CN106559494B - 一种基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其设置雷达组件、以太网交换机、雷达终端。为了能使雷达组件通过在两个伺服控制器、两个发射机控制器、两个接收机控制器、两个配电分机控制器、两个信号处理控制器、两个数据处理控制器和两个数字电源控制器中有目的性的各选择一个不同类型的控制器来构成主体框架，所有控制器和所述雷达终端以分布式网络节点的形式连接到所述以太网交换机上且分别由一个分布式节点控制单元来控制，由此形成分布式网络，所述分布式网络采用分布式网络拓扑结构为星型结构，在所述分布式网络中，所述雷达终端的优先级最高。本发明具备简单可靠、可扩展能力强、冗余切换控制方式灵活的特点。

Description

一种基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统

技术领域

本发明涉及雷达控制领域的一种冗余切换和控制系统，特别涉及一种基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统。

背景技术

机场场面监视雷达(SMR)为独立非协同式监视设备，是空中交通管制设施的一个重要组成部分，采用一次雷达探测技术，用于对机场场面目标的监视，该雷达对机场场面目标的监视不需要被监视目标的合作，其工作性能不受外部光照的影响，具备全天时监视的能力；依靠电磁波具有的云、雨、雾等介质穿透能力，具备全天候监视的能力。基于以上特点，场面监视雷达都采用双套雷达相互冗余系统架构，提高雷达的任务可靠性。

在早期的场面监视雷达中，一般采用双套独立的雷达系统互为冗余备份，如果一套雷达中的任何部件发生故障，系统就会发出警报，对整个雷达进行切换，将另一套正常工作的雷达数据上报至机场的空管中心。由于雷达是一种非常复杂的电子系统，经常会出现两套设备的不同部件同时发生故障，这样，整个系统都无法正常工作了。

近年来，出现了双套雷达交叉冗余控制系统，不再对整个雷达进行切换，而是只对故障的部件进行切换，这样只要双套冗余系统不是同一个部件同时发生故障，整个系统仍然可以继续工作。这样的系统需要一个仲裁系统，同时对两套雷达各个部件的状态进行判断，当发现A雷达某个部件X发生故障时，会先去查询B雷达中X部件的状态，如果为正常，再去通知A雷达中的其他正常部件，准备响应B雷达中X部件的数据和时序，最后再进行切换，完成B雷达中X部件和A雷达中其他部件的通信，保证整机正常工作。对于场面监视雷达来说，这样的系统存在两点不足，一是过分依赖仲裁系统的可靠性，所有的工作都是通过仲裁系统来完成的，而且仲裁系统是唯一的，如果故障，整个系统将无法正常工作。二是场面监视雷达的天线转速较快，约一秒钟一转，为了保证监视目标的连续性，切换动作应该在一秒内完成，而这种依靠系统仲裁系统的切换需要经过好几次步骤才能最终完成切换，需要一定的时间，会丢失部分雷达数据。

发明内容

针对目前场面监视雷达冗余控制中存在的问题，本发明提供一种基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其设置雷达组件、以太网交换机、雷达终端，为了能在两个伺服控制器、两个发射机控制器、两个接收机控制器、两个配电分机控制器、两个信号处理控制器、两个数据处理控制器和两个数字电源控制器组成的所述雷达组件中有目的性的选择一个伺服控制器、一个发射机控制器、一个接收机控制器、一个配电分机控制器、一个信号处理控制器、一个数据处理控制器和一个数字电源控制器来构成主体框架，所有控制器和所述雷达终端以分布式网络节点的形式连接到所述以太网交换机上且分别由一个分布式节点控制单元来控制，由此形成分布式网络，所述分布式网络采用分布式网络拓扑结构为星型结构，在所述分布式网络中，所述雷达终端的优先级最高。

作为上述方案的进一步改进，每次控制器发生故障后，所述场面监视雷达冗余控制系统先采用分布式控制方法，故障无法消除时才使用集中控制方法。

进一步地，所述分布式控制方法为：在正常工作中，当前雷达组件的每个控制器会定时将自身的工作状态送入相应的节点控制单元中，节点控制单元对相应控制器状态进行实时的判断；当X部件A发生故障时，相应的分布式节点控制单元会马上接收到故障信息，同时迅速关闭X部件A的所有输出信号，并直接将X部件A发生故障的信息发送到分布式网络中，X部件A指两个相同类型控制器中的其中一个；分布式网络中所有的节点控制单元都能接收到故障的信息，在收到X部件A发生故障的信息后，所有与X部件A相关的节点控制单元，控制各自的控制器，不再响应X部件A的输出信号，改为相应X部件B的输出信号，X部件B指两个相同类型控制器中的其中另一个；X部件B的节点控制单元打开X部件B的输出信号使能，使X部件B的输出信号有效。

