航管雷達任務管理冗余設計與實現

劉健，楊志謙

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽合肥，230088)

航管雷達任務管理冗余設計與實現

劉健，楊志謙

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽合肥，230088)

本文研究了雙機冗余系統的容錯技術和方法，提出了基于熱備份冗余模式的雙任務管理系統方案，主要內容包括冗余方案的選擇，雙任務管理系統的硬件設計和軟件設計三個方面。

航管雷達；任務管理

0 引言

隨著經濟飛速發展，我國的機場數量也隨之增加，為了保障飛行的安全，就需要更多的航空管制雷達（簡稱航管雷達）對飛行進行安全管理。航管雷達系統由兩部分組成：一次雷達(PSR：Primary Surveillance Radar) 和二次雷達(SSR：Secondary Surveillance Radar)，前者用于監測無源反射目標，后者用于監測管制空域的有源反射目標。任務管理系統對一次與二次雷達進行全面的調度、控制與狀態監測。

任務管理系統作為航管雷達的各種分系統的控制和工作狀態監視的核心單元，其可靠性對航管雷達具有很大的影響。為適應這種高可靠性的要求, 需要將冗余設計方案引入到航管雷達任務管理系統的設計中, 以提高其運行可靠度。

冗余系統即“具有完全相同功能的設備作為正在工作的系統的備用系統”。冗余設計是在系統或設備中對完成任務起關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, 以減少系統出現故障的概率有效的系統設計方法。是有效提高航管雷達可靠性水平的有效手段之一，可以大幅度地提高系統的任務可靠度。

1 冗余策略

1.1 冗余分類

冗余設計有并聯冗余、表決冗余、串并組合冗余和非工作冗余等。這幾種冗余設計的方式在很多教材中均有詳細地論述和準確地數學模型。根據航管雷達任務管理系統的特點，著重論述熱備份冗余設計方式。

航管雷達任務管理系統擬采用雙機系統冗余，即使用兩套相同的系統來實現相同的功能，當其中某一裝置發生故障，自動調整運行狀態，進入待維修模式，修理結束后自動接入系統，參與并聯運行。冗余設計主要包含兩方面內容：功能性冗余和結構性冗余。功能性冗余分為靜態功能冗余和動態功能冗余；結構性冗余則主要分為硬件冗余、軟件冗余。早期的容錯系統多采用“N+1”冗余模式，通過表決器對整個系統的輸出做出判斷。會使得整個系統非常復雜，實現比較困難，反而降低可靠性。

本文主要論述雙系統熱備份技術涉及的關鍵技術包括同步技術、故障檢測技術、系統仲裁技術等。對系統中采用的硬件冗余和軟件冗余策略進行分析，以實現高可靠性的航管雷達任務管理系統冗余工程設計。

1.2 可靠性分析

航管雷達任務管理系統面臨的任務劃分、在線維修和高可靠性要求，必須在工程設計階段就開始進行系統的性能與可靠性融合設計、硬件與故障軟化設計。為此，首先應確定系統的可靠性分析與設計。

任務管理系統采用的熱備份冗余即并聯冗余，指的是系統由功能相同的兩個工作單元并聯構成。在并聯冗余系統中, 即使有一個單元出現故障或失效,但只要另一個工作單元是正常的,則系統仍工作正常。

考慮到結構框圖中單元的修復率大于其失效率，因此可將任務管理分系統工作狀態與檢修狀態彼此獨立考慮，可以得到可用度如公式（1）所示.

A：兩路冗余結構的可用度

μ：1路任務管理模塊的修復率

λ：1路任務管理模塊的失效率

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

其中，m是系統的并聯通道數；n是系統的有效工作通道數。

根據計算，任務管理系統的任務可靠性MTBCF大于20000000小時。

1.3 任務管理冗余策略

雙機冗余技術的研究與發展相比于其核心的計算機相關技術研究而言較短，所涉及的關鍵技術均處于探索實踐階段，而其中最關鍵的問題就是如何在高可靠性和高效率兩者間達到最佳的平衡。

航管雷達任務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計而專門設置。冗余控制邏輯L使兩個相同的任務管理1和任務管理2 處于工作（主）狀態或者備用（次）狀態，實現任務調度功能和人機交互的唯一性，處于備用狀態的任務管理系統實時跟蹤工作狀態系統的控制信息，并且與工作狀態系統同步執行, 保持狀態同步；當工作狀態系統發生故障時，備用系統將在第一時間無縫切換為工作狀態，接替任務調度控制功能，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1:1冗余策略模型

2 任務管理系統硬件設計

航管雷達主要包括任務管理系統、伺服驅動系統、發射系統、接收系統、信號處理系統和數據處理系統等構成，各個系統均采用雙機1:1冗余設計。

航管雷達任務管理系統的主要任務是采集其它各個分系統的狀態參數，并根據各個狀態參數的變化對各個分系統發送控制指令，包括發射開關機、天線旋轉啟停、備份設備切換、雷達復位等關鍵指令。

航管雷達任務管理系統主要包括現場監控、遠端測控、工作站和溫濕度傳感器等部分。現場監控工作在地面的綜合機柜中，用于對信號處理、數據處理系和接收系統進行狀態監測、控制和通道選擇；遠端測控則外駐于發射機柜，用于對發射系統進行狀態監測、發射開關機及通道切換控制；工作站將現場監控、遠端監控和其他自主控制單元通過網絡送來的狀態數據，進行故障綜合和狀態相關后，對整機雷達的冗余切換進行自動控制或者操作人員根據狀態進行人工切換控制。

2.1 工作站

工作站為顯示和任務管理系統共用，作為設備屬于終端分系統。它在任務管理系統是本雷達的監控中心，操作人員通過主控顯示界面向雷達系統發控制指令以完成各種監控功能。

主控計算機收集雷達系統的工作狀態信息，并進行各分系統的故障診斷，具備較完善的操作管理和雷達信息數據庫的管理功能；也可以進行陣地優化參數管理等其它功能。

2.2 遠端監控

遠端監控插件作為派駐發射監控分機的遠端遙控檢測設備，主要對發射分系統的進行各種控制和工作狀態的采集，實現發射射頻無縫切換，具有熱插拔功能。

遠端測控采用FPGA+網絡芯片為主要芯片的方式，加上驅動電路、光耦隔離電路、AD轉換電路等配合組成，FPGA主要作用將發射分系統的各種工作狀態采集處理并通過網絡芯片發送到工作站，將工作站通過網絡芯片送來的控制命令處理后對發射系統進行控制。網絡芯片主要作用是在FPGA的控制下作為FPGA和工作站之間的通信橋梁。

3 結束語

采用上述設計方法的任務管理系統在兩種航管雷達和一種機場地面監視雷達中得到了具體的應用。雷達任務管理雙系統互為熱備份，可實時進行在線自動切換與不停機維修，大大提高了雷達任務管理雙系統本身和整機的任務可靠性所有主、從部件及對應備件可實現互換一致，并有完善的冗余設計，大大提高了雷達任務管理雙系統的可維性。

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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，主要研究方向雷達綜合電子系統設計。

楊志謙（1972年生），男，高級工程師（研究員級），主要研究方向雷達綜合電子系統設計。