冗余模式的雙任務(wù)管理系統(tǒng)方案，主要內(nèi)容包括冗余方案的選擇，雙任務(wù)管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

航管雷達(dá)；任務(wù)管理

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，我國的機(jī)場數(shù)量也隨之增加，為了保障飛行的安全，就需要更多的航空管制雷達(dá)（簡稱航管雷達(dá)）對飛行進(jìn)行安全管理。航管雷達(dá)系統(tǒng)由兩部分組成：一次雷達(dá)(PSR：Primary Surveillance Radar) 和二次雷達(dá)(SSR：Secondary Surveillance Radar)，前者用于監(jiān)測無源反射目標(biāo)，后者用于監(jiān)測管制空域的有源反射目標(biāo)。任務(wù)管理系統(tǒng)對一次與二次雷達(dá)進(jìn)行全面的調(diào)度、控制與狀態(tài)監(jiān)測。

任務(wù)管理系統(tǒng)作為航管雷達(dá)的各種分系統(tǒng)的控制和工作狀態(tài)監(jiān)視的核心單元，其可靠性對航管雷達(dá)具有很大的影響。為適應(yīng)這種高可靠性的要求, 需要將冗余設(shè)計(jì)方案引入到航管雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 以提高其運(yùn)行可靠度。

冗余系統(tǒng)即“具有完全相同功能的設(shè)備作為正在工作的系統(tǒng)的備用系統(tǒng)”。冗余設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)或設(shè)備中對完成任務(wù)起關(guān)鍵作用的地方提供一種以上的功能通道或工作元件或部件, 以減少系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。是有效提高航管雷達(dá)可靠性水平的有效手段之一，可以大幅度地提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠度。

1 冗余策略

1.1 冗余分類

冗余設(shè)計(jì)有并聯(lián)冗余、表決冗余、串并組合冗余和非工作冗余等。這幾種冗余設(shè)計(jì)的方式在很多教材中均有詳細(xì)地論述和準(zhǔn)確地?cái)?shù)學(xué)模型。根據(jù)航管雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，著重論述熱備份冗余設(shè)計(jì)方式。

航管雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)擬采用雙機(jī)系統(tǒng)冗余，即使用兩套相同的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)相同的功能，當(dāng)其中某一裝置發(fā)生故障，自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入待維修模式，修理結(jié)束后自動(dòng)接入系統(tǒng)，參與并聯(lián)運(yùn)行。冗余設(shè)計(jì)主要包含兩方面內(nèi)容：功能性冗余和結(jié)構(gòu)性冗余。功能性冗余分為靜態(tài)功能冗余和動(dòng)態(tài)功能冗余；結(jié)構(gòu)性冗余則主要分為硬件冗余、軟件冗余。早期的容錯(cuò)系統(tǒng)多采用“N+1”冗余模式，通過表決器對整個(gè)系統(tǒng)的輸出做出判斷。會使得整個(gè)系統(tǒng)非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)比較困難，反而降低可靠性。

本文主要論述雙系統(tǒng)熱備份技術(shù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括同步技術(shù)、故障檢測技術(shù)、系統(tǒng)仲裁技術(shù)等。對系統(tǒng)中采用的硬件冗余和軟件冗余策略進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)高可靠性的航管雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)冗余工程設(shè)計(jì)。

1.2 可靠性分析

航管雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)面臨的任務(wù)劃分、在線維修和高可靠性要求，必須在工程設(shè)計(jì)階段就開始進(jìn)行系統(tǒng)的性能與可靠性融合設(shè)計(jì)、硬件與故障軟化設(shè)計(jì)。為此，首先應(yīng)確定系統(tǒng)的可靠性分析與設(shè)計(jì)。

任務(wù)管理系統(tǒng)采用的熱備份冗余即并聯(lián)冗余，指的是系統(tǒng)由功能相同的兩個(gè)工作單元并聯(lián)構(gòu)成。在并聯(lián)冗余系統(tǒng)中, 即使有一個(gè)單元出現(xiàn)故障或失效,但只要另一個(gè)工作單元是正常的,則系統(tǒng)仍工作正常。

考慮到結(jié)構(gòu)框圖中單元的修復(fù)率大于其失效率，因此可將任務(wù)管理分系統(tǒng)工作狀態(tài)與檢修狀態(tài)彼此獨(dú)立考慮，可以得到可用度如公式（1）所示.

A：兩路冗余結(jié)構(gòu)的可用度

μ：1路任務(wù)管理模塊的修復(fù)率

λ：1路任務(wù)管理模塊的失效率

通過基本可靠性和任務(wù)可靠性的公式（2）～公式（4），可以看出并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)是通過增加設(shè)備來提高可靠性的，由于設(shè)備的增加，其系統(tǒng)的基本可靠性就會減小，但是其系統(tǒng)的任務(wù)可靠性可以得到大幅提高。對于任務(wù)可靠性，主要考慮雙機(jī)冗余，且可以進(jìn)行無縫熱切換和不停機(jī)的情況下在線維修和更換。根據(jù)在線及時(shí)維修系統(tǒng)的近似公式計(jì)算MTBCF，即：

其中，m是系統(tǒng)的并聯(lián)通道數(shù)；n是系統(tǒng)的有效工作通道數(shù)。

根據(jù)計(jì)算，任務(wù)管理系統(tǒng)的任務(wù)可靠性MTBCF大于20000000小時(shí)。

1.3 任務(wù)管理冗余策略

雙機(jī)冗余技術(shù)的研究與發(fā)展相比于其核心的計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)研究而言較短，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)均處于探索實(shí)踐階段，而其中最關(guān)鍵的問題就是如何在高可靠性和高效率兩者間達(dá)到最佳的平衡。

