一种民航ADS-B地面站系统高精度时钟冗余备份方法与流程

本发明涉及一种民航ads-b地面站系统高精度时钟冗余备份方法。

背景技术：

民航大力推进监视系统技术变革，努力构建天、空、地一体化ads-b运行体系，积极推动ads-b建设与运行，到2017年底，基本完成ads-b地面设施布局，开始初始运行；到2020年底，全面完成机载设备加改装和地面ads-b网络建设，构建完善的民航ads-b运行监视体系和信息服务体系，为空中交通提供全空域监视手段，为航空企业全面提供ads-b信息服务；至2025年底，根据ads-b运行和实施的经验，不断完善ads-b地面设施和地面ads-b网络建设的布局，从整体上提高民航安全水平、空域容量、运行效率和服务能力。

根据ed129b要求ads-b地面站输出的报文满足asterixcat021v2.1标准，该标准明确了ads-b地面站对报文接收时间的要求。空管数据站利用飞机发送的应答信号到达各地面接收站的时间(toa，timeofarrival)不同基于tdoa的双曲面定位算法计算飞机位置。利用该位置与ads-b机载下发的位置信息进行对比计算，可以滤除虚假目标达到ads-b防欺骗的目的。所以ads-b地面站系统中如何确定报文接受时间对于位置精度的计算至关重要。另外民航空管ads－b地面站系统室内设备故障平均间隔时间(mtbf)不小于20000h，室内设备的故障维修时间(mttr)不大于30min。设备能7×24小时连续工作，设备的设计寿命大于15年。所以使用冗余设计提高系统稳定性是空管设备研制过程中必要手段。

在民航空管ads-b地面站系统中，包含三套ads-b地面站，且三套设备均可独立工作。在实际运行过程中，其中两个全向地面站互为主备机，定向地面站独立工作。在高精度gps使用过程中，ads-b地面站设备使用gps接收机串口输出的utc时间作为每一秒的时间基准，使用gps接收机的秒脉冲信号作为高精度时间的复位信号，使用gps接收机100m输入时钟作为高精度时间的计数信号。

目前在使用高精度gps的多机大型系统中每套设备使用独立的gps接收机，当a机gps接收机发生故障时，a机停止工作，系统进行切换。当所有gps接收机正常锁定情况下，每个设备独立工作。这种方法缺点如下：

(1)当系统中存在主备机使用的情况时，如果a机的gps接收机存在异常时，系统只能进行切换到b机，如果此时b机的其他模块(非gps接收机)异常，系统将无法正常工作。冗余设计没有完全体现，降低了系统可靠性。

(2)由于高精度gps接收机输出的秒脉冲信号存在抖动，当系统内多个设备同时正常工作时，多个设备的秒脉冲是独立的，所以对于同一信号的接受时间,同一个系统中不同设备计算的数据接受时间存在很大波动。

技术实现要素：

本发明提出一种民航ads-b地面站系统高精度时钟冗余备份设计方法，本发明针对的系统包括gps接收机、fpga、cpu等组件，各组件通过离散、串口、网络等连接，通过共享秒脉冲、共享utc时间手段实现高精度时钟冗余。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种民航ads-b地面站系统高精度时钟冗余备份方法，在民航空管ads-b地面站系统中设置3台地面站，每台地面站包括gps接收机、fpga和cpu；3台地面站通过共享秒脉冲、共享utc时间手段实现高精度时钟冗余备份。

作为优选方式，3台地面站通过网络共享utc时间，通过离散ttl接口共享pps秒脉冲。

作为优选方式，ads-b地面站的gps接收机、fpga以及cpu连接关系如下：

a)gps接收机输出一路100m时钟信号到fpga；

b)gps接收机输出一路ttl电平的秒脉冲信号同时接入fpga和cpu；

c)gps接受机输出一路rs232电平的串口信号到cpu；

ads-b地面站对外接口如下：

a)ads-b地面站输出一路100m以太网信号；

b)ads-b地面站输出1路ttl电平的秒脉冲信号；

c)ads-b地面站接入两路ttl电平的秒脉冲信号。

作为优选方式，为了实现多站高精度时钟冗余处理，需要运行在cpu内部的时间处理模块和运行在fpga内部的高精度时间标记模块配合完成。时间处理模块包含时间源处理和秒脉冲处理两部分功能，其中时间源处理完成对gps的nema0183格式报文的解析及时间源状态的维护，秒脉冲处理完成cpu对fpga的utc时间的写入。fpga高精度时间标记模块完成高精度时间的计算。

