CN111366956B - 一种应用于gbas系统的数据处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于GBAS系统的数据处理设备，包括接口转换模块、核心处理模块、综合处理模块，其中，接口转换模块和综合处理模块均连接主备核心处理模块。本发明设计的应用于GBAS系统地面设备的数据处理设备，通过接口统一处理、依据系统状态监控与打分评估进行主备逻辑处理、主备异常处理及运行日志保存等一系列措施，在降低系统复杂度的基础上，实时监测系统各组件故障，保证了系统工作在最优状态，提高了系统的完好性性能指标。

Description

一种应用于GBAS系统的数据处理设备

技术领域

本发明属于卫星导航领域，尤其是涉及一种应用于GBAS系统的数据处理设备。

背景技术

GBAS（Ground-Based Augmentation System）通过差分定位技术提高卫星导航系统的精度（能够达到米级），并通过一系列措施来提高系统的完好性、连续性、可用性等性能指标，使机场覆盖空域范围内配置相应机载设备的飞机获得Ⅰ类甚至更高标准的精密进近着陆引导服务。

GBAS系统由地面设备和机载设备组成。地面设备通过综合来自四个参考接收机的卫星信号测量值产生可见卫星的差分校正值，同时通过监测导航信号的异常形成完好性信息，然后把校正值、完好性数据组合为差分增强报文，并通过甚高频（VHF）发射电台播发给机载用户。机载设备为多模式接收机，通过接收卫星导航信号以及地面设备播发的差分增强报文，进行差分定位解算以及完好性告警判断处理，从而生成飞机所需的引导信息，如图1所示。

在GBAS系统的性能指标中，完好性关系到整个系统的安全，因此比定位精度更加重要。完好性指的是系统监测各组成部分故障的能力，当监测到故障发生时能够及时告警并通知机载设备，防止灾难事故的发生。完好性监测能力主要包括两个方面，即卫星系统故障监测和地面设备故障监测，卫星故障监测主要通过一系列的卫星信号监测算法实现，地面设备故障监测则需要相关硬件软件配合共同完成。现有技术中没有相关设备。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种应用于GBAS系统的数据处理设备，通过对核心组件的合理设计，在对各组成设备的状态进行实时监测的基础上，针对发生的各类硬件或软件故障调整系统的状态，保证系统的最佳工作能力，从而实现整个系统的高完好性性能指标。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种应用于GBAS系统的数据处理设备，包括接口转换模块、核心处理模块、综合处理模块，其中，接口转换模块和综合处理模块均连接主备核心处理模块；

所述接口转换模块处理本设备与外部设备之间的数据交互，处理本设备内部各模块之间的数据交互；

所述核心处理模块分为主备，其关系由两个模块互相协商确定，用于完成差分修正处理、卫星信号完好性监测处理、主备判定及在线切换；

所述综合处理模块主要用于运行日志的存储，以及核心处理模块出现异常时的仲裁处理。

进一步的，本设备与外部设备交互的数据包括，每台参考接收机上报的两路卫星信号观测量信息、接收机状态信息，时统设备上报的基准时间信息，每台发射电台上报的工作状态信息以及发送到电台差分增强报文信息，每台接收电台上报的工作状态信息和从发射电台接收到的差分增强报文信息；与内部其它模块交互的数据包括，核心处理模块与外部设备之间的接收机信息、电台信息、时统信息。

进一步的，所述核心处理模块分别根据获取到的系统各设备和链路的状态信息进行打分，主用核心处理模块周期性地获取备用核心处理模块的状态分数，若备用模块分数高于主用核心处理模块，即进行主备切换。