再进一步地，所述雷达终端接收到X部件A的故障信号，并在所述雷达终端的人机交互界面上显示出现X部件A故障，同时发出告警信息。

优选地，所述集中控制方法为：当X部件A发生故障，且所述场面监视雷达冗余控制系统将X部件A上下级的通讯都切换到X部件B之后，故障仍没有消除时，雷达终端需要对X部件A的状态进行确认；如果切换至X部件A后，X部件A仍然报故障，则判断X部件A和X部件B都发生故障，需要雷达组件停机进行维修；如果切换至X部件A后，X部件A又恢复正常了，则判断出X部件A并不是发生了无法恢复的硬件故障，雷达终端会要求X部件A相关的节点控制单元上报X部件A的所有故障具体信息，根据X部件A的具体故障信息，结合存储在雷达终端的故障信息关联表，得出此种故障对应的关联故障部件是哪个。

再优选地，假设与X部件A关联的故障部件是Y部件，此时，Y部件A处于工作状态，而Y部件B处于热备份状态，雷达终端通知Y部件A和Y部件B的节点控制单元，按照分布式控制方法完成切换，将Y部件B切换到工作状态；如果此时雷达组件恢复正常，则说明是Y部件A发生了故障，而不是X部件B的故障，雷达终端会显示Y部件A发生故障，并给出告警信息，通知维护人员；如果故障还没有解除，则雷达终端会控制雷达组件停机，等待专业人员复查和维修，同时保存故障信息和自动操作记录。

再优选地，采用集中控制方法时，需要制定通过专业人员的设计经验总结出的故障信息关联表，通过故障信息关联表的指引，完成冗余控制。

作为上述方案的进一步改进，所述节点控制单元采用PIC以太网单片机实现，网络地址通过拨码开关设置。

作为上述方案的进一步改进，所述节点控制单元能自由扩展，节点的最大数量为256个。

作为上述方案的进一步改进，所述节点控制单元通过串口或并口对相应控制器实施控制。

本发明能够实现以下优点：

1)简单可靠的控制节点即节点控制单元：采用分布式网络系统架构，就必须要使用简单可靠的分布式节点，如果节点可靠性不高，随着节点的数量增加，整个系统的可靠性会大幅下降。本系统采用以太网单片机实现，既可以实现网络通讯，又可以对雷达部件进行控制和状态采集，设计简单且可靠性好。

2)可扩展能力强：分布式网络系统采用了控制节点模块化设计，软硬件都具备极强的可扩展性，可根据不同场面监视雷达的组成部件，配置节点数量，不会因为数量变化，而改变整个系统的架构。

3)灵活的冗余切换控制策略：该系统采用分散-集中式控制，在控制节点正常时，由本身的控制节点直接完成冗余切换控制，当某几个节点的切换控制发生冲突时，可由雷达终端进行集中控制，通过对控制节点状态的采集，给出正确的切换控制信息，同时取消该节点的控制权限，并在终端界面上给出警告信息，通知雷达维护人员前来修理。

附图说明

图1为本发明基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统的框架图。

图2为图1中分布式节点控制单元的网络通信设计原理图。

图3为图1中分布式节点控制单元对控制器的控制原理图。

图4为图1中分布式节点控制单元的分布式控制方法流程图。

图5为图1中分布式节点控制单元的分布式的集中控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统的结构示意图，基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统设置雷达组件、以太网交换机、雷达终端、雷达终端。雷达组件包括形成各个分布式网络节点的伺服控制器、发射机控制器、接收机控制器、配电分机控制器、信号处理控制器、数据处理控制器和数字电源控制器，以上控制器均为双套。

在系统架构中，所有的控制器和雷达终端设备均连接到以太网交换机上，网络总线采用工业以太网，可靠性高且便于扩展，场面监视雷达冗余控制系统采用的分布式网络拓扑结构为星型结构，在整个网络中，雷达终端的优先级最高。

在场面监视雷达冗余控制系统中，所有的部件都是热备份冗余方式，就是所有的部件都是在工作的，只是在某一个具体的时刻，通过系统的控制，雷达只由其中的某一套部件拼接成一个完整的系统。在正常工作时，每个部件的控制器将自身的状态和被控部件的状态通过网络送入雷达终端中，在终端的人机交互界面上对各部件的实时状态进行显示，同时，可以接收由操作人员的雷达终端的人机交互界面上发送出的手动控制指令，对被控部件进行控制。当控制器监测到自己的被控部件发生故障后，第一时间关闭该部件的所有输出信号，同时将故障信息发送到网络中，通过各个节点的控制器控制所有的其他部件，不再响应该部件送出的所有信号，改为响应该部件另一路备份的部件送出的所有信号，完成切换，同时，雷达终端在人机交互界面显示该部件故障，给出警告信息，通知技术人员维修。