作为优选方式，ads-b地面站时间处理模块将时间信息分为本地时间源和系统时间源，本地时间源反映本设备gps接收机状态，系统时间源反映整个系统内所有gps接收机综合状态；时间处理模块通过串口接受gps报文进行本地时间源的处理和维护。

作为优选方式，时间处理模块通过串口接受gps报文进行本地时间源的处理和维护的具体步骤如下：

步骤1：ads-b地面站时间处理模块通过串口接收gps接收机符合nema0183格式报文，并进行缓存；

步骤2：ads-b地面站时间处理模块对接收到的报文进行校验，对于通过校验后的报文提取报文类型标志；

步骤3：ads-b地面站时间处理模块通过对“tod”报文求解获取gps接收机驯服状态作为本地时间源状态；

步骤4：ads-b地面站时间处理模块通过对报文“gga”报文求解获取utc时间，并根据本地时间源状态，对本地时间进行更新；

步骤5：ads-b地面站时间处理模块使用组播技术通过网络向其他ads-b地面站发送本地时间源信息，包括gps接收机的utc时间和gps驯服状态；

步骤6：ads-b地面站时间处理模块通过网络组播技术接收其他ads-b地面站发送的时间源信息，并选取已锁定的gps接收机时间作为系统时间源。如果存在多个设备的gps接收机处于锁定状态，则选取ip较小设备的gps时间作为系统时间源。

作为优选方式，ads-b地面站输出报文使用标准utc时间，而fpga只引入了gps接收机的秒脉冲信号，无法获取当前utc时间，所以ads-b地面站时间处理模块需在秒脉冲中断时向fpga提供当前utc时间，具体步骤如下：

ads-b地面站时间处理模块接受gps接受机秒脉冲中断并释放信号量，等待信号量的处理线程将进行处理；

如果本地时间源状态有效，ads-b地面站时间处理模块优先选择使用本设备gps时间并对其进行维护；

如果本地时间源无效，系统时间源有效，ads-b地面站时间处理模块选择系统时间源作为设备gps时间并对其进行维护；

如果本地时间源、系统时间源均无效，ads-b地面站时间处理模块利用时间连续性与秒脉冲的关系，进入gps失效维护。

ads-b地面站时间处理模块获取本设备gps状态和其他设备的gps状态并将通过数据总线将utc时间写入fpga。

作为优选方式，考虑到数据传输出错概率，fpga需对时间处理模块写入的时间进行连续判断以及范围判断；判断通过fpga更新utc时间，否则fpga使用秒脉冲信号自动更新时间。

作为优选方式，根据ed129b标准要求，ads-b地面站输出报文低精度时间要求为1/128s，高精度抖动小于200ns。ads-b地面站无法通过软件计算报文高精度时间，所以ads-b地面站报文时间由译码模块的fpga获取。为了提高时间精度，fpga高精度时间标记模块使用gps接收机提供的100mhz标准时钟作为时钟源；fpga高精度时间标记模块通过总线从cpu获取utc绝对时间，同时使用秒脉冲信号作为高精度计数触发。

作为优选方式，考虑到gps接收机状态影响秒脉冲精确度，fpga高精度时间标记模块需要对民航空管ads-b地面站系统内3个gps接收机状态进行判定；在多个gps处于锁定状态的前提下，为了消除抖动误差fpga需要对高精度计数进行均值处理，具体步骤如下：

fpga同时接入本地面站gps接收机秒脉冲信号和两路其他地面站gps接收机秒脉冲信号，并同时使用三个计数器对应3路gps接收机，计数器使用时钟源为本机提供的100m时钟；

