CN109857034B - 实时热备份综合数据处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机地面控制系统容错技术领域，尤其涉及一种实时热备份综合数据处理系统；所述的综合数据处理系统包括两台服务器，其中每台综合处理单元配置4个网口，分别连接两个外部以太网口和两个内部以太网口，两个综合处理单元通过串口直连；每个综合处理单元的两个外网网口互为备份，两个内网网口互为备份，两个综合处理单元互为备份；本发明的系统以较低的成本和设备提高综合数据处理系统的不间断运行时间，保证地面控制系统数据传输的连续性、完整性；本系统已经在产品中得以充分应用，实际使用效果稳定可靠。

Description

实时热备份综合数据处理系统

技术领域

本发明属于无人机地面控制系统容错技术领域，尤其涉及一种实时热备份综合数据处理系统。

背景技术

无人机地面控制系统是无人机的指挥控制中心，用以保障各级指挥机构对所属无人机装备实施科学、高效的指挥控制为目的，通过标准军事信息基础设施与上级指挥所进行无人机指挥命令交互、情报处理与产品上报，实现对无人机飞行、任务、通信的规划、监视与控制，是整个作战体系中情报、监视、侦察、打击能力的重要组成力量。综合数据处理系统是无人机地面控制系统的后台中枢，管理着整个系统与无人机、四网一体、情报站的数据收发，系统内外数据格式通用化，时间管理，地面控制系统健康管理等。因此，一旦综合数据处理系统出现故障，地面控制系统将无法完成对无人机的指控，导致任务失败。

传统地面控制站系统中站内网络采用的是单网络架构，另有串口通道作为备份，对于综合数据处理系统而言，在网络上内网和外网上不存在数据余度，若网络故障，则选择串口进行数据传输，但是数据只有基本的飞行测控数据，属于降级备份应急模式。且综合数据处理系统内部的两个处理单元之间的主备切换是由第三方操作人员进行切换实现的，因此从故障发生后到进行切换前的这段时间站内的信息交换会出现故障。

发明内容

本发明的目的是：提供一种实时热备份综合数据处理系统，提高系统的任务可靠性，保证数据实时、正确、流畅地传输。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

实时热备份综合数据处理系统，所述的综合数据处理系统包括两台服务器：综合处理单元A和综合处理单元B；其中每台综合处理单元配置4个网口，分别连接外部以太网A、外部以太网B、内部以太网A、内部以太网B；所述的综合处理单元A与综合处理单元B之间通过串口直连；每个综合处理单元外网上的网口A、网口B互为备份，内网上的网口A、网口B互为备份，综合处理单元A与综合处理单元B互为备份；所述的综合数据处理系统处理的下行数据包括：遥测数据、业务数据、图像数据；上行数据包括遥控数据。

所述的遥测数据在外部以太网A、外部以太网B上传输，由链路接入单元一、链路接入单元二中为主的设备通过外部以太网A、外部以太网B同时向综合处理单元A和综合处理单元B发送数据，由综合处理单元进行处理，转换成通用协议集在内部以太网A、内部以太网B传输。

所述的业务数据和图像数据只在外部以太网B上传输，由主综合处理单元进行处理并在内部以太网B传输；所述的遥控数据由综合处理单元从内部以太网A、内部以太网B网接收各席位发送的通用遥控子帧，再由主综合数据处理单元进行处理后通过外部以太网A、外部以太网B发送给链路接入单元一、链路接入单元二。

所述的综合数据处理系统根据两个综合处理单元的4个网口的健康状态进行路径选择发送上行遥控帧，具体选择原则如下：

综合处理单元A、综合处理单元B通过内部以太网A、内部以太网B接收各席位发送的遥控指令，内网选择数据的原则是优先选择A口遥控数据，没有A口遥控数据时选择B口遥控数据，如果B口也收不到数据时，不向上发送数据，有数据就进行处理，形成向上的遥控帧。

所述的综合数据处理系统中外部以太网中综合处理单元遥测数据选择的优先原则为网口A>网口B，对于接收到的单机多链路的遥测数据，用户遥测数据选择的优先原则为C波段链路遥测数据>Ku波段链路遥测数据>UHF波段链路遥测数据。链路遥测数据选择的优先原则为C波段链路遥测数据>UHF波段链路遥测数据>Ku波段链路遥测数据。

所述的综合数据处理系统中外部以太网选择数据的原则是优先选择外网A口数据，没有外网A口数据时选择外网B口数据，如果外网B口也收不到数据时，不向下发送数据。

所述的综合数据处理系统中综合处理单元A与综合处理单元B在应用层软件之间的心跳信息有三个，一个通过外部以太网A相互发，一个通过外部以太网B相互发，另外一个通过串口RS422互发；所述的心跳信息包含主备信息、事件性指令设置结果、工作状态；综合处理单元A与综合处理单元B之间判断切换的条件是通过判断单元之间的心跳来实现，具体判断原则为：

