空管雷达数据网络传输时延监测系统的设计与实现

王匀 王蓓蓓

摘 要：各地单雷达数据经传输网络汇集至空管自动化系统，再经融合处理后形成综合航迹。偶发性的网络传输时延，可能造成综合航迹的失真，从而对管制工作造成影响。空管雷达数据网络传输时延监测系统可对雷达数据传输的时延情况进行实时统计，辅助运维人员对异常单路雷达数据进行干预。文章阐述了空管雷达数据网络传输时延监测系统的原理和实际部署情况。

关键词：空管雷达;空管自动化系统;网络传输时延

目前，民航空管自动化系统大多采用多路单雷达信息融合，以形成综合航迹信息，而单路信息的时延可能造成综合航迹信息的失真，甚至引起航迹分裂，从而对管制工作造成影响。

空管雷达数据网络传输时延监测系统是南京莱斯信息技术股份有限公司为民航华北空管局区域管制中心开发的一套软、硬件集成系统，可通过“时标信息加注设备”在雷达数据进、出传输网络的位置，进行两次UTC时标信息的加注，再由末端的监测终端对时标信息进行统计处理，从而得到网络传输时延的实时统计信息。该系统能够帮助运维人员实时掌握网络传输时延情况，及时对时延较大的单雷达信息进行管控，避免其对空管自动化系统的影响。

1    系统设计目标

系统主要用于分析特定雷达数据传输链路的网络传输时延，具体功能如下：（1）能够接收雷达数据帧，并解析多种雷达数据格式，提取时间戳信息;（2）雷达信号接口为RS-232/V.24同步数据端口，HDLC协议封装;（3）系统本身具备接收GPS时钟信息的能力;（4）能够比对雷达数据帧的时间信息和本地GPS时间信息的差值，并进行统计分析处理;（5）能够图形化展示统计分析结果，并输出报表;（6）提供移动设备，能够发送带时标信息的HDLC数据帧。

2    时延监测系统原理及部署方式

（1）雷达源通过RS-232同步串行接口输出HDLC协议封装的雷达数据帧，再通过数据通信网络传输至空管自动化系统前端。（2）网络传输时延的计算依赖于数据帧携带的时间戳信息。通过比较数据帧时间戳与监测终端本地时间，即可计算获得数据帧经过传输网络的时延数值。（3）对于较新的雷达系统，例如Thales雷达的数据本身包含时间信息。只要该时间信息准确，监测终端接收到数据后与本地时间做比较，即可获得雷达数据帧的传输时延。

对于不含时间信息的老式雷达系统，必须通过外部设备注入时间戳信息。因此，本系统设计了专用的便携式时标加注设备，可临时部署在传输网络的入口和出口。监测终端通过解码加注的时标信息，即可获得数据传输时延。同时，出口处的时标加注设备能够将时标信息去除，输出原始雷达数据给最终的空管系统。此种模式也适用于时间戳不准确的雷达源监测。

实线表示雷达源1的数据传输路径。数据在进、出传输网络时，分别经过时标加注设备，共被添加两次UTC时标信息，最后，再由监测终端接收。此场景下，监测终端通过比较两次加注的时标信息，进行时延统计处理。

虚线表示雷达源2的数据传输路径。雷达数据本身含有雷达录取设备生成的时标信息，不经过任何时标加注设备，直接由监测终端接收处理。此场景下，监测终端通过比较数据自身时标信息和监测终端本地时间信息，进行时延统计处理。

3    时标信息加注设备

时标信息加注设备内置GPS信号接收模块以获得精确的UTC时间，可提供精确到毫秒级别的时间戳信息。设备通过GPS信号进行时间校正后，可通过内部时钟模块维持本地时间。完成时间校正后，设备实时接收HDLC数据帧，并在数据帧末尾添加时间戳字段，以提供给监测终端。

设备提供3个RS-232同步串口，进行HDLC数据帧的收发。输入端口P1接收HDLC数据帧，主用输出端口P2输出带时标信息的HDLC数据帧（提供给时延监测终端），辅助输出端口P3输出原始HDLC数据帧（提供给空管自动化系统）。

4    监测终端软件功能设计

4.1  雷达数据接收处理

监测终端由HDLC数据接收设备和数据处理终端构成，能够接收HDLC数据帧，并对加注的时标信息进行解析和处理。同时，对于自身包含时标信息的雷达数据，监测终端可以解析并提取时间戳信息。

程序可解析的数据格式包括：Alenia MP2格式、ASTERIX CAT001/CAT002格式、ASTERIX CAT034/CAT048格式、ASTERIX CAT062格式。

4.2  时延统计处理

时标信息处理包括3种方式：第一种，对经过两次时标信息加注的雷达数据，通过比较时间戳获得时间差值。第二种，对经过一次时标信息加注的雷达数据，通过比较时间戳和监测终端本地时间获得时间差值。第三种，对本身带有时标信息的雷达数据，监测终端按照雷达数据格式进行解析，获得数据帧的内部时标信息，再对比监测终端本地时间获得时间差值。

4.3  雷达数据扇号帧统计

标准的雷达数据除了包含目标信息帧，也会输出扇信息帧，每周期为16或32扇。通过统计每周期的扇号帧是否完整，可以在一定程度上反映传输过程中数据帧丢失的情况。需要注意扇号帧丢失很大概率伴随数据帧的丢失情况，但是扇号帧无丢失并不表示数据帧一定没有丢失的情况。时延监测终端通过统计扇号帧丢失情况，可评估传输网络的丢包率。

4.4  雷达数据正北帧时差统计

包含扇信息帧的雷达数据，通常也包含正北帧。理论上，正北帧之间的时间间隔与雷达天线的自转周期一致，通常为4 s。经过不稳定的传输网络后，正北帧时差会发生较大幅度的波动。时延监测终端通过统计正北帧时差，可评估传输网络的延迟抖动情况。

4.5  可视化结果输出

统计处理程序实时进行多种观测指标的统计处理，并通过图形界面进行可视化输出。图2为延迟统计散点图，显示了每个统计周期的3种时延数据：延迟最小值、延迟最大值、延遲平均值。

可见，延迟平均值基本可拟合为直线，但是呈缓慢增加的态势。经分析，这是由于时标加注设备脱离GPS信号后，内置时钟模块发生时钟漂移所致。

4.6  统计数据存储

监测程序将实时处理获得的时延统计数据存储于本机数据库中，运维人员事后可通过软件进行查询和报表输出。

5    结语

该系统部署上线后，主要针对自带时标信息的雷达数据进行时延监测，对偶发性的传输延时异常情况，可提供详细的统计数据报表，帮助运维人员排查故障。时延监测系统为华北区管中心空管系统的运行保障提供了积极有效的支持手段。

[参考文献]

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[2]汪勇.无时标雷达信号延时测定系统在线测试的实现[J].电子制作，2019（17）：7-8.