摘  要： 在vxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下，硬件采用PC104，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)和串口的主備份ADS-B地面站之間進(jìn)行信息交互，通過主、備份機(jī)器之間的心跳計(jì)數(shù)器完成主、備份機(jī)器之間的自動(dòng)切換，使得ADS-B地面站給監(jiān)視終端的數(shù)據(jù)保持連續(xù)，保證了管制員對(duì)目標(biāo)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控，確?？罩薪煌ǖ陌踩?。同時(shí)提供命令接口供用戶強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)主、備機(jī)器的切換，解決了空管設(shè)備的雙機(jī)熱備份之間的自動(dòng)切換。

　　關(guān)鍵詞： 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；vxWorks；ADS-B；熱備份

0 引言

　　廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視[1-7]（ADS-B）是基于GPS衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。ADS-B機(jī)載電子設(shè)備通過地-空/空-空數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)廣播飛機(jī)的呼號(hào)、位置、高度、速度和其他一些參數(shù)。其他的飛機(jī)、地面站、網(wǎng)關(guān)都可以通過數(shù)據(jù)鏈接收此數(shù)據(jù)，并用于空中交通管理監(jiān)視服務(wù)、駕駛艙交通信息顯示（CDTI）等。ADS-B成功應(yīng)用于無雷達(dá)地區(qū)的遠(yuǎn)程航空器運(yùn)行監(jiān)視，且與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，其技術(shù)具有使用成本低、精度誤差小、數(shù)據(jù)更新率高以及監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)也有廣泛的應(yīng)用前景，如場(chǎng)面監(jiān)視等。許多國家把它當(dāng)作下一代監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向。

　　vxWorks 是由美國WRS（Wind River Systems Inc.）公司開發(fā)的一套微內(nèi)核、高可靠性、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為程序設(shè)計(jì)者提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信[1]。因此該操作系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、艦船、通信、醫(yī)療等關(guān)鍵領(lǐng)域。

　　ADS-B地面站作為航空的監(jiān)視設(shè)備，為了確保管制員能實(shí)時(shí)地監(jiān)視飛機(jī)，設(shè)備的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性必須滿足民航的要求[6]。根據(jù)vxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特性，ADS-B地面站的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是基于vxWorks操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序，并采用雙機(jī)熱備份的方式來滿足對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。本文對(duì)雙機(jī)熱備份的自動(dòng)切換提出了一種解決方案。

1 ADS-B地面站的熱備份構(gòu)架

　　所謂雙機(jī)熱備份就是一臺(tái)ADS-B地面站為工作機(jī)，另一臺(tái)ADS-B地面站為備份機(jī)，在系統(tǒng)正常情況下，工作機(jī)為監(jiān)視終端提供ADS-B數(shù)據(jù)，備份機(jī)監(jiān)視工作機(jī)的運(yùn)行情況，同時(shí)也監(jiān)視自己是否正常，當(dāng)備份機(jī)因某種原因出現(xiàn)異常時(shí)，備份機(jī)主動(dòng)向工作機(jī)、監(jiān)視終端和維護(hù)終端發(fā)出故障信息，告知維護(hù)人員及時(shí)處理地面站的故障，確保下一次切換的可靠性。當(dāng)工作機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)命令給備份機(jī)，使備份機(jī)切換為工作機(jī)，保證ADS-B數(shù)據(jù)能夠不間斷地向監(jiān)視終端發(fā)送。同時(shí)也把故障的信息發(fā)送到監(jiān)視終端，告知維護(hù)人員及時(shí)處理地面站的故障。熱備份系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

　　圖1呈現(xiàn)了ADS-B地面站雙機(jī)熱備份的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，為了確保自動(dòng)切換可靠性，設(shè)計(jì)的過程中采用了雙通道的自動(dòng)切換信息交互，即串口和網(wǎng)絡(luò)。為了確保主、備份機(jī)器之間信息交換通道的暢通性，主、備份機(jī)器在信息交互通道之間啟用了心跳包來確認(rèn)通道是否暢通，并把通道失效的消息發(fā)送給監(jiān)視和維護(hù)終端。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常后，地面站和監(jiān)視終端之間也有相互的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能，實(shí)時(shí)監(jiān)視地面站和監(jiān)視終端以及監(jiān)視終端到網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 程序設(shè)計(jì)流程

