摘  要： 在vxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)下，硬件采用PC104，實現(xiàn)了網(wǎng)絡和串口的主備份ADS-B地面站之間進行信息交互，通過主、備份機器之間的心跳計數(shù)器完成主、備份機器之間的自動切換，使得ADS-B地面站給監(jiān)視終端的數(shù)據(jù)保持連續(xù)，保證了管制員對目標的全天候實時監(jiān)控，確保空中交通的安全。同時提供命令接口供用戶強制實現(xiàn)主、備機器的切換，解決了空管設備的雙機熱備份之間的自動切換。

　　關鍵詞： 實時操作系統(tǒng)；vxWorks；ADS-B；熱備份

0 引言

　　廣播式自動相關監(jiān)視[1-7]（ADS-B）是基于GPS衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視系統(tǒng)。ADS-B機載電子設備通過地-空/空-空數(shù)據(jù)鏈自動廣播飛機的呼號、位置、高度、速度和其他一些參數(shù)。其他的飛機、地面站、網(wǎng)關都可以通過數(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、駕駛艙交通信息顯示（CDTI）等。ADS-B成功應用于無雷達地區(qū)的遠程航空器運行監(jiān)視，且與傳統(tǒng)雷達監(jiān)視技術相比，其技術具有使用成本低、精度誤差小、數(shù)據(jù)更新率高以及監(jiān)視能力強等明顯優(yōu)勢，對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務也有廣泛的應用前景，如場面監(jiān)視等。許多國家把它當作下一代監(jiān)視技術的發(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、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)，為程序設計者提供了高效的實時任務調度、中斷管理、實時的系統(tǒng)資源以及實時的任務間通信[1]。因此該操作系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應用于航空、航天、艦船、通信、醫(yī)療等關鍵領域。

　　ADS-B地面站作為航空的監(jiān)視設備，為了確保管制員能實時地監(jiān)視飛機，設備的實時性和穩(wěn)定性必須滿足民航的要求[6]。根據(jù)vxWorks實時操作系統(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)的應用程序，并采用雙機熱備份的方式來滿足對ADS-B數(shù)據(jù)的實時處理。本文對雙機熱備份的自動切換提出了一種解決方案。

1 ADS-B地面站的熱備份構架

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

　　圖1呈現(xiàn)了ADS-B地面站雙機熱備份的整個系統(tǒng)設計方式，為了確保自動切換可靠性，設計的過程中采用了雙通道的自動切換信息交互，即串口和網(wǎng)絡。為了確保主、備份機器之間信息交換通道的暢通性，主、備份機器在信息交互通道之間啟用了心跳包來確認通道是否暢通，并把通道失效的消息發(fā)送給監(jiān)視和維護終端。當整個系統(tǒng)運行正常后，地面站和監(jiān)視終端之間也有相互的網(wǎng)絡監(jiān)視功能，實時監(jiān)視地面站和監(jiān)視終端以及監(jiān)視終端到網(wǎng)絡的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　2.1 程序設計流程

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

　　2.2 信息交互協(xié)議設計

　　為了使ADS-B地面站主、備機器以及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，本文設計了ADS-B地面站主、備份機器以及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，有利于程序設計的獨立性和模塊化。信息格式如表1和表2所示。

3 應用和驗證

　　雙機熱備份是民航使用設備的規(guī)范要求[6]，因此在設計民航使用的設備時，都必須考慮到雙機熱備份的設計方案，同時設計的方案必須滿足民航規(guī)范的性能要求。因此，本設計方案應用在數(shù)據(jù)鏈UAT和1090ES的ADS-B地面站設計中，而且數(shù)據(jù)鏈UAT的ADS-B地面站在飛行學院成功地使用了6年左右，該設計經(jīng)過了實踐的驗證，滿足民航的設備使用規(guī)范要求。同時，該設計在數(shù)據(jù)鏈1090ES的ADS-B地面站設計中的應用通過了民航使用設備的規(guī)范要求測試，在申請獲取整套1090ES地面站設備的使用許可證。而且該設計方案的響應時間在自動切換時不高于5 s，用戶命令切換時不高于1 s，驗證結果如圖3所示。圖3表明可以通過監(jiān)視終端來對地面站進行主、備份切換，同時也可以監(jiān)視地面站的運行狀態(tài)，并給用戶提供告警顯示。

4 結論

　　采用vxWorks操作系統(tǒng)的任務調度方式，系統(tǒng)設計的過程中充分考慮了任務的優(yōu)先級設置處理，通過Tornado集成開發(fā)平臺的仿真和工程應用的測試，使主、備份機器的處理任務能實時自動切換，同時能響應用戶外部命令的設置處理。系統(tǒng)運行的過程中，實時監(jiān)視主、備份機器之間的異常和心跳報文通道的暢通情況，使異常處理信息的交互通道可得，確保主、備份機器切換命令的可靠性以及實時性，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的安全性。

參考文獻

　　[1] 孔祥營，柏桂枝.嵌入式實時操作系統(tǒng)vxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado[M].北京：中國電力出版社，2002.

　　[2] SC-186， RTCA DO-282A. Minimum operational performance standards for universal access transceiver（UAT） automatic dependent surveillance-broadcast （ADS-B）[S]. RTCA， Inc.，2004.

　　[3] SC-186， RTCA DO-282B. Minimum operational performance standards for universal access transceiver （UAT） automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）[S]. RTCA， Inc.，2009.

　　[4] SC-186， RTCA DO-260A. Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B） and traffic information services-broadcast （TIS-B）[S]. RTCA， Inc.，2006.

　　[5] SC-186， RTCA DO-260B. Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B） and traffic information services-broadcast （TIS-B）[S]. RTCA， Inc.，2009.

　　[6] 中國民用航空局.MH/T 4036-2012，1 090 MHz擴展電文廣播式自動相關監(jiān)視地面站（接收）設備測試要求[S].北京，2012.

　　[7] 李自俊.ADS-B廣播式自動相關監(jiān)視原理及未來的發(fā)展和應用[J].中國民航飛行學院學報，2008，19（5）：11-14.