如果三个心跳都监测不到，认为该机发生故障，进行单元切换。

所述的综合数据处理单元进行主备切换是通过对心跳信息的有无及单元自检结果进行，具体的判断流程如下：

步骤一、系统上电完成初始化后，综合处理单元A为主机，综合处理单元B为备机；

步骤二、系统正常运行，两单元之间周期发送心跳信息，心跳信息的频率与最小数据处理频率相同；备机根据心跳时刻监视主机的设备状态及运行状态，当主机出现故障，备机在自身状态完好的情况下，申请进行自动主备切换；

步骤三、备机向主机发送切换请求，主机收到切换请求后，将自己降为备机，同时更新心跳中的状态；备机收到主机已降为备机的信息后，升为主机，同时更新主机状态信息并发布；若主机收到备机升主机的请求信息后，在规定的时间内返回的信息中依旧还是主机状态，则备机不升主机；若主机收到备机升主机的请求信息后，未在规定时间内将信息返回，则备机主动升主机。

所述的步骤二之前对于综合处理单元A，还判断综合处理单元B的心跳信息，若接受到综合处理单元B机此时为备机状态时，综合处理单元A设置为主机；若综合处理单元B此时为主机状态，则综合处理单元A自动降为备机状态。

本发明的有益效果是：本发明构成简单，操作方便，物理上通过双通道方式(网络与串口)保证综合数据处理主设备和备用设备之间心跳信号的可靠性，软件上采用多线程编程方式实现主备机的功能切换。切换方式即支持远程客服端控制方式，又支持本机命令输入方式。同时，主设备具备自主对多链路通道数据有效性进行有效性检测的功能，能够保证在链路通信质量不好的情况下，优先选择数据量完整、通信质量优良的链路数据进行下发。

本发明以较低的成本和设备提高综合数据处理系统的不间断运行时间，保证地面控制系统数据的连续性、完整性。本系统已经在产品中得以充分应用，实际使用效果稳定可靠，非常值得推广。

附图说明

图1为本发明的综合数据处理系统的内外交联框图；

图2为本发明的外网上行数据传输逻辑图；

图3为本发明的综合处理单元A主备切换流程；

图4为本发明的综合处理单元B主备切换流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

本发明综合数据处理系统内外交联框图如附图1所示。

综合数据处理系统由综合处理单元A和综合处理单元B两台服务器组成，每台综合处理单元配置4个网口，分别连接外部以太网A、外部以太网B、内部以太网A、内部以太网B；综合处理单元A与B之间通过串口直连。

综合处理单元外网上的网口A、网口B互为备份，内网上的网口A、网口B互为备份，综合处理单元A与综合处理单元B互为备份。

根据系统硬件余度设计，进行系统软件余度设计，具体设计如下所述。

(一)综合处理单元数据源选择

地面控制系统从无人机收到的信息根据其不同的用途，可以分为不同的类型，包括：遥控指令、遥测数据、业务数据、图像数据，以及复合数据。

遥测数据在外部A、B网上传输，由链路接入单元一、二中为主的设备通过外部A、B网同时向综合处理单元A和B发送数据，由综合处理单元进行处理，转换成通用协议集在内部A、B网传输；复合数据、图像数据在外部B网上传输，由主综合处理单元进行处理并在内部B网传输；遥控数据由综合处理单元从内部A、B网接收各席位发送的通用遥控子帧，再由主综合数据处理单元进行处理后通过外部A、B网发送给链路接入单元一、二。下面为综合数据处理单元对以上具体的数据进行逻辑处理的实现方式。

1)上行传输逻辑

通用协议集遥控指令在内部A、B网上传输，传输方式为DDS，由各席位通过内部以太网A、B网向综合处理单元A、B的A、B网口同时发布。综合处理单元对数据的选择为：内网A口>B口。主综合处理单元将接收的通用协议集遥控指令进行处理转换，形成向上的遥控帧，通过相应的外部A、B网，向链路接入单元一、二的A、B网同时发布，传输方式为UDP组播。链路接入单元一的A口、数据链接入单元2的A口组成一个组播组1，链路接入单元一的B口、数据链接入单元2的B口组成一个组播组2，由当前为主的综合处理单元通过A、B口向两个组播组发送遥控数据，如附图2所示。

