航管雷达任务管理冗余设计与实现

刘健，杨志谦

(中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥，230088)

航管雷达任务管理冗余设计与实现

刘健，杨志谦

(中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥，230088)

本文研究了双机冗余系统的容错技术和方法，提出了基于热备份冗余模式的双任务管理系统方案，主要内容包括冗余方案的选择，双任务管理系统的硬件设计和软件设计三个方面。

航管雷达；任务管理

0 引言

随着经济飞速发展，我国的机场数量也随之增加，为了保障飞行的安全，就需要更多的航空管制雷达（简称航管雷达）对飞行进行安全管理。航管雷达系统由两部分组成：一次雷达(PSR：Primary Surveillance Radar) 和二次雷达(SSR：Secondary Surveillance Radar)，前者用于监测无源反射目标，后者用于监测管制空域的有源反射目标。任务管理系统对一次与二次雷达进行全面的调度、控制与状态监测。

任务管理系统作为航管雷达的各种分系统的控制和工作状态监视的核心单元，其可靠性对航管雷达具有很大的影响。为适应这种高可靠性的要求, 需要将冗余设计方案引入到航管雷达任务管理系统的设计中, 以提高其运行可靠度。

冗余系统即“具有完全相同功能的设备作为正在工作的系统的备用系统”。冗余设计是在系统或设备中对完成任务起关键作用的地方提供一种以上的功能通道或工作元件或部件, 以减少系统出现故障的概率有效的系统设计方法。是有效提高航管雷达可靠性水平的有效手段之一，可以大幅度地提高系统的任务可靠度。

1 冗余策略

1.1 冗余分类

冗余设计有并联冗余、表决冗余、串并组合冗余和非工作冗余等。这几种冗余设计的方式在很多教材中均有详细地论述和准确地数学模型。根据航管雷达任务管理系统的特点，着重论述热备份冗余设计方式。

航管雷达任务管理系统拟采用双机系统冗余，即使用两套相同的系统来实现相同的功能，当其中某一装置发生故障，自动调整运行状态，进入待维修模式，修理结束后自动接入系统，参与并联运行。冗余设计主要包含两方面内容：功能性冗余和结构性冗余。功能性冗余分为静态功能冗余和动态功能冗余；结构性冗余则主要分为硬件冗余、软件冗余。早期的容错系统多采用“N+1”冗余模式，通过表决器对整个系统的输出做出判断。会使得整个系统非常复杂，实现比较困难，反而降低可靠性。

本文主要论述双系统热备份技术涉及的关键技术包括同步技术、故障检测技术、系统仲裁技术等。对系统中采用的硬件冗余和软件冗余策略进行分析，以实现高可靠性的航管雷达任务管理系统冗余工程设计。

1.2 可靠性分析

航管雷达任务管理系统面临的任务划分、在线维修和高可靠性要求，必须在工程设计阶段就开始进行系统的性能与可靠性融合设计、硬件与故障软化设计。为此，首先应确定系统的可靠性分析与设计。

任务管理系统采用的热备份冗余即并联冗余，指的是系统由功能相同的两个工作单元并联构成。在并联冗余系统中, 即使有一个单元出现故障或失效,但只要另一个工作单元是正常的,则系统仍工作正常。

考虑到结构框图中单元的修复率大于其失效率，因此可将任务管理分系统工作状态与检修状态彼此独立考虑，可以得到可用度如公式（1）所示.

A：两路冗余结构的可用度

µ：1路任务管理模块的修复率

λ：1路任务管理模块的失效率

通过基本可靠性和任务可靠性的公式（2）～公式（4），可以看出并联冗余设计是通过增加设备来提高可靠性的，由于设备的增加，其系统的基本可靠性就会减小，但是其系统的任务可靠性可以得到大幅提高。对于任务可靠性，主要考虑双机冗余，且可以进行无缝热切换和不停机的情况下在线维修和更换。根据在线及时维修系统的近似公式计算MTBCF，即：