当fpga高精度时间标记模块接受到秒脉冲后，首先秒脉冲对应计数器会清零并重新开始计数；假设三个秒脉冲到达时刻分别为t1、t2、t3；当第3个秒脉冲到达时前两个秒脉冲的时间计数为n1、n2；则fpga使用的时间为高精度计数为精度时间等于高精度计数与时钟周期的乘积；

当ads-b报文成功译码后，fpga高精度时间标记模块使用cpu写入的utc绝对时间与高精度时间相加作为报文的接收时间，并向cpu产生dma中断请求，等待cpu读取数据。

本发明的有益效果是：

本发明技术方案实现了一种民航ads-b地面站系统高精度时钟冗余备份设计方法，该方法通过网络组播共享utc时间、通过离散线共享秒脉冲技术，在只有一个ads-b地面站gps正常工作的情况下使整个系统其他地面站都能够正常工作极大提高了系统可靠性。

在多个设备gps锁定的情况下，该方法同时利用高精度时间均值设计消除单个gps接收机秒脉冲抖动产生的误差，使输出报文的时间戳更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为民航ads-b地面站系统时钟共享连接框图；

图2为ads-b地面站时间处理模块时间源处理流程图；

图3为ads-b地面站时间处理模块秒脉冲处理流程图；

图4为fpga高精度时间标记模块处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种民航ads-b地面站系统高精度时钟冗余备份方法，民航ads-b地面站系统高精度时钟冗余备份设计连接图如图1所示，在民航空管ads-b地面站系统中设置3台地面站(比如图1中的地面站a、地面站b和地面站c)，每台地面站包括gps接收机、fpga和cpu；3台地面站通过共享秒脉冲、共享utc时间手段实现高精度时钟冗余备份；在只有一个地面站gps接收机正常工作的情况下通过共享技术使整个系统其他地面站都能够正常工作。

高精度时间均值设计：多个ads-b设备通过秒脉冲共享技术，fpga可以检测系统中所有设备的秒脉冲信号。在多个地面站gps接收机锁定后，利用秒脉冲到达时间计数的平均值去除秒脉冲抖动误差。

高精度时钟冗余备份：三个ads-b设备通过网络共享utc时间，通过离散信号共享秒脉冲，在只有一个地面站gps接收机正常工作的情况下通过共享技术使整个系统其他地面站都能够正常工作。增加了系统的冗余设计，提高了系统可靠性。

3台地面站通过网络共享utc时间，通过离散ttl接口共享pps秒脉冲。

ads-b地面站的gps接收机、fpga以及cpu连接关系如下：

a)gps接收机输出一路100m时钟信号到fpga；

b)gps接收机输出一路ttl电平的秒脉冲信号同时接入fpga和cpu；

c)gps接受机输出一路rs232电平的串口信号到cpu；

ads-b地面站对外接口如下：

a)ads-b地面站输出一路100m以太网信号；

b)ads-b地面站输出1路ttl电平的秒脉冲信号；

c)ads-b地面站接入两路ttl电平的秒脉冲信号。

为了实现多站高精度时钟冗余处理，需要运行在cpu内部的时间处理模块和运行在fpga内部的高精度时间标记模块配合完成。时间处理模块包含时间源处理和秒脉冲处理两部分功能，其中时间源处理完成对gps的nema0183格式报文的解析及时间源状态的维护，秒脉冲处理完成cpu对fpga的utc时间的写入。fpga高精度时间标记模块完成高精度时间的计算。

ads-b地面站时间处理模块将时间信息分为本地时间源和系统时间源，本地时间源反映本设备gps接收机状态，系统时间源反映整个系统内所有gps接收机综合状态；时间处理模块通过串口接受gps报文进行本地时间源的处理和维护。

