摘 要： 在vxWorks嵌入式实时操作系统下，硬件采用PC104，实现了网络和串口的主备份ADS-B地面站之间进行信息交互，通过主、备份机器之间的心跳计数器完成主、备份机器之间的自动切换，使得ADS-B地面站给监视终端的数据保持连续，保证了管制员对目标的全天候实时监控，确保空中交通的安全。同时提供命令接口供用户强制实现主、备机器的切换，解决了空管设备的双机热备份之间的自动切换。
关键词： 实时操作系统；vxWorks；ADS-B；热备份
0 引言
广播式自动相关监视[1-7]（ADS-B）是基于GPS卫星定位和地/空数据链通信的航空器运行监视系统。ADS-B机载电子设备通过地-空/空-空数据链自动广播飞机的呼号、位置、高度、速度和其他一些参数。其他的飞机、地面站、网关都可以通过数据链接收此数据，并用于空中交通管理监视服务、驾驶舱交通信息显示（CDTI）等。ADS-B成功应用于无雷达地区的远程航空器运行监视，且与传统雷达监视技术相比，其技术具有使用成本低、精度误差小、数据更新率高以及监视能力强等明显优势，对于高密度飞行区域的空中交通服务也有广泛的应用前景，如场面监视等。许多国家把它当作下一代监视技术的发展方向。
vxWorks 是由美国WRS（Wind River Systems Inc.）公司开发的一套微内核、高可靠性、可裁减的嵌入式实时操作系统，为程序设计者提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信[1]。因此该操作系统已经广泛地应用于航空、航天、舰船、通信、医疗等关键领域。
ADS-B地面站作为航空的监视设备，为了确保管制员能实时地监视飞机，设备的实时性和稳定性必须满足民航的要求[6]。根据vxWorks实时操作系统的特性，ADS-B地面站的数据处理系统是基于vxWorks操作系统开发的应用程序，并采用双机热备份的方式来满足对ADS-B数据的实时处理。本文对双机热备份的自动切换提出了一种解决方案。
1 ADS-B地面站的热备份构架
所谓双机热备份就是一台ADS-B地面站为工作机，另一台ADS-B地面站为备份机，在系统正常情况下，工作机为监视终端提供ADS-B数据，备份机监视工作机的运行情况，同时也监视自己是否正常，当备份机因某种原因出现异常时，备份机主动向工作机、监视终端和维护终端发出故障信息，告知维护人员及时处理地面站的故障，确保下一次切换的可靠性。当工作机出现异常时，发命令给备份机，使备份机切换为工作机，保证ADS-B数据能够不间断地向监视终端发送。同时也把故障的信息发送到监视终端，告知维护人员及时处理地面站的故障。热备份系统构架如图1所示。
图1呈现了ADS-B地面站双机热备份的整个系统设计方式，为了确保自动切换可靠性，设计的过程中采用了双通道的自动切换信息交互，即串口和网络。为了确保主、备份机器之间信息交换通道的畅通性，主、备份机器在信息交互通道之间启用了心跳包来确认通道是否畅通，并把通道失效的消息发送给监视和维护终端。当整个系统运行正常后，地面站和监视终端之间也有相互的网络监视功能，实时监视地面站和监视终端以及监视终端到网络的状态。
2 系统实现
2.1 程序设计流程
系统初始化时，发起了主、备份机器之间的网络和串口的心跳报文接收处理任务，系统初始化完毕后，如果没有异常，本机先采用串口的方式在定时器模块中发送主、备份机器之间的心跳报文，如果串口任务接收到其他机器的反馈信息，则根据信息的内容设置本机的主、备份参数；如果在一定周期内串口任务没有收到其他机器的反馈信息，本机器就采用网络的方式继续广播主、备份机器之间的心跳报文，如果网络任务在一定的周期内没有接收到其他机器反馈的信息，就设置本机器为主，由于没有获得其他机器反馈的信息，本机器作为主机时，将采用串口的方式广播主、备份机器之间的心跳包。本机初始化完毕后，在系统运行的期间，系统实时地监视本机的运行情况，同时响应用户设置主、备份机器的命令。程序流程如图2所示。
2.2 信息交互协议设计
为了使ADS-B地面站主、备机器以及ADS-B地面站与监视终端之间交互的信息的一致性和可靠性，本文设计了ADS-B地面站主、备份机器以及ADS-B地面站与监视终端的信息交换格式，方便了信息的编解码，有利于程序设计的独立性和模块化。信息格式如表1和表2所示。
3 应用和验证
双机热备份是民航使用设备的规范要求[6]，因此在设计民航使用的设备时，都必须考虑到双机热备份的设计方案，同时设计的方案必须满足民航规范的性能要求。因此，本设计方案应用在数据链UAT和1090ES的ADS-B地面站设计中，而且数据链UAT的ADS-B地面站在飞行学院成功地使用了6年左右，该设计经过了实践的验证，满足民航的设备使用规范要求。同时，该设计在数据链1090ES的ADS-B地面站设计中的应用通过了民航使用设备的规范要求测试，在申请获取整套1090ES地面站设备的使用许可证。而且该设计方案的响应时间在自动切换时不高于5 s，用户命令切换时不高于1 s，验证结果如图3所示。图3表明可以通过监视终端来对地面站进行主、备份切换，同时也可以监视地面站的运行状态，并给用户提供告警显示。
4 结论
采用vxWorks操作系统的任务调度方式，系统设计的过程中充分考虑了任务的优先级设置处理，通过Tornado集成开发平台的仿真和工程应用的测试，使主、备份机器的处理任务能实时自动切换，同时能响应用户外部命令的设置处理。系统运行的过程中，实时监视主、备份机器之间的异常和心跳报文通道的畅通情况，使异常处理信息的交互通道可得，确保主、备份机器切换命令的可靠性以及实时性，从而保证了ADS-B地面站到监视终端的数据的连续性和稳定性，提高了管制员指挥飞机的安全性。
参考文献
[1] 孔祥营，柏桂枝.嵌入式实时操作系统vxWorks及其开发环境Tornado[M].北京：中国电力出版社，2002.
[2] SC-186， RTCA DO-282A. Minimum operational performance standards for universal access transceiver（UAT） automatic dependent surveillance-broadcast （ADS-B）[S]. RTCA， Inc.，2004.
[3] SC-186， RTCA DO-282B. Minimum operational performance standards for universal access transceiver （UAT） automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）[S]. RTCA， Inc.，2009.
[4] SC-186， RTCA DO-260A. Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B） and traffic information services-broadcast （TIS-B）[S]. RTCA， Inc.，2006.
[5] SC-186， RTCA DO-260B. Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B） and traffic information services-broadcast （TIS-B）[S]. RTCA， Inc.，2009.
[6] 中国民用航空局.MH/T 4036-2012，1 090 MHz扩展电文广播式自动相关监视地面站（接收）设备测试要求[S].北京，2012.
[7] 李自俊.ADS-B广播式自动相关监视原理及未来的发展和应用[J].中国民航飞行学院学报，2008，19（5）：11-14.