另外，考虑到端口故障等问题，需要根据两个综合处理单元的四个网口的健康状态遵照表1的路径选择原则发送上行遥控帧。综合处理单元A、B通过内部A、B网接收各席位发送的遥控指令，内网选择数据的原则是优先选择A口遥控数据，没有A口遥控数据时选择B口遥控数据，如果B口也收不到数据时，不向上发送数据，有数据就进行处理，形成向上的遥控帧，具体按照下表的发送规则从A、B网向上发送，其中×表示故障，√表示正常。

表1综合处理单元数据发送原则

注：综A外A表示综合处理设备A的外部A网口，综A外B表示综合处理设备A的外部B网口，综B外A表示综合处理设备B的外部A网口，综B外B表示综合处理设备B的外部B网口。

2)下行传输逻辑

遥测数据在A、B网上传输，传输方式为UDP组播，链路接入单元一、2的A口同综合处理单元A的外A口、同综合处理单元B的外A口组成一个组播组1，链路接入单元一、二的B口同综合处理单元A的外B口、同综合处理单元B的外B口组成一个组播组2，链路接入单元一、二每次只有其中一台设备通过其A、B口向两个组播组发送遥测数据。综合处理单元A和B均能接收到遥测数据，根据内网A、B口的情况综合考虑选择使用哪个内口向分系统发送遥测数据。

外网中综合处理单元遥测数据选择的优先原则为A口>B口，对于接收到的单机多链路的遥测信息，用户遥测数据选择的优先原则为C波段链路遥测数据>Ku波段链路遥测数据>UHF波段链路遥测数据。链路遥测数据选择的优先原则为C波段链路遥测数据>UHF波段链路遥测数据>Ku波段链路遥测数据。

复合数据在B网上传输，传输方式为TCP，链路接入单元一、二发送复合数据时采用TCP服务器模式，链路接入单元一、二分别作为服务器端等待客户端连接；由当前作为主机的综合处理单元选择相应的TCP服务器进行连接，单机复合数据选择的优先原则为：链路接入单元一优于链路接入单元二。

主综合处理单元将遥测数据转为通用协议集遥测数据后，在内部A、B网上传输，传输方式为DDS。外网选择数据的原则是优先选择外网A口数据，没有外网A口数据时选择外网B口数据，如果外网B口也收不到数据时，不向下发送数据，接收到数据进行处理，形成向下的遥测帧。

(二)综合处理单元主备切换

综合处理单元A与B之间判断切换的条件都是通过判断单元之间的心跳来实现的，因此，心跳的设计是热备份技术的关键。

综合处理单元A与综合处理单元B在应用层软件之间的心跳信息有三个，一个通过外部以太网A相互发，一个通过外部以太网B相互发，另外一个通过串口RS422互发。如果三个心跳都监测不到，就认为该机的软件或单元故障了，单元需要切换。心跳信息中，包含了主备信息、事件性指令设置结果或状态等中间信息。

心跳信息内容格式如下表1所示，在串口RS422中的具体心跳协议如表2所示，其在网络中采用UDP进行通讯。

表2心跳信息内容

数据名称

同步头

源

目的

属性

长度

信息标识

主备状态

中间状态

字节数

2B

4B

4B

1B

1B

2B

1B

10B

表3串口RS422心跳协议

综合数据处理单元通过对心跳信息的有无及单元自检结果的判断，作为进行主备切换的判断条件。系统第一次上电完成初始化后，根据单元的IP地址设置当前是备机还是主机，综合处理单元A为主机，综合处理单元B为备机。主机和备机同时接收外部设备发送的所有指令，但是备机不向外发送控制指令，只发送单元状态信息或查询需答复的信息。系统正常初始化运行后，两单元之间周期发送心跳信息，心跳信息的频率与最小数据处理频率相同。备机根据心跳时刻监视主机的设备状态及运行状态，当主机出现故障无法完成数据综合处理功能域的功能时，备机在自身状态完好(能够完成数据综合处理功能域的功能)的情况下，申请进行自动主备切换。备机向主机发送切换请求，主机收到切换请求后，将自己降为备机，同时更新心跳中的状态；备机收到主机已降为备机的信息后，升为主机，同时更新主机状态信息并发布。若主机收到备机升主机的请求信息后，在规定的时间内返回的信息中依旧还是主机状态，则备机不升主。若主机收到备机升主机的请求信息后，未在规定时间内将信息返回，则备机主动升主。

单元之间的心跳信息以串口心跳信息作为主要判信息，网络心跳为辅助心跳。在切换过程中存在一种特殊情况，即综合处理单元B升为主机，综合处理单元A故障关机后又重启的情况。在这种情况下，按照前面的流程就会出现同时出现两个主机的情况，这在地面控制系统中是不允许的。因此，对于综合处理单元A，在初始化启动后还需判断综合处理单元B的心跳信息，若接受到综合处理单元B机此时为备机状态时，综合处理单元A设置为主机；若综合处理单元B此时为主机状态，则综合处理单元A自动降为备机状态。具体流程如附图3和附图4所示。

