摘 要： 在vxWorks嵌入式實時操作系統下，硬件采用PC104，實現了網絡和串口的主備份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器完成主、備份機器之間的自動切換，使得ADS-B地面站給監視終端的數據保持連續，保證了管制員對目標的全天候實時監控，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；vxWorks；ADS-B；熱備份
0 引言
廣播式自動相關監視[1-7]（ADS-B）是基于GPS衛星定位和地/空數據鏈通信的航空器運行監視系統。ADS-B機載電子設備通過地-空/空-空數據鏈自動廣播飛機的呼號、位置、高度、速度和其他一些參數。其他的飛機、地面站、網關都可以通過數據鏈接收此數據，并用于空中交通管理監視服務、駕駛艙交通信息顯示（CDTI）等。ADS-B成功應用于無雷達地區的遠程航空器運行監視，且與傳統雷達監視技術相比，其技術具有使用成本低、精度誤差小、數據更新率高以及監視能力強等明顯優勢，對于高密度飛行區域的空中交通服務也有廣泛的應用前景，如場面監視等。許多國家把它當作下一代監視技術的發展方向。
vxWorks 是由美國WRS（Wind River Systems Inc.）公司開發的一套微內核、高可靠性、可裁減的嵌入式實時操作系統，為程序設計者提供了高效的實時任務調度、中斷管理、實時的系統資源以及實時的任務間通信[1]。因此該操作系統已經廣泛地應用于航空、航天、艦船、通信、醫療等關鍵領域。
ADS-B地面站作為航空的監視設備，為了確保管制員能實時地監視飛機，設備的實時性和穩定性必須滿足民航的要求[6]。根據vxWorks實時操作系統的特性，ADS-B地面站的數據處理系統是基于vxWorks操作系統開發的應用程序，并采用雙機熱備份的方式來滿足對ADS-B數據的實時處理。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，在系統正常情況下，工作機為監視終端提供ADS-B數據，備份機監視工作機的運行情況，同時也監視自己是否正常，當備份機因某種原因出現異常時，備份機主動向工作機、監視終端和維護終端發出故障信息，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。當工作機出現異常時，發命令給備份機，使備份機切換為工作機，保證ADS-B數據能夠不間斷地向監視終端發送。同時也把故障的信息發送到監視終端，告知維護人員及時處理地面站的故障。熱備份系統構架如圖1所示。
圖1呈現了ADS-B地面站雙機熱備份的整個系統設計方式，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送給監視和維護終端。當整個系統運行正常后，地面站和監視終端之間也有相互的網絡監視功能，實時監視地面站和監視終端以及監視終端到網絡的狀態。
2 系統實現
2.1 程序設計流程
系統初始化時，發起了主、備份機器之間的網絡和串口的心跳報文接收處理任務，系統初始化完畢后，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，則根據信息的內容設置本機的主、備份參數；如果在一定周期內串口任務沒有收到其他機器的反饋信息，本機器就采用網絡的方式繼續廣播主、備份機器之間的心跳報文，如果網絡任務在一定的周期內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，在系統運行的期間，系統實時地監視本機的運行情況，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 信息交互協議設計
為了使ADS-B地面站主、備機器以及ADS-B地面站與監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范的性能要求。因此，本設計方案應用在數據鏈UAT和1090ES的ADS-B地面站設計中，而且數據鏈UAT的ADS-B地面站在飛行學院成功地使用了6年左右，該設計經過了實踐的驗證，滿足民航的設備使用規范要求。同時，該設計在數據鏈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表明可以通過監視終端來對地面站進行主、備份切換，同時也可以監視地面站的運行狀態，并給用戶提供告警顯示。
4 結論
采用vxWorks操作系統的任務調度方式，系統設計的過程中充分考慮了任務的優先級設置處理，通過Tornado集成開發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。系統運行的過程中，實時監視主、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地面站到監視終端的數據的連續性和穩定性，提高了管制員指揮飛機的安全性。
參考文獻
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[7] 李自俊.ADS-B廣播式自動相關監視原理及未來的發展和應用[J].中國民航飛行學院學報，2008，19（5）：11-14.