如果某几个节点控制单元给出的切换信息有冲突，则系统不直接进行切换，而是由雷达终端通过对控制器自身的状态信息，以及和需要切换的部件的密切相关的部件状态进行故障关联和故障综合，确定实际故障点后，在进行切换控制。

所有控制器采用归一化设计，即所有的控制器软硬件结构完全一致，通过控制器内的拨码开关配置不同的IP地址，控制器一方面实现网络通信功能，一方面通过并口和串口实现对被控部件的控制和状态采集。

因此，为了能在两个伺服控制器、两个发射机控制器、两个接收机控制器、两个配电分机控制器、两个信号处理控制器、两个数据处理控制器和两个数字电源控制器组成的所述雷达组件中有目的性的选择一个伺服控制器、一个发射机控制器、一个接收机控制器、一个配电分机控制器、一个信号处理控制器、一个数据处理控制器和一个数字电源控制器来构成主体框架，所有控制器和所述雷达终端以分布式网络节点的形式连接到所述以太网交换机上且分别由一个分布式节点控制单元来控制，由此形成分布式网络，所述分布式网络采用分布式网络拓扑结构为星型结构，在所述分布式网络中，所述雷达终端的优先级最高。

如图2所示，分布式节点网络设计原理图。控制节点选用PIC18F97J60单片机，该款单片机带有IEEE 802.3兼容的以太网控制器，可以提供完整的网络连接，单片机内部集成了介质访问控制(Media Access Control，MAC)和物理层收发器(Physical LayerTransceiver，PHY)模块。只需使用两个脉冲变压器和一些无源元件就可以将单片机直接与以太网相连。单片机的PHY模块对传输双绞线接口上的模拟数据进行编码和解码，并通过网络发送和接收，PHY模块接口为74引脚双绞线差分信号同相输入信号TPIN+、73引脚双绞线差分信号反相输入信号TPIN-、78引脚双绞线差分信号同相输出信号TPOUT+、77引脚双绞线差分信号反相输出信号TPOUT-。将这四个接口连接到网络变压器TG110上，将经过变压器调整的四路信号连接到以太网专用连接器MODS-F-8P8C的1、2、3、6四个引脚上，并将MODS-F-8P8C的4、5、7、8四个引脚连接到网络变压器TG110的中线引脚上。PIC18F97J60单片机提供了独立的输出来驱动标准以太网指示器LEDA和LEDB两个输出引脚。LED输出引脚与PORTA引脚RA0和RA1复用。通过设置单片机的配置寄存器，可以将它们配置为LED输出。当配置为LED输出时，这两个引脚具有25mA的最大驱动能力，足够直接驱动LED，所以将PIC18F97J60单片机的35引脚RA0/LEDA和RA1/LEDB连接到网络连接器MODS-F-8P8C的LED指示灯的正极，负极接地，两个指示灯可以用于显示链路状态、RX/TX动作等内容。当PHY模块在发送数据时，通过改变TPOUT+和TPOUT-的相对电流大小，将在以太网电缆上产生一个差分电压，所以需将网络变压器TG110的中心抽头15脚通过一颗氧铁体磁珠L1连接到3.3V电源，以保证两个TPOUT引脚会有持续的电流流入，其中铁氧体磁珠L1的额定电流应至少为80mA。

将单片机PIC18F97J60的RB0～RB3、RA2～RA5通过10KΩ的电阻上拉到3.3V后，连接到8位拨码开关S1，拨码开关S1的另外一端接地，将RB0～RB3、RA2～RA5设置为输入接口，这样就可以通过操作拨码开关S1，对网络的IP地址进行设置。拨码开关S1闭合为‘0’状态，打开时为‘1’状态，对应的二进制码值从“00000000”至“11111111”，这样可以设置256个不同的IP地址，即IP地址为192.168.1.0至192.168.1.255，这样也就决定了本发明的分布式网络控制节点即节点控制单元可以扩展到256个。

