GPS时钟在空管自动化系统中的应用

李锋

摘 要：航空业的发展离不开自动化技术的支撑，基于网络自动化的空管系统对良好的航空管理起着重要的积极作用，GPS时钟作为成熟的同步技术可以为空管自动化系统的搭建提供重要支持，相关的研究结果对该系统的进一步发展提供了相关思路。

关键词：航空业；空管自动化；GPS时钟

引言

GPS时钟是基于先进的GPS高精度定位系统模块开发的基础性应用产品，能够按照具体的机械和自动化产品要求输出符合规约的时间信息规格，从而完成同步授时的任务，可以实现高精度时间定位和信号输出，在工业领域内的应用十分广泛。空管自动化系统是航天空管部门进行空中指挥的核心系统，主要是通过雷达信号进行监视数据处理，为管制员提供空中飞行态势的实时报道，还有各种飞行冲突以及相应的警示。

随着航线和航班数量的快速增长，空中交通管制流量的不断增大，空管自动化系统在空中管制中所占据的位置也是越来越重要，而空管自动化系统则提供了重要的技术支撑，因此研究各类先进技术在空管自动化系统升级中的应用越来越受到学者和工程技术人员的重视，GPS时钟便是其中可以应用的重要技术模块。

1同步原理及同步技术

截止今日，GPS同步技术已经经历了几十年的发展[1]，最早应用于航天系统的GPS技术目前已经在各类民用产品中得到广泛的应用，该系统主要由三个部分组成，分别是GPS卫星星座、地面监控系统和GPS信号接收机。

从原理上来说，首先需要进行考量的是UTC时间，也就是全球时间坐标，这是通过地球共振原理所产生的一种时间计算方法，用共振式的原子钟度量时间的精确度要相对准确的多，上千年可能也不会存在一秒的误差，精确度要高于世界时，在目前的民航产业中，UTC已经成为了必须的模块，GPS时钟是全球系统的缩写，也是具有高精度的原子钟，并且可能通过地面监控系统保持精确的时间。用户接收机也就是我们通常意义所示的GPS时钟系统，可以通过对GPS卫星的观测直接就地获取准确的高精度传递授时间，该时间与UTC时间同步。NTP协议则是网路时间协议，是设计用来在网络上使得不同的机器能够保持同步时间的一种通信协议，NTP协议已经广泛的应用在了网络之中，客户端的工作模式得到实施，安装了NTP的网络时间服务器可以向网内的其他用户提供时间服务基准。我们windows电脑上的时间同步功能就是一个很好的例子。通过以上原理，GPS时钟实现同步功能，首先由GPS时钟从GPS卫星接收到一个精准的时钟信号，并将此作为基准时间。需要校对时间的用户要炼乳到GPS时钟所在的网络，并使用NTP协议来接收GPS时钟所广播在网内的时钟信号，从而对自己的时钟进行完整的校对。

2系统结构及软件配置

从基站结构上来说，不同的空管自动化系统基本相同[2]，主要由雷达数据前置处理系统、雷达数据处理子系统、飞行数据处理子系统和雷达综合数据显示终端、飞行数据显示终端、雷达数据记录和回访子系统、系统监控终端等组成，各个子系统是通过网络交换交换机组成的拓扑结构和局域网，系统采用三网运行方式，可以保证数据可靠，高效传输，系统网络要采用冗余结构，在双冗余网络管理软件的配合下，系统的双路配合在网络上提高了可用性，第三路主要是用于记录和重演数据提高雷达传输，网络传输需要高精度的GPS定位，可以保障网络使用的可靠性。

雷达数据系统的前处理包括雷达线路分配器和雷达数据处理器，误码检查以及雷达数据的各项预处理之后一并通过系统的网络传输来进行处理。子系统则对系统引接的雷达数据实现雷达数据控制，实现质量控制和信道优化。飞行处理子系统主要进行飞行电报和飞行计划的处理，并兼做系统数据库服务器，完成民航电报自动处理。飞行动态显示是雷达管制员进行监视和指挥空中系统的主要场所，可以显示多个飞行姿势。飞行计划显示器是助理管制员监视空中交通状态的管制场所。系统监控终端主要是技术人员对系统实时监控的席位，提供用于监控的人机交互界面，实现对系统的监控。

成熟的民航空管站配备可以使用的自动化系统，自动化的使用是通过软件和硬件之间相互的协调配合来完成的，从硬件结构上来说，空管站的系统一般采用多机多网络结构，网络之间相互独立，因此需要对各个网络的终端都进行校对操作，这个过程需要用GPS时钟来完成，拥有多个NTP输出模块的GPS时钟可以完成这项工作，在进行NTP网络协议输出时，可以配置不同网络段的IP，随机便可以使用NTP协议与网内的服务器进行校时，但这样所占据的服务器数量会相对较多，GPS时钟的贷款开销必然很大，而且很有可能会造成网络拥堵，因此可以将网段内的RDP服务器设置为本网端的时间服务器，负责接收GPS始终信息，并自动将本机与GPS时钟进行对时，使用这种分级方法可以大大降低系统带宽的开销。时钟配置的NTP网络理论上应该是越多越好，这样的输出模块就可以分级使用，此时，串口连接方式就显得非常有效，通过串口将GPS时钟信号输出，其他位置再利用NTP协议与RDP进行校时。

软件设计对于空管自动化系统的具体应用同样非常重要，为了能够结构和其他问题边缘化，需要设计一个程序可供RDP解析获取时钟信号，RDP服务器的功能是为了实现接收和解析，主要就是进程服务，运行进程对于系统内存的占用一直存在，并且不间断运行，进程服务从异步串行通信接口中接收GPS数据，检查GPS数据的完整性，组装出完整的GPS数据，在解析出完整的数据项目之后，修改本机的时间，而对于接收到的数据应该按照规定进行时间上的自由度匹配，更新配合及其的时间，进程服务可以进行状态查询，日志查询和内存占用查询，相应的日志文件会对后期校对起到重要作用。在软件使用终端使用tail命令跟踪日志文件，终端会不断的对日志信息进行输出。

3 系统维护

GPS接入的空管自动化系统的维护同样非常重要，系统结构是机械系统可靠性的指标之一，对于空管系统的维修工作主要是通过五个方面来进行。

首先是接入工作站的挂起或锁定，软件系统对输入的GPS信号没有任何反应。遇到类似的问题可以尝试从网络上另一台的工作站方位系统，在终端窗口中，输入强制停止命令来结束进程，直到系统做出反应，若系统不反应，可以尝试对系统进行重新启动，关闭控制电脑电源迫使电脑忘记数据后再启动。监控软件的网络故障也有可能发生，应该注意检查交换机和工作站的网络连接，雷达信号也同样可能会失联，此时也应该注意网络连接。

在注意保护结构稳定性的基础之上，空管系统大多数的故障都来在网络，所以应该定期对网络进行检查和更新，以免在工作关键时刻发生故障。

总结

随着民航业的不断发展，空管行业也逐渐面临着更大的压力和挑战，对安全性的要求也在逐步提高，而一个现代化、科技和含量高的空管自动化系统可以适应这种全新的挑战，硬件更加可靠、软件更加有效，安全性跟高，准确的时间对时可以对这种技术搭建起到强有力的支撑作用，为自动化系统提供了更可靠的数据和更高效的工作模式。

参考文献：

[1]文超，钟俊.一种适用于GPS信号异常情况的高精度主时钟设计方法（J）.电力系统保护与控制.2016.103-108.

[2]杨凌峰.空管自动化系统雷达航跡与飞行计划自动相关的探讨（J）.通讯世界.2016.63.endprint