Claims (6)

1.实时热备份综合数据处理系统，其特征在于：所述的综合数据处理系统包括两台服务器：综合处理单元A和综合处理单元B；其中每台综合处理单元配置4个网口，分别连接外部以太网A、外部以太网B、内部以太网A、内部以太网B；所述的综合处理单元A与综合处理单元B之间通过串口直连；每个综合处理单元外部以太网上的外网口A、外网口B互为备份，内部以太网上的内网口A、内网口B互为备份，综合处理单元A与综合处理单元B互为备份；所述的综合数据处理系统处理的下行数据包括：遥测数据、业务数据、图像数据；上行数据包括遥控数据；

所述的遥测数据在外部以太网A、外部以太网B上传输，由链路接入单元一、链路接入单元二中为主的设备通过外部以太网A、外部以太网B同时向综合处理单元A和综合处理单元B发送数据，由综合处理单元进行处理，转换成通用协议集在内部以太网A、内部以太网B传输；

所述的业务数据和图像数据只在外部以太网B上传输，由主综合处理单元进行处理并在内部以太网B传输；所述的遥控数据由综合处理单元从内部以太网A、内部以太网B接收各席位发送的通用遥控子帧，再由主综合数据处理单元进行处理后通过外部以太网A、外部以太网B发送给链路接入单元一、链路接入单元二；

所述的综合数据处理系统根据两个综合处理单元的4个网口的健康状态进行路径选择发送上行遥控帧，具体选择原则如下：

综合处理单元A、综合处理单元B通过内部以太网A、内部以太网B接收各席位发送的遥控指令，内网选择数据的原则是优先选择内网口A遥控数据，没有内网口A遥控数据时选择内网口B遥控数据，如果内网口B也收不到数据时，不向上发送数据，有数据就进行处理，形成向上的遥控帧。

2.根据权利要求1所述的实时热备份综合数据处理系统，其特征在于：所述的综合数据处理系统中外部以太网中综合处理单元遥测数据选择的优先原则为外网口A>外网口B，对于接收到的单机多链路的遥测数据，用户遥测数据选择的优先原则为C波段链路遥测数据>Ku波段链路遥测数据>UHF波段链路遥测数据；链路遥测数据选择的优先原则为C波段链路遥测数据>UHF波段链路遥测数据>Ku波段链路遥测数据。

3.根据权利要求1所述的实时热备份综合数据处理系统，其特征在于：所述的综合数据处理系统中外部以太网选择数据的原则是优先选择外网口A的数据，没有外网口A的数据时选择外网口B的数据，如果外网口B也收不到数据时，不向下发送数据。

4.根据权利要求1所述的实时热备份综合数据处理系统，其特征在于：所述的综合数据处理系统中综合处理单元A与综合处理单元B在应用层软件之间的心跳信息有三个，一个通过外部以太网A相互发，一个通过外部以太网B相互发，另外一个通过串口RS422互发；所述的心跳信息包含主备信息、事件性指令设置结果、工作状态；综合处理单元A与综合处理单元B之间判断切换的条件是通过判断单元之间的心跳来实现，具体判断原则为：

如果三个心跳都监测不到，认为该综合处理单元发生故障，进行单元切换。

5.根据权利要求1所述的实时热备份综合数据处理系统，其特征在于：所述的综合数据处理单元进行主备切换是通过对心跳信息的有无及单元自检结果进行，具体的判断流程如下：

步骤一、系统上电完成初始化后，综合处理单元A为主机，综合处理单元B为备机；

步骤二、系统正常运行，两单元之间周期发送心跳信息，心跳信息的频率与最小数据处理频率相同；备机根据心跳时刻监视主机的设备状态及运行状态，当主机出现故障，备机在自身状态完好的情况下，申请进行自动主备切换；

步骤三、备机向主机发送切换请求，主机收到切换请求后，将自己降为备机，同时更新心跳中的状态；备机收到主机已降为备机的信息后，升为主机，同时更新主机状态信息并发布；若主机收到备机升主机的请求信息后，在规定的时间内返回的信息中依旧还是主机状态，则备机不升主机；若主机收到备机升主机的请求信息后，未在规定时间内将信息返回，则备机主动升主机。

6.根据权利要求5所述的实时热备份综合数据处理系统，其特征在于：所述的步骤二之前对于综合处理单元A，还判断综合处理单元B的心跳信息，若接受到综合处理单元B机此时为备机状态时，综合处理单元A设置为主机；若综合处理单元B此时为主机状态，则综合处理单元A自动降为备机状态。

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