时间处理模块通过串口接受gps报文进行本地时间源的处理和维护的具体步骤如下(如图2所示)：

步骤1：ads-b地面站时间处理模块通过串口接收gps接收机符合nema0183格式报文，并进行缓存；

步骤2：ads-b地面站时间处理模块对接收到的报文进行校验，对于通过校验后的报文提取报文类型标志；

步骤3：ads-b地面站时间处理模块通过对“tod”报文求解获取gps接收机驯服状态作为本地时间源状态；

步骤4：ads-b地面站时间处理模块通过对报文“gga”报文求解获取utc时间，并根据本地时间源状态，对本地时间进行更新；

步骤5：ads-b地面站时间处理模块使用组播技术通过网络向其他ads-b地面站发送本地时间源信息，包括gps接收机的utc时间和gps驯服状态；

步骤6：ads-b地面站时间处理模块通过网络组播技术接收其他ads-b地面站发送的时间源信息，并选取已锁定的gps接收机时间作为系统时间源。如果存在多个设备的gps接收机处于锁定状态，则选取ip较小设备的gps时间作为系统时间源。

ads-b地面站输出报文使用标准utc时间，而fpga只引入了gps接收机的秒脉冲信号，无法获取当前utc时间，所以ads-b地面站时间处理模块需在秒脉冲中断时向fpga提供当前utc时间，如图3所示，具体步骤如下：

ads-b地面站时间处理模块接受gps接受机秒脉冲中断并释放信号量，等待信号量的处理线程将进行处理；

如果本地时间源状态有效，ads-b地面站时间处理模块优先选择使用本设备gps时间并对其进行维护；

如果本地时间源无效，系统时间源有效，ads-b地面站时间处理模块选择系统时间源作为设备gps时间并对其进行维护；

如果本地时间源、系统时间源均无效，ads-b地面站时间处理模块利用时间连续性与秒脉冲的关系，进入gps失效维护。

ads-b地面站时间处理模块获取本设备gps状态和其他设备的gps状态并将通过数据总线将utc时间写入fpga。

考虑到数据传输出错概率，fpga需对时间处理模块写入的时间进行连续判断以及范围判断；判断通过fpga更新utc时间，否则fpga使用秒脉冲信号自动更新时间。

根据ed129b标准要求，ads-b地面站输出报文低精度时间要求为1/128s，高精度抖动小于200ns。ads-b地面站无法通过软件计算报文高精度时间，所以ads-b地面站报文时间由译码模块的fpga获取。为了提高时间精度，fpga高精度时间标记模块使用gps接收机提供的100mhz标准时钟作为时钟源；fpga高精度时间标记模块通过总线从cpu获取utc绝对时间，同时使用秒脉冲信号作为高精度计数触发。

考虑到gps接收机状态影响秒脉冲精确度，fpga高精度时间标记模块需要对民航空管ads-b地面站系统内3个gps接收机状态进行判定；在多个gps处于锁定状态的前提下，为了消除抖动误差fpga高精度时间标记模块需要对高精度计数进行均值处理，如图4所示，具体步骤如下：

fpga同时接入本地面站gps接收机秒脉冲信号和两路其他地面站gps接收机秒脉冲信号，并同时使用三个计数器对应3路gps接收机，计数器使用时钟源为本机提供的100m时钟；

当fpga高精度时间标记模块接受到秒脉冲后，首先秒脉冲对应计数器会清零并重新开始计数；假设三个秒脉冲到达时刻分别为t1、t2、t3；当第3个秒脉冲到达时前两个秒脉冲的时间计数为n1、n2；则fpga使用的时间为高精度计数为高精度时间等于高精度计数与时钟周期的乘积；

当ads-b报文成功译码后，fpga高精度时间标记模块使用cpu写入的utc绝对时间与高精度时间相加作为报文的接收时间，并向cpu产生dma中断请求，等待cpu读取数据。

本发明通过共享秒脉冲、共享utc时间手段实现高精度时间均值设计、高精度时间备份设计。高精度时间均值设计在多个地面站gps锁定后，利用秒脉冲到达时间计数的平均值去除秒脉冲抖动误差。高精度时间备份设计在只有一个地面站gps正常工作的情况下通过共享技术使整个系统其他地面站都能够正常工作，极大提高了设备的可靠性指标。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。