进一步的，当两个核心处理模块无法确认主备关系时，由综合处理模块进行仲裁处理，确定主备关系。

进一步的，所述接口转换模块实现过程如下，

（1）分别接收四个接收机的两路输出信息，将接收机的两路信息分别转发至两个核心处理模块；

（2）接收时统的两路标准时间信息，分别转发至两个核心处理模块；

（3）接收主用核心处理模块输出的差分与完好性增强报文，并转发至主用发射电台；

（4）接收接收电台输出的差分与完好性增强报文，并转发至两个核心处理模块；

（5）接收发射电台和接收电台输出的两路状态信息，将两路信息分别转发至两个核心处理模块；

（6）接收核心处理模块输出的控制信息，转发至接收机、时统设备、发射电台、接收电台。

进一步的，所述主备核心处理模块实现过程如下，

（1）接收接收机上报的卫星信号观测量信息，执行差分与完好性算法处理，生成差分与完好性增强报文，并作为核心处理模块状态得分计算的输入；

（2）开启定时器，若在规定时间内未接收到对端核心处理模块输出的状态查询消息，则设置自身为主用核心处理模块，否则，设置自身为备用核心处理模块；

（3）若为主用核心处理模块，定时向对端发送状态查询消息；

（4）若为备用核心处理模块，启动状态查询消息等待定时器，如果该定时器超时，则判定对端失效，则设置自身为主用核心处理模块并执行主用核心处理模块处理逻辑；

否则，按照打分公式计算获得本模块的状态得分S1并发送至主用核心处理模块；

（5）主用核心处理模块接收到备用模块的状态得分后，计算获得自身的状态得分S2并进行比较；

若S1>S2，表明备用模块得分高于自身得分，则发送主备状态切换指令至备用模块，将自身切换为备用模块并开始执行备用核心处理模块处理逻辑；

否则，状态保持不变；

（6）备用核心处理模块接收到主用模块的主备状态切换指令后，将自身设置为主用模块并开始执行主用核心处理模块处理逻辑；

（7）若无法接收对端模块信息，且接收到综合处理模块的强制切换指令，则根据切换指令内容确定自身的主备状态，并且维持不变，重新接收到对端模块消息后，恢复主备执行逻辑。

进一步的，所述综合处理模块实现过程如下，

（1）接收两个核心处理模块上报的状态信息，包含各自模块的主备状态；

（2）若两个核心处理模块为一主一备，则不做任何处理；

（3）若两个核心处理模块均为主用设备，则将第二个核心处理模块强制切换为备用模块；

（4）若两个核心处理模块均为被备用设备，则将第一个核心处理模块强制切换为主用模块；

（5）接收核心处理模块上报的运行信息，以日志的形式进行存储。

相对于现有技术，本发明所述的一种应用于GBAS系统的数据处理设备具有以下优势：

本发明设计了一种应用于GBAS系统地面设备的数据处理设备，通过接口统一处理、依据系统状态监控与打分评估进行主备逻辑处理、主备异常处理及运行日志保存等一系列措施，在降低系统复杂度的基础上，实时监测系统各组件故障，保证了系统工作在最优状态，提高了系统的完好性性能指标。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1 为GBAS系统示意图；

图2为本发明应用于GBAS地面设备示意图；

图3为本发明设备内部模块关系图；

图4 为接口转换模块工作流程图；

图5为核心处理模块工作流程图；

图6为综合处理模块工作流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种应用于GBAS系统的数据处理设备，具备接口转换、冗余热备、综合处理等主要功能模块。首先，通过独立的接口转换模块，将复杂的接口关系进行简化，降低了系统的复杂度，提高了系统的可靠性。其次，在实时监测GBAS各组成设备或链路状态的基础上，通过打分机制来实现处理单元的热备切换，保证系统最佳工作能力。最后，综合处理模块能够在设备出现异常时能够进行仲裁，并具备设备运行日志数据的存储能力。

本发明具体方案如下：

本发明提供了一种应用于GBAS地面设备的数据处理设备，具备高可用性性能指标，其在GBAS系统中的位置如图2所示。本发明提出的数据处理设备主要有接口转换模块、主备核心处理模块、综合处理模块构成，在实现上可以将各个模块设计成独立的板卡，便于在出现故障时进行快速替换，如图3所示。

接口转换模块的主要功能是，处理本设备与GBAS系统中其它所有设备之间的数据交互，处理本设备内部各模块之间的数据交互。与外部设备交互的数据包括，每台参考接收机上报的两路卫星信号观测量信息、接收机状态信息，时统设备上报的基准时间信息，每台发射电台上报的工作状态信息以及发送到电台差分增强报文信息，每台接收电台上报的工作状态信息和从发射电台接收到的差分增强报文信息。与内部其它模块交互的数据包括，核心处理模块与外部设备之间的接收机信息、电台信息、时统信息等。