　　系統(tǒng)初始化時(shí)，發(fā)起了主、備份機(jī)器之間的網(wǎng)絡(luò)和串口的心跳報(bào)文接收處理任務(wù)，系統(tǒng)初始化完畢后，如果沒有異常，本機(jī)先采用串口的方式在定時(shí)器模塊中發(fā)送主、備份機(jī)器之間的心跳報(bào)文，如果串口任務(wù)接收到其他機(jī)器的反饋信息，則根據(jù)信息的內(nèi)容設(shè)置本機(jī)的主、備份參數(shù)；如果在一定周期內(nèi)串口任務(wù)沒有收到其他機(jī)器的反饋信息，本機(jī)器就采用網(wǎng)絡(luò)的方式繼續(xù)廣播主、備份機(jī)器之間的心跳報(bào)文，如果網(wǎng)絡(luò)任務(wù)在一定的周期內(nèi)沒有接收到其他機(jī)器反饋的信息，就設(shè)置本機(jī)器為主，由于沒有獲得其他機(jī)器反饋的信息，本機(jī)器作為主機(jī)時(shí)，將采用串口的方式廣播主、備份機(jī)器之間的心跳包。本機(jī)初始化完畢后，在系統(tǒng)運(yùn)行的期間，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地監(jiān)視本機(jī)的運(yùn)行情況，同時(shí)響應(yīng)用戶設(shè)置主、備份機(jī)器的命令。程序流程如圖2所示。

　　2.2 信息交互協(xié)議設(shè)計(jì)

　　為了使ADS-B地面站主、備機(jī)器以及ADS-B地面站與監(jiān)視終端之間交互的信息的一致性和可靠性，本文設(shè)計(jì)了ADS-B地面站主、備份機(jī)器以及ADS-B地面站與監(jiān)視終端的信息交換格式，方便了信息的編解碼，有利于程序設(shè)計(jì)的獨(dú)立性和模塊化。信息格式如表1和表2所示。

3 應(yīng)用和驗(yàn)證

　　雙機(jī)熱備份是民航使用設(shè)備的規(guī)范要求[6]，因此在設(shè)計(jì)民航使用的設(shè)備時(shí)，都必須考慮到雙機(jī)熱備份的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)設(shè)計(jì)的方案必須滿足民航規(guī)范的性能要求。因此，本設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在數(shù)據(jù)鏈UAT和1090ES的ADS-B地面站設(shè)計(jì)中，而且數(shù)據(jù)鏈UAT的ADS-B地面站在飛行學(xué)院成功地使用了6年左右，該設(shè)計(jì)經(jīng)過了實(shí)踐的驗(yàn)證，滿足民航的設(shè)備使用規(guī)范要求。同時(shí)，該設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)鏈1090ES的ADS-B地面站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用通過了民航使用設(shè)備的規(guī)范要求測(cè)試，在申請(qǐng)獲取整套1090ES地面站設(shè)備的使用許可證。而且該設(shè)計(jì)方案的響應(yīng)時(shí)間在自動(dòng)切換時(shí)不高于5 s，用戶命令切換時(shí)不高于1 s，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。圖3表明可以通過監(jiān)視終端來對(duì)地面站進(jìn)行主、備份切換，同時(shí)也可以監(jiān)視地面站的運(yùn)行狀態(tài)，并給用戶提供告警顯示。

4 結(jié)論

　　采用vxWorks操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中充分考慮了任務(wù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置處理，通過Tornado集成開發(fā)平臺(tái)的仿真和工程應(yīng)用的測(cè)試，使主、備份機(jī)器的處理任務(wù)能實(shí)時(shí)自動(dòng)切換，同時(shí)能響應(yīng)用戶外部命令的設(shè)置處理。系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)視主、備份機(jī)器之間的異常和心跳報(bào)文通道的暢通情況，使異常處理信息的交互通道可得，確保主、備份機(jī)器切換命令的可靠性以及實(shí)時(shí)性，從而保證了ADS-B地面站到監(jiān)視終端的數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，提高了管制員指揮飛機(jī)的安全性。

參考文獻(xiàn)

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