GPS時鐘在空管自動化系統(tǒng)中的應用

李鋒

摘 要：航空業(yè)的發(fā)展離不開自動化技術的支撐，基于網(wǎng)絡自動化的空管系統(tǒng)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(tǒng)的搭建提供重要支持，相關的研究結果對該系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了相關思路。

關鍵詞：航空業(yè)；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(tǒng)模塊開發(fā)的基礎性應用產(chǎn)品，能夠按照具體的機械和自動化產(chǎn)品要求輸出符合規(guī)約的時間信息規(guī)格，從而完成同步授時的任務，可以實現(xiàn)高精度時間定位和信號輸出，在工業(yè)領域內的應用十分廣泛。空管自動化系統(tǒng)是航天空管部門進行空中指揮的核心系統(tǒng)，主要是通過雷達信號進行監(jiān)視數(shù)據(jù)處理，為管制員提供空中飛行態(tài)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(shù)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(tǒng)在空中管制中所占據(jù)的位置也是越來越重要，而空管自動化系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展[1]，最早應用于航天系統(tǒng)的GPS技術目前已經(jīng)在各類民用產(chǎn)品中得到廣泛的應用，該系統(tǒng)主要由三個部分組成，分別是GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)中，UTC已經(jīng)成為了必須的模塊，GPS時鐘是全球系統(tǒng)的縮寫，也是具有高精度的原子鐘，并且可能通過地面監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)，可以通過對GPS衛(wèi)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(xié)議則是網(wǎng)路時間協(xié)議，是設計用來在網(wǎng)絡上使得不同的機器能夠保持同步時間的一種通信協(xié)議，NTP協(xié)議已經(jīng)廣泛的應用在了網(wǎng)絡之中，客戶端的工作模式得到實施，安裝了NTP的網(wǎng)絡時間服務器可以向網(wǎng)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(xiàn)同步功能，首先由GPS時鐘從GPS衛(wèi)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(wǎng)絡，并使用NTP協(xié)議來接收GPS時鐘所廣播在網(wǎng)內的時鐘信號，從而對自己的時鐘進行完整的校對。

2系統(tǒng)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(tǒng)基本相同[2]，主要由雷達數(shù)據(jù)前置處理系統(tǒng)、雷達數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和雷達綜合數(shù)據(jù)顯示終端、飛行數(shù)據(jù)顯示終端、雷達數(shù)據(jù)記錄和回訪子系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控終端等組成，各個子系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡交換交換機組成的拓撲結構和局域網(wǎng)，系統(tǒng)采用三網(wǎng)運行方式，可以保證數(shù)據(jù)可靠，高效傳輸，系統(tǒng)網(wǎng)絡要采用冗余結構，在雙冗余網(wǎng)絡管理軟件的配合下，系統(tǒng)的雙路配合在網(wǎng)絡上提高了可用性，第三路主要是用于記錄和重演數(shù)據(jù)提高雷達傳輸，網(wǎng)絡傳輸需要高精度的GPS定位，可以保障網(wǎng)絡使用的可靠性。

雷達數(shù)據(jù)系統(tǒng)的前處理包括雷達線路分配器和雷達數(shù)據(jù)處理器，誤碼檢查以及雷達數(shù)據(jù)的各項預處理之后一并通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸來進行處理。子系統(tǒng)則對系統(tǒng)引接的雷達數(shù)據(jù)實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)控制，實現(xiàn)質量控制和信道優(yōu)化。飛行處理子系統(tǒng)主要進行飛行電報和飛行計劃的處理，并兼做系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器，完成民航電報自動處理。飛行動態(tài)顯示是雷達管制員進行監(jiān)視和指揮空中系統(tǒng)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(jiān)視空中交通狀態(tài)的管制場所。系統(tǒng)監(jiān)控終端主要是技術人員對系統(tǒng)實時監(jiān)控的席位，提供用于監(jiān)控的人機交互界面，實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控。

成熟的民航空管站配備可以使用的自動化系統(tǒng)，自動化的使用是通過軟件和硬件之間相互的協(xié)調配合來完成的，從硬件結構上來說，空管站的系統(tǒng)一般采用多機多網(wǎng)絡結構，網(wǎng)絡之間相互獨立，因此需要對各個網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議輸出時，可以配置不同網(wǎng)絡段的IP，隨機便可以使用NTP協(xié)議與網(wǎng)內的服務器進行校時，但這樣所占據(jù)的服務器數(shù)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(wǎng)絡擁堵，因此可以將網(wǎng)段內的RDP服務器設置為本網(wǎng)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(tǒng)帶寬的開銷。時鐘配置的NTP網(wǎng)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(xié)議與RDP進行校時。

軟件設計對于空管自動化系統(tǒng)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(xiàn)接收和解析，主要就是進程服務，運行進程對于系統(tǒng)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(shù)據(jù)，檢查GPS數(shù)據(jù)的完整性，組裝出完整的GPS數(shù)據(jù)，在解析出完整的數(shù)據(jù)項目之后，修改本機的時間，而對于接收到的數(shù)據(jù)應該按照規(guī)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(tài)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(tǒng)維護

GPS接入的空管自動化系統(tǒng)的維護同樣非常重要，系統(tǒng)結構是機械系統(tǒng)可靠性的指標之一，對于空管系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡上另一臺的工作站方位系統(tǒng)，在終端窗口中，輸入強制停止命令來結束進程，直到系統(tǒng)做出反應，若系統(tǒng)不反應，可以嘗試對系統(tǒng)進行重新啟動，關閉控制電腦電源迫使電腦忘記數(shù)據(jù)后再啟動。監(jiān)控軟件的網(wǎng)絡故障也有可能發(fā)生，應該注意檢查交換機和工作站的網(wǎng)絡連接，雷達信號也同樣可能會失聯(lián)，此時也應該注意網(wǎng)絡連接。

在注意保護結構穩(wěn)定性的基礎之上，空管系統(tǒng)大多數(shù)的故障都來在網(wǎng)絡，所以應該定期對網(wǎng)絡進行檢查和更新，以免在工作關鍵時刻發(fā)生故障。

總結

隨著民航業(yè)的不斷發(fā)展，空管行業(yè)也逐漸面臨著更大的壓力和挑戰(zhàn)，對安全性的要求也在逐步提高，而一個現(xiàn)代化、科技和含量高的空管自動化系統(tǒng)可以適應這種全新的挑戰(zhàn)，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(tǒng)提供了更可靠的數(shù)據(jù)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(tǒng)保護與控制.2016.103-108.

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