接口转换模块主要用于系统各组件之间的信息转发，通过转发，两个核心处理模块可以分别获得各自连接的设备或链路的状态并进行状态打分。

接口转换模块工作流程。

1、分别接收四个接收机的两路输出信息（包含卫星信号观测量、接收机状态信息等），将接收机的第一路信息转发至核心处理模块1，将接收机的第二路信息转发至核心处理模块2。

2、接收时统的两路标准时间信息，分别转发至核心处理模块1、2。

3、接收主用核心处理模块输出的差分与完好性增强报文，并转发至主用发射电台。

4、接收接收电台输出的差分与完好性增强报文，并转发至核心处理模块。

5、接收发射电台和接收电台输出的两路状态信息，将第一路信息转发至核心处理模块1，将第二路信息转发至核心处理模块2。

6、接收核心处理模块输出的控制信息，转发至接收机、时统设备、发射电台、接收电台。

核心处理模块是本设备以及系统中最重要的组件，用于完成差分修正处理、卫星信号完好性监测处理、主备判定及在线切换等。核心处理模块有主备之分，其关系由两个模块互相协商确定。

两个模块分别根据获取到的系统各设备和链路的状态信息进行打分，主用核心处理模块周期性地获取备用核心处理模块的状态分数，若备用模块分数高于主用模块，即进行主备切换。

核心处理模块对系统当前状态的打分包括三个方面：差分与完好性增强报文生成的能力、标准时间状态、报文播发能力，分别设为X、Y、Z。系统可用的基本条件为，能够生成并播发差分与完好性增强报文（标准时间状态并非必需），因此系统状态得分可表示为S =X * Z + Y。

差分与完好性增强报文生成的能力与当前卫星系统状态、接收机状态有关，因此可以用公式X = a * n₁表示。当系统不能生成报文时a = 0，否则a可根据该能力的权重取值。n₁表示生成当前报文使用的接收机个数，接收机个数越多，报文包含的信息对系统越有价值。

标准时间状态包括接收机获取标准时间的状态、数据处理设备自身获取标准时间的状态、电台获取标准时间的状态，因此可以用公式Y = b₁ + b₂ + b₃表示。

标准时间可以同步四个接收机接收卫星信号与输出观测量的时间，使之准确对齐，另外当卫星信号受到干扰时可以做为基准时间实现对卫星信号的捕获。当接收机无法获取标准时间时b₁ = 0，否则b₁可根据权重取值；数据处理设备基于标准时间对时隙进行划分，准确的确定报文播发的时刻。当数据处理设备接收机无法获取标准时间时b₂ = 0，否则b₂可根据权重取值；

电台依据标准时间信息发送及接收报文。当电台无法获取标准时间时b₃ = 0，否则b₃可根据权重取值。当无法获取时统输出的标准时间信息时，各组成设备只能使用自身维护的时间，降低了各方面的精度。

报文播发能力主要与发射电台以及接收电台的状态有关，可以从是否具备发播能力、是否具备主备切换能力等方面进行考核，因此可以用公式Z = c * n₂表示。当系统所有发射电台均出现故障时c = 0，当仅有一个发射电台可用时c = 1（此时具备报文发播能力但不具备发射电台主备切换能力），当发射电台具备主备切换能力时（两个发射电台均可用，且至少有一个接收电台可用）c根据该能力的权重取值，n₂表示接收电台的数量。

综上所述，核心处理模块对系统当前状态的打分可以用公式S = X * Z + Y = a* n₁* c * n₂+ b₁ + b₂ + b₃。

核心处理模块主要任务是执行差分与完好性处理算法，生成差分与完好性增强报文，上述处理过程主备核心处理模块同时执行，但仅有主用核心处理模块将报文发送至电台进行对空播发。核心处理模块主备判定或切换的最终目的是保证当前系统工作在最优状态。

