场面监视雷达设备监控与状态采集系统的研发

甘成愿

（中南空管局技术保障中心，广东广州，510405）

0 引言

近年来，随着中国民航业的高速发展，航班密度不断增加，通信导航监视等空管设备的正常稳定运行，对保障飞行安全日益重要。相关的设备保障或管理部门都需要及时掌握设备的第一手运行状况。目前民航总局空管局已要求各地空管部门把设备运行状态传回总局，实施民航空管设备集中监控系统工程。设备监控的关键是在于解决设备运行状态采集的问题。不同类型、不同厂家的设备有着不一样的通信协议，对其二次开发采集状态有着很大的难度。Terma场监雷达国内引进较晚，尚缺乏对该设备状态采集的研究。本文的研究正是基于这一实际需要。

1 Terma场监雷达系统组成

Terma场监雷达单套收发机的硬件组成包括天线单元、编码器、马达、X波段磁控管、调制器、X波段接收机、收发机控制器(TC3)、视频处理单元(VP3)、雷达信号分配单元(RSD)、母板及电源模块、主电源及安全保护电路单元等部件和模块。其中TC3模块是雷达系统的主控模块，它是一个嵌入式系统，含有一个功能强大的PC微处理器及存储器件、输入输出接口等，存储器件中保存了系统的启动、控制、监视等程序及总体参数。本文的研究重点正是远端监控终端通过以太网接口与TC3模块进行数据交换的通信协议。

2 场面监视雷达监控数据通信协议分析

为了实现状态采集与通信功能，需定义两个软件接口，一个是监控采集软件与场监雷达通过以太网口进行通信的数据接口，该接口用于获取雷达的状态参数等。另一个是监控采集软件与集中通信服务器的通信接口，该接口用于将采集到的雷达状态参数传输到集中通信服务器。本文研究分析的重点是采集软件与场监雷达的通信协议，该协议由雷达厂家的ICD（Interface Control Document）定义。

2.1 场面监视雷达监控数据通信通用帧结构

进行通信时，监控、状态数据封装于通用帧的数据域（Data Field），通用帧结构如表3-1所示，包含帧头DLE STX和帧尾DLE ETX，中间分别为收发机地址(Transceiver address)、帧号 (Frame number)、数据长度 (Data length)、数据域(Data field)及校验和(Check sum)。DLE固定为10H, STX为02H，ETX为03H。

表3-1通用帧结构

2.2 场面监视雷达监控数据通信特定功能帧

特定功能帧由雷达厂家ICD定义，即具有不同帧号的特定帧完成不同的功能。以07帧和08帧为例，07帧用于雷达向外部发送参数值，08帧用于向雷达设置参数。在需要改变某个参数或对雷达的进行控制时，可以向雷达发送08帧。雷达收到该帧后，按照请求进行参数设置，同时回应07帧。

2.3 场面监视雷达监控、状态数据的定义

场面监视雷达系统的所有参数、状态、均保存在雷达TC3模块的非易失性存储器中，在与外部的监控终端进行通信时，这些状态、参数数据封装于通信帧中的数据域。根据ICD的定义，雷达的每个模块、每一个错误/告警信息、BITE信息等都有固定的编号、定义，这些定义可通过查阅ICD得知。

2.4 通信机制

为了获得设备的状态、参数数据，采集系统与雷达设备的以太网接口通过TCP/IP协议进行网络通信，采集系统的软件设计需首先具备TCP/IP的通信功能，同时要具备从TCP/IP数据流中解包和封包数据帧的功能，从而获得状态信息或控制雷达设备。采集系统还需具备通信保持功能，即能定时（每隔20秒）向设备发送“心跳包”，保持一直在线。

2.5 特定功能帧的构建

前文分析了监控数据的通信协议，在此基础上可以进行特定功能帧的构建。以向雷达发送08帧，控制雷达2号收发机主电源开启的例子进行说明，如表3-2特定功能帧的构建所示：其中，帧头帧尾固定，分别为1002H和1003H；收发机地址为02H，表示2号机；帧号是08H；数据长度是指数据域的长度，为0004H；这里对Data Field的构建是主要的，根据ICD对08帧的定义，其数据域由3部分构成，分别为参数类型，参数号（占两字节）和参数值，得到数据域为00000101H，其中的最后一个字节01H表示设置主电源为O N；校验和通过如下计算求得：02H+00H+08H+00H+04H+00H+00H+01H+0 1H= 10H。

表3-2特定功能帧的构建

以上例子仅是构建一个实现特定功能的通信帧的例子，实际上，为了实现特定功能需要构建大量的特定通信帧。除了参数设置，更重要的是获取雷达的状态、参数信息，因此需要接收雷达发送的各种通信帧，并从中解出各种状态、参数信息。根据以上例子的构建方法可以构建出其他特定通信帧。这些帧的构建是进行数据采集通信编程的基础。

3 监控与状态采集系统的编程实现

3.1 监控与状态采集系统的观察者模式设计

采集系统以windows 的MICROSOFT.NET为平台，通过C#编程实现。C#编程语言提供了多种设计模式，本文在进行采集系统编程的过程中，采用了C#的观察者设计模式，将采集系统的软件结构分为程序与场监雷达的数据接口模块、雷达模块状态显示模块、雷达历史告警信息模块、程序与集中通信服务器的接口模块、监控主界面错误及告警信息模块和场监雷达参数模块。其中场监雷达的数据接口模块作为观察者设计模式中的主题角色，也是编程的核心模块。采集系统的一大功能便是与雷达进行通信，获取各种状态信息和参数等。在软件中专门设计一个数据接口模块来获取这些信息，当该模块取到信息后，它能自动地将这些信息及时地通知到软件中的其他功能模块。

3.2 监控与状态采集系统的程序模块及界面设计

鉴于篇幅，这里主要对系统软件的主界面模块进行说明，如图4-1所示，它包含三个功能块，即场监雷达模块的状态显示、场监雷达收发机的错误与告警信息显示及雷达工作状态三个功能块，同一个界面集中了雷达的主要信息显示，有利于设备维护人员随时把握雷达的整体工作状态。

图4-1采集系统软件主界面

4 监控与状态采集系统的硬件构建

本文研发的采集软件运行在一台装有WINDOWS XP系统的戴尔台式计算机上，该计算机现放置于白云国际机场航管塔台的十四楼，通过光MODEM、光缆与塔台十七楼的场监雷达设备的以太网接口进行连接。采集计算机获取的雷达状态、参数通过串口、光MODEM传输到航管楼四楼的集中监控电脑，之后这些信息将层层上传，最终汇总到总局空管局的集中监控系统。目前该系统已投入实际使用，运行可靠、稳定，实现了预期的各项功能。

5 结语

本文分析了丹麦Terma场监雷达监控数据通信协议，在此基础上阐述了该设备的监控与状态采集系统的构建方案，并用C#编程语言的观察者设计模式成功地实现了采集系统。该系统不仅解决了民航空管设备集中监控系统对场监雷达状态采集的需求，同时它能作为现有场监雷达监控系统的有力补充和备份，可以满足空管设备保障部门对设备监视和现场运行方面的更高要求，具有一定实际意义。

[1]TERMA.RTCM Remote Transceiver Control & Monitoring，262105 HO REV.C

[2]TERMA.SCANTER 2001 Radar Transceiver External Interface Specification，262001-DI-C

[3]（美）李（Lee，W.M.）著，田国法，吴兰陟译.C# 与 VB.NET网络通信开发实战.北京：人民邮电出版社，2008.8

[4]谢玉兰.论首都机场场面监视雷达及系统的建设.民航经济与技术空中交通管理，1998年12期