如图3，分布式节点对部件控制原理图。单片机PIC18F97J60包含两个增强的异步串口控制器，可以配置成可以与外设通信的全双工异步串口。为了使得该串口模块在分布式网络控制器的使用中具备更加有效的通用性和扩展性，通过对单片机串口寄存器的配置，将这两个异步串口设置为自动波特率检测和校准、接收到同步间隔字符时自动唤醒和12位间隔字符发送。单片机串口的引脚45、46、52、70直接连接到节点控制单元的对外连接器J30J-21ZKW的1、12、2、13四个引脚上。同时，将单片机的PROT-D的8个引脚RD0～RD7和PROT-E的8个引脚RE0～RE7通过16位TTL信号驱动芯片IDT74FCT164245TPV连接到节点控制单元的对外连接器J30J-21ZKW上，16位TTL信号驱动芯片IDT74FCT164245TPV可以将单片机普通IO口的电平转换为标准的TTL电平，将单片机的44脚RC0和43脚RC1分别连接到IDT74FCT164245TPV的方向选择引脚1脚和24脚，通过RC0和RC1控制PROT-D和PROT-E为输入还是输出信号。当RC0、RC1为逻辑‘1’时，PROT-D和PROT-E为输出状态，当RC0、RC1为逻辑‘0’时，PROT-D和PROT-E为输入状态。这样，就可以实现和被控制部件的并口通信。可以根据被控部件的特征完成故障检测和控制，对于发射机、接收机前端、电源等模拟系统，节点控制单元采用并口与被控部件进行通信，对于信号处理、数据处理等数字系统，节点控制单元采用串口方式与被控部件进行通信。

每次控制器发生故障后，先采用分布式控制方法(如图4)，故障无法消除时才使用集中控制方法(如图5)。如图4，为分布式节点控制单元的分布式控制方法流程图。以X部件A发生故障为例，X部件B为其冗余部件，即X部件A指两个相同类型控制器中的其中一个，X部件B指两个相同类型控制器中的其中另一个。

在正常工作中，X部件A会定时将自身的工作状态通过串口或者并口送入分布式节点控制单元中，节点控制单元对X部件A状态进行实时的判断，当X部件A发生故障时，分布式节点控制单元会马上接收到故障信息，同时迅速关闭该故障部件即X部件A的所有输出信号。然后，分布式节点控制单元直接将X部件A发生故障的信息发送到分布式网络中，网络中所有的节点控制单元都可以接收到该信息，在收到X部件A发生故障的信息后，所有与X部件A相关的节点控制单元，控制各自的被控部件，不再响应X部件A的输出信号，改为相应X部件B的输出信号，而X部件B的分布式节点控制单元打开X部件B的输出信号使能，使X部件B的输出信号有效。同时，还可以将雷达终端接入在分布式网络中，以便接收到X部件A的故障信号，所以会在雷达终端的人机交互界面上显示X部件A故障，同时发出告警信息。

当采用分布式节点控制切换发生冲突时，即X部件A发生故障后，切换到X部件B后，X部件B报故障，如果这样会陷入来回切换的循环中，所以此时就需要雷达终端进行集中控制。因此，每次控制器发生故障后，先采用分布式控制方法，故障无法消除时才使用集中控制方法。

如图5，为分布式节点控制单元的分布式的集中控制方法流程图。仍是以X部件A发生故障为例，场面监视雷达冗余控制系统将X部件A上下级的通讯都切换到X部件B之后，此时故障仍没有消除。这里，雷达终端需要对X部件A的状态进行确认，如果切换至X部件A后，X部件A然报故障，则说明可能是X部件A、和X部件B都发生故障，此时只能停机进行维修。如果在完成切换操作后，X部件A又恢复正常了，此时，可以判断出X部件A并不是发生了无法恢复的硬件故障，应该是由于X部件A处在工作而产生的关联故障，是由于输入至X部件A的某些重要信号不符合要求导致的，此时，雷达终端会要求X部件A相关的节点控制单元上报X部件A的所有故障具体信息，根据X部件A的具体故障信息，结合存储在雷达终端的故障信息关联表，得出此种故障对应的关联故障部件是哪个，也就是说，通过查询，可以得出其他哪个部件的输出信号有问题时，会导致工作在系统中的X部件发生“软”故障。假设该故障的关联故障部件是Y部件，此时，Y部件A处于系统工作状态，而Y部件B处于热备份状态，雷达终端通知Y部件A、B的节点控制单元，按照分布式控制方法完成切换，将Y部件B切换到工作状态。如果此时系统恢复正常，则说明是Y部件A发生了故障，而不是X部件A的故障。雷达终端会显示Y部件A发生故障，并给出告警信息，通知维护人员。如果故障还没有解除，则雷达终端会控制整机停机，等待专业人员复查和维修，同时保存故障信息和自动操作记录。

