GPS時鐘在空管自動化系統中的應用

李鋒

摘 要：航空業的發展離不開自動化技術的支撐，基于網絡自動化的空管系統對良好的航空管理起著重要的積極作用，GPS時鐘作為成熟的同步技術可以為空管自動化系統的搭建提供重要支持，相關的研究結果對該系統的進一步發展提供了相關思路。

關鍵詞：航空業；空管自動化；GPS時鐘

引言

GPS時鐘是基于先進的GPS高精度定位系統模塊開發的基礎性應用產品，能夠按照具體的機械和自動化產品要求輸出符合規約的時間信息規格，從而完成同步授時的任務，可以實現高精度時間定位和信號輸出，在工業領域內的應用十分廣泛。空管自動化系統是航天空管部門進行空中指揮的核心系統，主要是通過雷達信號進行監視數據處理，為管制員提供空中飛行態勢的實時報道，還有各種飛行沖突以及相應的警示。

隨著航線和航班數量的快速增長，空中交通管制流量的不斷增大，空管自動化系統在空中管制中所占據的位置也是越來越重要，而空管自動化系統則提供了重要的技術支撐，因此研究各類先進技術在空管自動化系統升級中的應用越來越受到學者和工程技術人員的重視，GPS時鐘便是其中可以應用的重要技術模塊。

1同步原理及同步技術

截止今日，GPS同步技術已經經歷了幾十年的發展[1]，最早應用于航天系統的GPS技術目前已經在各類民用產品中得到廣泛的應用，該系統主要由三個部分組成，分別是GPS衛星星座、地面監控系統和GPS信號接收機。

從原理上來說，首先需要進行考量的是UTC時間，也就是全球時間坐標，這是通過地球共振原理所產生的一種時間計算方法，用共振式的原子鐘度量時間的精確度要相對準確的多，上千年可能也不會存在一秒的誤差，精確度要高于世界時，在目前的民航產業中，UTC已經成為了必須的模塊，GPS時鐘是全球系統的縮寫，也是具有高精度的原子鐘，并且可能通過地面監控系統保持精確的時間。用戶接收機也就是我們通常意義所示的GPS時鐘系統，可以通過對GPS衛星的觀測直接就地獲取準確的高精度傳遞授時間，該時間與UTC時間同步。NTP協議則是網路時間協議，是設計用來在網絡上使得不同的機器能夠保持同步時間的一種通信協議，NTP協議已經廣泛的應用在了網絡之中，客戶端的工作模式得到實施，安裝了NTP的網絡時間服務器可以向網內的其他用戶提供時間服務基準。我們windows電腦上的時間同步功能就是一個很好的例子。通過以上原理，GPS時鐘實現同步功能，首先由GPS時鐘從GPS衛星接收到一個精準的時鐘信號，并將此作為基準時間。需要校對時間的用戶要煉乳到GPS時鐘所在的網絡，并使用NTP協議來接收GPS時鐘所廣播在網內的時鐘信號，從而對自己的時鐘進行完整的校對。

2系統結構及軟件配置

從基站結構上來說，不同的空管自動化系統基本相同[2]，主要由雷達數據前置處理系統、雷達數據處理子系統、飛行數據處理子系統和雷達綜合數據顯示終端、飛行數據顯示終端、雷達數據記錄和回訪子系統、系統監控終端等組成，各個子系統是通過網絡交換交換機組成的拓撲結構和局域網，系統采用三網運行方式，可以保證數據可靠，高效傳輸，系統網絡要采用冗余結構，在雙冗余網絡管理軟件的配合下，系統的雙路配合在網絡上提高了可用性，第三路主要是用于記錄和重演數據提高雷達傳輸，網絡傳輸需要高精度的GPS定位，可以保障網絡使用的可靠性。