航管雷達(dá)任務(wù)管理冗余控制由冗余策略、硬件電路、軟件模塊等組成，其中冗余控制是為冗余設(shè)計(jì)而專門設(shè)置。冗余控制邏輯L使兩個(gè)相同的任務(wù)管理1和任務(wù)管理2 處于工作（主）狀態(tài)或者備用（次）狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度功能和人機(jī)交互的唯一性，處于備用狀態(tài)的任務(wù)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤工作狀態(tài)系統(tǒng)的控制信息，并且與工作狀態(tài)系統(tǒng)同步執(zhí)行, 保持狀態(tài)同步；當(dāng)工作狀態(tài)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，備用系統(tǒng)將在第一時(shí)間無縫切換為工作狀態(tài)，接替任務(wù)調(diào)度控制功能，即所謂的1:1熱備份冗余。其原理框圖如圖1所示。

圖1 雙機(jī)1:1冗余策略模型

2 任務(wù)管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

航管雷達(dá)主要包括任務(wù)管理系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成，各個(gè)系統(tǒng)均采用雙機(jī)1:1冗余設(shè)計(jì)。

航管雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集其它各個(gè)分系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的變化對各個(gè)分系統(tǒng)發(fā)送控制指令，包括發(fā)射開關(guān)機(jī)、天線旋轉(zhuǎn)啟停、備份設(shè)備切換、雷達(dá)復(fù)位等關(guān)鍵指令。

航管雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場監(jiān)控、遠(yuǎn)端測控、工作站和溫濕度傳感器等部分。現(xiàn)場監(jiān)控工作在地面的綜合機(jī)柜中，用于對信號處理、數(shù)據(jù)處理系和接收系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、控制和通道選擇；遠(yuǎn)端測控則外駐于發(fā)射機(jī)柜，用于對發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、發(fā)射開關(guān)機(jī)及通道切換控制；工作站將現(xiàn)場監(jiān)控、遠(yuǎn)端監(jiān)控和其他自主控制單元通過網(wǎng)絡(luò)送來的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障綜合和狀態(tài)相關(guān)后，對整機(jī)雷達(dá)的冗余切換進(jìn)行自動(dòng)控制或者操作人員根據(jù)狀態(tài)進(jìn)行人工切換控制。

2.1 工作站

工作站為顯示和任務(wù)管理系統(tǒng)共用，作為設(shè)備屬于終端分系統(tǒng)。它在任務(wù)管理系統(tǒng)是本雷達(dá)的監(jiān)控中心，操作人員通過主控顯示界面向雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)控制指令以完成各種監(jiān)控功能。

主控計(jì)算機(jī)收集雷達(dá)系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息，并進(jìn)行各分系統(tǒng)的故障診斷，具備較完善的操作管理和雷達(dá)信息數(shù)據(jù)庫的管理功能；也可以進(jìn)行陣地優(yōu)化參數(shù)管理等其它功能。

2.2 遠(yuǎn)端監(jiān)控

遠(yuǎn)端監(jiān)控插件作為派駐發(fā)射監(jiān)控分機(jī)的遠(yuǎn)端遙控檢測設(shè)備，主要對發(fā)射分系統(tǒng)的進(jìn)行各種控制和工作狀態(tài)的采集，實(shí)現(xiàn)發(fā)射射頻無縫切換，具有熱插拔功能。

遠(yuǎn)端測控采用FPGA+網(wǎng)絡(luò)芯片為主要芯片的方式，加上驅(qū)動(dòng)電路、光耦隔離電路、AD轉(zhuǎn)換電路等配合組成，F(xiàn)PGA主要作用將發(fā)射分系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)采集處理并通過網(wǎng)絡(luò)芯片發(fā)送到工作站，將工作站通過網(wǎng)絡(luò)芯片送來的控制命令處理后對發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行控制。網(wǎng)絡(luò)芯片主要作用是在FPGA的控制下作為FPGA和工作站之間的通信橋梁。

3 結(jié)束語

采用上述設(shè)計(jì)方法的任務(wù)管理系統(tǒng)在兩種航管雷達(dá)和一種機(jī)場地面監(jiān)視雷達(dá)中得到了具體的應(yīng)用。雷達(dá)任務(wù)管理雙系統(tǒng)互為熱備份，可實(shí)時(shí)進(jìn)行在線自動(dòng)切換與不停機(jī)維修，大大提高了雷達(dá)任務(wù)管理雙系統(tǒng)本身和整機(jī)的任務(wù)可靠性所有主、從部件及對應(yīng)備件可實(shí)現(xiàn)互換一致，并有完善的冗余設(shè)計(jì)，大大提高了雷達(dá)任務(wù)管理雙系統(tǒng)的可維性。

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[2]丁歧鵑，王志紅.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)2005（3）：240-243.

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Design and implementation of mission management redundancy for air navigation radar

Liu Jian,Yang Zhiqian
(The thirty-eighth Research Institute，CETC,Hefei Anhui,230088)

This paper studies the fault-tolerant technology and the method of dual redundant system, proposes a dual task management system scheme based on the redundant mode of hot backup. The main content includes the choice of redundancy scheme, the hardware design and software design of dual task management system.

ATC radar;Task management

劉健(1976年生)，男，工程師，主要研究方向雷達(dá)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

楊志謙（1972年生），男，高級工程師（研究員級），主要研究方向雷達(dá)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。