核心处理模块主备确认及在线切换流程如下：

1、接收接收机上报的卫星信号观测量信息，执行差分与完好性算法处理，生成差分与完好性增强报文，并作为核心处理模块状态得分计算的输入。

2、开启定时器，若在规定时间内未接收到对端核心处理模块输出的状态查询消息，则设置自身为主用核心处理模块，否则，设置自身为备用核心处理模块。

3、若为主用核心处理模块，定时向对端发送状态查询消息。

4、若为备用核心处理模块，启动状态查询消息等待定时器，如果该定时器超时，则判定对端失效，则设置自身为主用核心处理模块并执行主用核心处理模块处理逻辑。否则，按照打分公式计算获得本模块的状态得分S1并发送至主用核心处理模块。

5、主用核心处理模块接收到备用模块的状态得分后，计算获得自身的状态得分S2并进行比较。

若S1>S2，表明备用模块得分高于自身得分，则发送主备状态切换指令至备用模块，将自身切换为备用模块并开始执行备用核心处理模块处理逻辑。否则，状态保持不变。

6、备用核心处理模块接收到主用模块的主备状态切换指令后，将自身设置为主用模块并开始执行主用核心处理模块处理逻辑。

7、若无法接收对端模块信息，且接收到综合处理模块的强制切换指令，则根据切换指令内容确定自身的主备状态，并且维持不变。重新接收到对端模块消息后，恢复主备执行逻辑。

综合处理模块主要用于运行日志的存储，以及核心处理模块出现异常时的仲裁处理。设备在运行过程中产生的重要事件、故障告警信息作为运行日志进行存储，用于事后分析处理，定位故障原因等目的，是提高完好性监测能力的重要辅助手段。当两个核心处理模块无法确认主备关系时，由综合处理模块进行仲裁处理，确定主备关系。

综合处理模块工作流程。

1、接收两个核心处理模块上报的状态信息，包含各自模块的主备状态。

2、若两个核心处理模块为一主一备，则不做任何处理。

3、若两个核心处理模块均为主用设备，则将第二个核心处理模块强制切换为备用模块。

4、若两个核心处理模块均为被备用设备，则将第一个核心处理模块强制切换为主用模块。

5、接收核心处理模块上报的运行信息，以日志的形式进行存储。

综上所述，本发明设计了一种应用于GBAS系统地面设备的数据处理设备，该设备不仅可以简化GBAS系统各组件的连接关系，而且通过基于打分机制的主备方案设计，实现核心处理模块的热备切换，保证系统始终工作在最佳状态。另外，设备的对于主备之间产生的异常也具备纠正的能力，且可以以日志的方式进行记录。

本发明具备统一的接口转换处理功能，降低了GBAS系统的复杂度，提高了系统的可靠性。

本发明通过实时监测系统各组成设备、链路、处理过程的状态，核心处理模块对当前状态进行打分，根据状态得分高低进行主备模块的确定及在线切换，保证系统始终工作在最优状态。

本发明当系统出现主备竞争异常时，可以进行仲裁，确定主用核心处理模块，且能够以日志的方式记录系统出现的重要事件。

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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于GBAS系统的数据处理设备，其特征在于：包括接口转换模块、核心处理模块、综合处理模块，其中，接口转换模块和综合处理模块均连接主备核心处理模块；

所述接口转换模块处理本设备与外部设备之间的数据交互，处理本设备内部各模块之间的数据交互；

所述核心处理模块分为主备，其关系由两个模块互相协商确定，用于完成差分修正处理、卫星信号完好性监测处理、主备判定及在线切换；所述核心处理模块分别根据获取到的系统各设备和链路的状态信息进行打分，主用核心处理模块周期性地获取备用核心处理模块的状态分数，若备用模块分数高于主用核心处理模块，即进行主备切换；

所述核心处理模块对系统当前状态的打分包括三个方面：差分与完好性增强报文生成的能力、标准时间状态、报文播发能力，分别设为X、Y、Z，系统状态得分表示为S = X * Z +Y；

所述差分与完好性增强报文生成的能力用公式X = a * n₁表示，当系统不能生成报文时a = 0，否则a根据该能力的权重取值，n₁表示生成当前报文使用的接收机个数；