雷達數據系統的前處理包括雷達線路分配器和雷達數據處理器，誤碼檢查以及雷達數據的各項預處理之后一并通過系統的網絡傳輸來進行處理。子系統則對系統引接的雷達數據實現雷達數據控制，實現質量控制和信道優化。飛行處理子系統主要進行飛行電報和飛行計劃的處理，并兼做系統數據庫服務器，完成民航電報自動處理。飛行動態顯示是雷達管制員進行監視和指揮空中系統的主要場所，可以顯示多個飛行姿勢。飛行計劃顯示器是助理管制員監視空中交通狀態的管制場所。系統監控終端主要是技術人員對系統實時監控的席位，提供用于監控的人機交互界面，實現對系統的監控。

成熟的民航空管站配備可以使用的自動化系統，自動化的使用是通過軟件和硬件之間相互的協調配合來完成的，從硬件結構上來說，空管站的系統一般采用多機多網絡結構，網絡之間相互獨立，因此需要對各個網絡的終端都進行校對操作，這個過程需要用GPS時鐘來完成，擁有多個NTP輸出模塊的GPS時鐘可以完成這項工作，在進行NTP網絡協議輸出時，可以配置不同網絡段的IP，隨機便可以使用NTP協議與網內的服務器進行校時，但這樣所占據的服務器數量會相對較多，GPS時鐘的貸款開銷必然很大，而且很有可能會造成網絡擁堵，因此可以將網段內的RDP服務器設置為本網端的時間服務器，負責接收GPS始終信息，并自動將本機與GPS時鐘進行對時，使用這種分級方法可以大大降低系統帶寬的開銷。時鐘配置的NTP網絡理論上應該是越多越好，這樣的輸出模塊就可以分級使用，此時，串口連接方式就顯得非常有效，通過串口將GPS時鐘信號輸出，其他位置再利用NTP協議與RDP進行校時。

軟件設計對于空管自動化系統的具體應用同樣非常重要，為了能夠結構和其他問題邊緣化，需要設計一個程序可供RDP解析獲取時鐘信號，RDP服務器的功能是為了實現接收和解析，主要就是進程服務，運行進程對于系統內存的占用一直存在，并且不間斷運行，進程服務從異步串行通信接口中接收GPS數據，檢查GPS數據的完整性，組裝出完整的GPS數據，在解析出完整的數據項目之后，修改本機的時間，而對于接收到的數據應該按照規定進行時間上的自由度匹配，更新配合及其的時間，進程服務可以進行狀態查詢，日志查詢和內存占用查詢，相應的日志文件會對后期校對起到重要作用。在軟件使用終端使用tail命令跟蹤日志文件，終端會不斷的對日志信息進行輸出。

3 系統維護

GPS接入的空管自動化系統的維護同樣非常重要，系統結構是機械系統可靠性的指標之一，對于空管系統的維修工作主要是通過五個方面來進行。

首先是接入工作站的掛起或鎖定，軟件系統對輸入的GPS信號沒有任何反應。遇到類似的問題可以嘗試從網絡上另一臺的工作站方位系統，在終端窗口中，輸入強制停止命令來結束進程，直到系統做出反應，若系統不反應，可以嘗試對系統進行重新啟動，關閉控制電腦電源迫使電腦忘記數據后再啟動。監控軟件的網絡故障也有可能發生，應該注意檢查交換機和工作站的網絡連接，雷達信號也同樣可能會失聯，此時也應該注意網絡連接。

在注意保護結構穩定性的基礎之上，空管系統大多數的故障都來在網絡，所以應該定期對網絡進行檢查和更新，以免在工作關鍵時刻發生故障。

總結

隨著民航業的不斷發展，空管行業也逐漸面臨著更大的壓力和挑戰，對安全性的要求也在逐步提高，而一個現代化、科技和含量高的空管自動化系統可以適應這種全新的挑戰，硬件更加可靠、軟件更加有效，安全性跟高，準確的時間對時可以對這種技術搭建起到強有力的支撐作用，為自動化系統提供了更可靠的數據和更高效的工作模式。

參考文獻：

[1]文超，鐘俊.一種適用于GPS信號異常情況的高精度主時鐘設計方法（J）.電力系統保護與控制.2016.103-108.

[2]楊凌峰.空管自動化系統雷達航跡與飛行計劃自動相關的探討（J）.通訊世界.2016.63.endprint