下表给出了场面监视雷达部分故障的故障相关列表。

本发明采用多个控制对整机的切换进行控制，多个控制器之间采用以太网互联，并且都连接到雷达终端中，实现“分散-集中式”管理。雷达的每个部件都有一个节点控制单元与之相对应，从而形成一个分布式网络上的节点，如果部件发生损坏，每个节点控制单元直接对被控制的部件进行冗余切换，同时通知其他节点控制单元，该节点控制单元已经完成切换，同时，所有节点控制单元的信息都汇集到雷达终端中，由雷达终端集中管理。这样既可以保证快速的切换时间，也提高了系统可靠性，某一个节点控制单元损坏，不会影响系统正常工作。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单替换和变更，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (9)

1.一种基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其设置雷达组件、以太网交换机、雷达终端，其特征在于：为了能在两个伺服控制器、两个发射机控制器、两个接收机控制器、两个配电分机控制器、两个信号处理控制器、两个数据处理控制器和两个数字电源控制器组成的所述雷达组件中有目的性的选择一个伺服控制器、一个发射机控制器、一个接收机控制器、一个配电分机控制器、一个信号处理控制器、一个数据处理控制器和一个数字电源控制器来构成主体框架，所有控制器和所述雷达终端以分布式网络节点的形式连接到所述以太网交换机上且分别由一个分布式节点控制单元来控制，由此形成分布式网络，所述分布式网络采用分布式网络拓扑结构为星型结构，在所述分布式网络中，所述雷达终端的优先级最高；

分布式控制方法为：在正常工作中，当前雷达组件的每个控制器会定时将自身的工作状态送入相应的节点控制单元中，节点控制单元对相应控制器状态进行实时的判断；当X部件A发生故障时，相应的分布式节点控制单元会马上接收到故障信息，同时迅速关闭X部件A的所有输出信号，并直接将X部件A发生故障的信息发送到分布式网络中，X部件A指两个相同类型控制器中的其中一个；分布式网络中所有的节点控制单元都能接收到故障的信息，在收到X部件A发生故障的信息后，所有与X部件A相关的节点控制单元，控制各自的控制器，不再响应X部件A的输出信号，改为相应X部件B的输出信号，X部件B指两个相同类型控制器中的其中另一个；X部件B的节点控制单元打开X部件B的输出信号使能，使X部件B的输出信号有效。

2.根据权利要求1所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于：每次控制器发生故障后，所述场面监视雷达冗余控制系统先采用分布式控制方法，故障无法消除时才使用集中控制方法。

3.根据权利要求2所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于：所述雷达终端接收到X部件A的故障信号，并在所述雷达终端的人机交互界面上显示出现X部件A故障，同时发出告警信息。

4.根据权利要求3所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于：所述集中控制方法为：当X部件A发生故障，且所述场面监视雷达冗余控制系统将X部件A上下级的通讯都切换到X部件B之后，故障仍没有消除时，雷达终端需要对X部件A的状态进行确认；如果切换至X部件A后，X部件A仍然报故障，则判断X部件A和X部件B都发生故障，需要雷达组件停机进行维修；如果切换至X部件A后，X部件A又恢复正常了，则判断出X部件A并不是发生了无法恢复的硬件故障，雷达终端会要求X部件A相关的节点控制单元上报X部件A的所有故障具体信息，根据X部件A的具体故障信息，结合存储在雷达终端的故障信息关联表，得出此种故障对应的关联故障部件是哪个。

5.根据权利要求4所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于：假设与X部件A关联的故障部件是Y部件，此时，Y部件A处于工作状态，而Y部件B处于热备份状态，雷达终端通知Y部件A和Y部件B的节点控制单元，按照分布式控制方法完成切换，将Y部件B切换到工作状态；如果此时雷达组件恢复正常，则说明是Y部件A发生了故障，而不是X部件B的故障，雷达终端会显示Y部件A发生故障，并给出告警信息，通知维护人员；如果故障还没有解除，则雷达终端会控制雷达组件停机，等待专业人员复查和维修，同时保存故障信息和自动操作记录。

6.根据权利要求4所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于，采用集中控制方法时，需要制定通过专业人员的设计经验总结出的故障信息关联表，通过故障信息关联表的指引，完成冗余控制。

7.根据权利要求1所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于：所述节点控制单元采用PIC以太网单片机实现，网络地址通过拨码开关设置。

8.根据权利要求1所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于：所述节点控制单元能自由扩展，节点的最大数量为256个。

9.根据权利要求1所述的基于分布式网络的场面监视雷达冗余控制系统，其特征在于：所述节点控制单元通过串口或并口对相应控制器实施控制。