其中，m是系统的并联通道数；n是系统的有效工作通道数。

根据计算，任务管理系统的任务可靠性MTBCF大于20000000小时。

1.3 任务管理冗余策略

双机冗余技术的研究与发展相比于其核心的计算机相关技术研究而言较短，所涉及的关键技术均处于探索实践阶段，而其中最关键的问题就是如何在高可靠性和高效率两者间达到最佳的平衡。

航管雷达任务管理冗余控制由冗余策略、硬件电路、软件模块等组成，其中冗余控制是为冗余设计而专门设置。冗余控制逻辑L使两个相同的任务管理1和任务管理2 处于工作（主）状态或者备用（次）状态，实现任务调度功能和人机交互的唯一性，处于备用状态的任务管理系统实时跟踪工作状态系统的控制信息，并且与工作状态系统同步执行, 保持状态同步；当工作状态系统发生故障时，备用系统将在第一时间无缝切换为工作状态，接替任务调度控制功能，即所谓的1:1热备份冗余。其原理框图如图1所示。

图1 双机1:1冗余策略模型

2 任务管理系统硬件设计

航管雷达主要包括任务管理系统、伺服驱动系统、发射系统、接收系统、信号处理系统和数据处理系统等构成，各个系统均采用双机1:1冗余设计。

航管雷达任务管理系统的主要任务是采集其它各个分系统的状态参数，并根据各个状态参数的变化对各个分系统发送控制指令，包括发射开关机、天线旋转启停、备份设备切换、雷达复位等关键指令。

航管雷达任务管理系统主要包括现场监控、远端测控、工作站和温湿度传感器等部分。现场监控工作在地面的综合机柜中，用于对信号处理、数据处理系和接收系统进行状态监测、控制和通道选择；远端测控则外驻于发射机柜，用于对发射系统进行状态监测、发射开关机及通道切换控制；工作站将现场监控、远端监控和其他自主控制单元通过网络送来的状态数据，进行故障综合和状态相关后，对整机雷达的冗余切换进行自动控制或者操作人员根据状态进行人工切换控制。

2.1 工作站

工作站为显示和任务管理系统共用，作为设备属于终端分系统。它在任务管理系统是本雷达的监控中心，操作人员通过主控显示界面向雷达系统发控制指令以完成各种监控功能。

主控计算机收集雷达系统的工作状态信息，并进行各分系统的故障诊断，具备较完善的操作管理和雷达信息数据库的管理功能；也可以进行阵地优化参数管理等其它功能。

2.2 远端监控

远端监控插件作为派驻发射监控分机的远端遥控检测设备，主要对发射分系统的进行各种控制和工作状态的采集，实现发射射频无缝切换，具有热插拔功能。

远端测控采用FPGA+网络芯片为主要芯片的方式，加上驱动电路、光耦隔离电路、AD转换电路等配合组成，FPGA主要作用将发射分系统的各种工作状态采集处理并通过网络芯片发送到工作站，将工作站通过网络芯片送来的控制命令处理后对发射系统进行控制。网络芯片主要作用是在FPGA的控制下作为FPGA和工作站之间的通信桥梁。

3 结束语

采用上述设计方法的任务管理系统在两种航管雷达和一种机场地面监视雷达中得到了具体的应用。雷达任务管理双系统互为热备份，可实时进行在线自动切换与不停机维修，大大提高了雷达任务管理双系统本身和整机的任务可靠性所有主、从部件及对应备件可实现互换一致，并有完善的冗余设计，大大提高了雷达任务管理双系统的可维性。

[1]孙薇薇.航管一次雷达的可靠性分析[J].质量与可靠性,2009（1）：33-35.

[2]丁歧鹃，王志红.雷达数据处理的双系统设计[J].雷达科学与技术2005（3）：240-243.

[3]黄翌．气球控制中的双机冗余设计[J]．信息与电子工程，2010（6）：357-360.

[4]邵威，刘健臣.雷达冗余切换技术研究与设计[J].信息技术与信息化 2015（3）：144-146.

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

刘健(1976年生)，男，工程师，主要研究方向雷达综合电子系统设计。

杨志谦（1972年生），男，高级工程师（研究员级），主要研究方向雷达综合电子系统设计。