空管雷達數據網絡傳輸時延監測系統的設計與實現

王勻 王蓓蓓

摘 要：各地單雷達數據經傳輸網絡匯集至空管自動化系統，再經融合處理后形成綜合航跡。偶發性的網絡傳輸時延，可能造成綜合航跡的失真，從而對管制工作造成影響。空管雷達數據網絡傳輸時延監測系統可對雷達數據傳輸的時延情況進行實時統計，輔助運維人員對異常單路雷達數據進行干預。文章闡述了空管雷達數據網絡傳輸時延監測系統的原理和實際部署情況。

關鍵詞：空管雷達;空管自動化系統;網絡傳輸時延

目前，民航空管自動化系統大多采用多路單雷達信息融合，以形成綜合航跡信息，而單路信息的時延可能造成綜合航跡信息的失真，甚至引起航跡分裂，從而對管制工作造成影響。

空管雷達數據網絡傳輸時延監測系統是南京萊斯信息技術股份有限公司為民航華北空管局區域管制中心開發的一套軟、硬件集成系統，可通過“時標信息加注設備”在雷達數據進、出傳輸網絡的位置，進行兩次UTC時標信息的加注，再由末端的監測終端對時標信息進行統計處理，從而得到網絡傳輸時延的實時統計信息。該系統能夠幫助運維人員實時掌握網絡傳輸時延情況，及時對時延較大的單雷達信息進行管控，避免其對空管自動化系統的影響。

1? ? 系統設計目標

系統主要用于分析特定雷達數據傳輸鏈路的網絡傳輸時延，具體功能如下：（1）能夠接收雷達數據幀，并解析多種雷達數據格式，提取時間戳信息;（2）雷達信號接口為RS-232/V.24同步數據端口，HDLC協議封裝;（3）系統本身具備接收GPS時鐘信息的能力;（4）能夠比對雷達數據幀的時間信息和本地GPS時間信息的差值，并進行統計分析處理;（5）能夠圖形化展示統計分析結果，并輸出報表;（6）提供移動設備，能夠發送帶時標信息的HDLC數據幀。

2? ? 時延監測系統原理及部署方式

（1）雷達源通過RS-232同步串行接口輸出HDLC協議封裝的雷達數據幀，再通過數據通信網絡傳輸至空管自動化系統前端。（2）網絡傳輸時延的計算依賴于數據幀攜帶的時間戳信息。通過比較數據幀時間戳與監測終端本地時間，即可計算獲得數據幀經過傳輸網絡的時延數值。（3）對于較新的雷達系統，例如Thales雷達的數據本身包含時間信息。只要該時間信息準確，監測終端接收到數據后與本地時間做比較，即可獲得雷達數據幀的傳輸時延。

對于不含時間信息的老式雷達系統，必須通過外部設備注入時間戳信息。因此，本系統設計了專用的便攜式時標加注設備，可臨時部署在傳輸網絡的入口和出口。監測終端通過解碼加注的時標信息，即可獲得數據傳輸時延。同時，出口處的時標加注設備能夠將時標信息去除，輸出原始雷達數據給最終的空管系統。此種模式也適用于時間戳不準確的雷達源監測。

實線表示雷達源1的數據傳輸路徑。數據在進、出傳輸網絡時，分別經過時標加注設備，共被添加兩次UTC時標信息，最后，再由監測終端接收。此場景下，監測終端通過比較兩次加注的時標信息，進行時延統計處理。

虛線表示雷達源2的數據傳輸路徑。雷達數據本身含有雷達錄取設備生成的時標信息，不經過任何時標加注設備，直接由監測終端接收處理。此場景下，監測終端通過比較數據自身時標信息和監測終端本地時間信息，進行時延統計處理。

3? ? 時標信息加注設備

時標信息加注設備內置GPS信號接收模塊以獲得精確的UTC時間，可提供精確到毫秒級別的時間戳信息。設備通過GPS信號進行時間校正后，可通過內部時鐘模塊維持本地時間。完成時間校正后，設備實時接收HDLC數據幀，并在數據幀末尾添加時間戳字段，以提供給監測終端。

設備提供3個RS-232同步串口，進行HDLC數據幀的收發。輸入端口P1接收HDLC數據幀，主用輸出端口P2輸出帶時標信息的HDLC數據幀（提供給時延監測終端），輔助輸出端口P3輸出原始HDLC數據幀（提供給空管自動化系統）。

4? ? 監測終端軟件功能設計

4.1? 雷達數據接收處理

監測終端由HDLC數據接收設備和數據處理終端構成，能夠接收HDLC數據幀，并對加注的時標信息進行解析和處理。同時，對于自身包含時標信息的雷達數據，監測終端可以解析并提取時間戳信息。

程序可解析的數據格式包括：Alenia MP2格式、ASTERIX CAT001/CAT002格式、ASTERIX CAT034/CAT048格式、ASTERIX CAT062格式。

4.2? 時延統計處理

時標信息處理包括3種方式：第一種，對經過兩次時標信息加注的雷達數據，通過比較時間戳獲得時間差值。第二種，對經過一次時標信息加注的雷達數據，通過比較時間戳和監測終端本地時間獲得時間差值。第三種，對本身帶有時標信息的雷達數據，監測終端按照雷達數據格式進行解析，獲得數據幀的內部時標信息，再對比監測終端本地時間獲得時間差值。

4.3? 雷達數據扇號幀統計

標準的雷達數據除了包含目標信息幀，也會輸出扇信息幀，每周期為16或32扇。通過統計每周期的扇號幀是否完整，可以在一定程度上反映傳輸過程中數據幀丟失的情況。需要注意扇號幀丟失很大概率伴隨數據幀的丟失情況，但是扇號幀無丟失并不表示數據幀一定沒有丟失的情況。時延監測終端通過統計扇號幀丟失情況，可評估傳輸網絡的丟包率。

4.4? 雷達數據正北幀時差統計

包含扇信息幀的雷達數據，通常也包含正北幀。理論上，正北幀之間的時間間隔與雷達天線的自轉周期一致，通常為4 s。經過不穩定的傳輸網絡后，正北幀時差會發生較大幅度的波動。時延監測終端通過統計正北幀時差，可評估傳輸網絡的延遲抖動情況。

4.5? 可視化結果輸出

統計處理程序實時進行多種觀測指標的統計處理，并通過圖形界面進行可視化輸出。圖2為延遲統計散點圖，顯示了每個統計周期的3種時延數據：延遲最小值、延遲最大值、延遲平均值。

可見，延遲平均值基本可擬合為直線，但是呈緩慢增加的態勢。經分析，這是由于時標加注設備脫離GPS信號后，內置時鐘模塊發生時鐘漂移所致。

4.6? 統計數據存儲

監測程序將實時處理獲得的時延統計數據存儲于本機數據庫中，運維人員事后可通過軟件進行查詢和報表輸出。

5? ? 結語

該系統部署上線后，主要針對自帶時標信息的雷達數據進行時延監測，對偶發性的傳輸延時異常情況，可提供詳細的統計數據報表，幫助運維人員排查故障。時延監測系統為華北區管中心空管系統的運行保障提供了積極有效的支持手段。

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