所述标准时间状态用公式Y = b₁ + b₂ + b₃表示，当接收机无法获取标准时间时b₁ =0，否则b₁根据权重取值；当数据处理设备接收机无法获取标准时间时b₂ = 0，否则b₂根据权重取值；电台依据标准时间信息发送及接收报文，当电台无法获取标准时间时b₃ = 0，否则b₃根据权重取值；

所述报文播发能力用公式Z = c * n₂表示，当系统所有发射电台均出现故障时c = 0，当仅有一个发射电台可用时c = 1，当发射电台具备主备切换能力时c根据该能力的权重取值，n₂表示接收电台的数量；

核心处理模块对系统当前状态的打分用公式S = X * Z + Y = a * n₁* c * n₂+ b₁ +b₂ + b₃表示；

所述核心处理模块实现过程如下，

（1）接收接收机上报的卫星信号观测量信息，执行差分与完好性算法处理，生成差分与完好性增强报文，并作为核心处理模块状态得分计算的输入；

（2）开启定时器，若在规定时间内未接收到对端核心处理模块输出的状态查询消息，则设置自身为主用核心处理模块，否则，设置自身为备用核心处理模块；

（3）若为主用核心处理模块，定时向对端发送状态查询消息；

（4）若为备用核心处理模块，启动状态查询消息等待定时器，如果该定时器超时，则判定对端失效，则设置自身为主用核心处理模块并执行主用核心处理模块处理逻辑；否则，按照打分公式计算获得本模块的状态得分S1并发送至主用核心处理模块；

（5）主用核心处理模块接收到备用模块的状态得分后，计算获得自身的状态得分S2并进行比较；若S1>S2，表明备用模块得分高于自身得分，则发送主备状态切换指令至备用模块，将自身切换为备用模块并开始执行备用核心处理模块处理逻辑；否则，状态保持不变；

（6）备用核心处理模块接收到主用模块的主备状态切换指令后，将自身设置为主用模块并开始执行主用核心处理模块处理逻辑；

（7）若无法接收对端模块信息，且接收到综合处理模块的强制切换指令，则根据切换指令内容确定自身的主备状态，并且维持不变，重新接收到对端模块消息后，恢复主备执行逻辑；

所述综合处理模块用于运行日志的存储，以及核心处理模块出现异常时的仲裁处理，当两个核心处理模块无法确认主备关系时，由综合处理模块进行仲裁处理，确定主备关系；

所述综合处理模块实现过程如下，

（1）接收两个核心处理模块上报的状态信息，包含各自模块的主备状态；

（2）若两个核心处理模块为一主一备，则不做任何处理；

（3）若两个核心处理模块均为主用设备，则将第二个核心处理模块强制切换为备用模块；

（4）若两个核心处理模块均为备用设备，则将第一个核心处理模块强制切换为主用模块；

（5）接收核心处理模块上报的运行信息，以日志的形式进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种应用于GBAS系统的数据处理设备，其特征在于：本设备与外部设备交互的数据包括，每台参考接收机上报的两路卫星信号观测量信息、接收机状态信息，时统设备上报的基准时间信息，每台发射电台上报的工作状态信息以及发送到电台差分增强报文信息，每台接收电台上报的工作状态信息和从发射电台接收到的差分增强报文信息；与内部其它模块交互的数据包括，核心处理模块与外部设备之间的接收机信息、电台信息、时统信息。

3.根据权利要求1所述的一种应用于GBAS系统的数据处理设备，其特征在于：所述接口转换模块实现过程如下，

（1）分别接收四个接收机的两路输出信息，将接收机的两路信息分别转发至两个核心处理模块；

（2）接收时统的两路标准时间信息，分别转发至两个核心处理模块；

（3）接收主用核心处理模块输出的差分与完好性增强报文，并转发至主用发射电台；

（4）接收接收电台输出的差分与完好性增强报文，并转发至两个核心处理模块；

（5）接收发射电台和接收电台输出的两路状态信息，将两路信息分别转发至两个核心处理模块；

（6）接收核心处理模块输出的控制信息，转发至接收机、时统设备、发射电台、接收电台。

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