基于网络化的场监雷达监控系统设计

邵威　刘健

摘要：机场场面监视雷达是航空交通管理的重要工具，监控系统更是雷达稳定工作的核心。该文介绍了一种网络化的场监雷达监控系统，给出了实现网络化的原理和系统网络架构，详细介绍了基于网络控制的冗余切换技术，并通过在实际雷达上的应用，证明了系统的有效性。

关键词：场监雷达；监控系统；网络化设计

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）10-0216-02

1 概述

20世纪60年代，机场场面监视雷达在国外开始了应用试验，此时的机场场面监视雷达多工作于毫米波段，从而仅利用很小的天线就可获得很好的方位向分辨率。然而，由于毫米波波段受降雨的影响较大，并没有得到广泛的应用。为了降低降雨对雷达性能的影响，随着低频段（Ku、X）雷达技术相继成熟，机场场面监视雷达得到了广泛的应用[1]。

根据国际民航组织ICAO规定，机场场面监视雷达不仅具有检测机场活动区域（跑道和滑行道）运动、静止目标的能力，还需具有一定的非活动区域（如：停机坪、维修区等）目标监视能力，具有较高距离和方位分辨率，能够提供超过1Hz的数据率，能够快速、可靠、精确地探测到机场场面上飞机和机动车辆的运动状况。作为提升机场运行效率，保证交通引导安全的重要设备，机场场面监视雷达已广泛应用于各种大型复杂机场[2]。

场监雷达监控系统的主要任务是：雷达全机的控制（雷达工作模式控制/工作参数选择、天线驱动与方位变换等）、监视（工作环境、状态和参数显示）、监测（故障采集、诊断、定位和报警）等功能，同时可完成雷达的全机冗余切换。

本文从实际应用的需求出发，详细描述了机场场面监视雷达监控系统的设计方法，并给出了在实际场监雷达中应用案例。

2 监控系统网络化结构

2.1 网络芯片

网络芯片采用W5100 芯片，这是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10M/100M以太网控制器，可以实现没有操作系统的网络连接，与IEEE802.3 10BASE-T 和802.3u 100BASE-TX 兼容。其内部集成了硬件TCP/IP 协议栈，支持各种通用网络协议[3]。

W5100 内部集成了全硬件的TCP/IP 协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY），其内部结构如图1所示。

2.2 网络化架构

机场场面监视雷达主要包括转台系统、收发系统、信号处理系统、终端系统和监控系统构成，其中除了天线转台系统外，其他系统均为双套冗余[4]。雷达监控系统的主要任务就是采集其他各个分系统的状态参数，并根据各个状态参数的变化对各个分系统发送控制指令，包括发射开关机、天线旋转启停、备份设备切换、雷达复位等关键指令[5]。所有设备采用网络连接具体系统结构如图2所示。

监控系统包括综合控制和远端测控两个部分。综合控制工作在地面的数字分机中，用于对信号系统和终端系统进行状态监测和控制，而远端测控则工作在天线下面的收发机柜中，用于对发射系统和接收系统进行状态监测和控制。监控系统将雷达的状态数据打包后，通过FPGA控制W5100芯片，将数据通过网络传输给远程显控系统，再由远程显控系统进行故障综合和状态相关后，对整机雷达的冗余切换进行控制。

3 冗余切换设计

3.1 数字通道切换

因为监控系统负责整机的控制，所以要完成整机的冗余切换控制，就首先要完成监控自身的切换[6]，监控分系统中含收发分机内的远端测控插件和数字分机内的综合控制插件，远端测控和收发分机一起完成切换，其状态信息打包在收发分机状态信息内。

而综合控制插件采用硬件看门狗和主控程序仲裁完成冗余切换，正常工作时，A为工作，B为待命。同时A、B相互喂狗，若A停止喂狗，则B向运行在显控计算机中的主控程序发送综合控制A故障确认指令，由主控程序确认综合控制A故障后，将监控切换到综合控制B，同时综合控制B对综合控制A发出复位指令。具体如图 3所示。

数字分机中的信号处理插件和数据处理插件通过机箱背板连接的CPCI总线进行通讯，所以信号处理和数据处理插件要同时切换，若A发生故障后，主控程序通过网络同时通知综合控制插件和远端监控插件，综合控制通过TTL通知信号处理完成主从切换，远端监控通过串口通知接收分系统停止响应信号处理A的时序和数据，开始响应信号处理B的时序和数据，切换完成。

3.2 模拟通道切换

监控分系统负责全机的双机切换，由于收发分机的监视和控制需要经过远端监控，其切换控制时间较数字分机的切换时间要慢，所以对收发分机的双机切换时间进行分析。

默认收发分机A正在工作，发生故障后，需切换到收发分机B，其流程图如图4所示。

4 结论

在某型机场场面监视雷达中使用了本文提出的网络化监控系统，通过网络对整机雷达的所有设备进行监视和控制，利用W5100芯片，完成了设备之间的网络数据交换，既降低了设计成本，又提高了设备的可靠性。

通过现场使用效果可以看出，本文提出的网络化方法是有效的，可以很好的解决了场监雷达长时间可靠稳定工作的要求。

参考文献：

[1] 李斌，张冠杰.场面监视雷达技术发展综述[J].火控雷达技术，2010（2）：1-7.

[2] 王朝晖.SCANTER2001场面监视雷达的故障检修[J].空中交通管理，2011（9）：53-55.

[3] W5100 数据手册（V1.1.8）[Z].

[4] 张睿，孔金凤.机场场面监视技术的比较及发展[J].中国西部科技，2010（1）：121-123.

[5] Galati， Gaspare.Airport Surveillance Processing Chain for High Resolution Radar[J].Aerospace and Electronic Systems， 2010（5）： 1522 - 1533.

[6] 黄翌.气球控制中的双机冗余设计[J].信息与电子工程，2010（6）：357-360.