场监雷达数据主动监控系统的研究与开发

摘 要：随着雷达技术的逐步完善，雷达制造厂商除了对雷达技术指标的提升，现代雷达也开始逐步重视雷达的故障的自检功能，以便在故障发生时发出告警。雷达设备的告警，对于雷达维护人员来说，是一种被动的监控方式。一直以来，设备监控方面缺少在日常维护中对雷达的主动监控。目前为止，航管雷达的关键参数都是以代码的形式在雷达数据处理服务器中进行处理，尚没有一个远程人机界面能让维护人员、排故人员主动、快速、准确地了解运行参数。在故障发生时往往由于缺乏对故障发生时雷达内部情况的了解而在决策层面延长了排故维修时间，对民航安全稳定的运行带来负面的影响。“怎样才能在原厂技术的基础上，快捷、主动地监控设备运行情况？”“怎样才能在故障发生时用用设备运行参数，迅速找到故障根源？”“如何在保障设备安全运行的同时，降低设备的运行成本？”成了雷达运行一线单位的研究方向，也是文章所要讨论的问题。

关键词：雷达技术；监控系统；开发

引言

华东空管局技术保障这中心虹桥雷达室下辖3部雷达：一部Thales二次雷达、两部Terma场监雷达，随着设备运行进入平稳期，技术人员已经不仅仅满足于原厂技术资料的基础学习，而是更加关注如何主动地对设备进行进一步的了解。文章课题小组以研究、构建雷达数据主动监控系统为目的，对场监雷达自检产生的重要参数进行提取，建立可视化的人机界面，提供给维护维修人员一个主动监控设备的平台。

1 系统

1.1 系统介绍

文章课题小组首先以场监雷达为例，构建了一套场监雷达数据主动监控系统。该系统通过读取场监监控RTCMS中记录的场监雷达系统参数自检信息，筛选对维护维修有着重要意义的参数。通过远程监控服务器、场监维护显示器、以及登陆华东空管内网，就能对场监运行参数进行实时监控。同时，编写了一款基于RTCM的数据分析软件，可以对设备运行的历史信息进行查看、作图。

1.2 重要参数

场监雷达运行的重要参数有：前向功率（Forward Power）、噪声系数（Noise Figure）、调制高压（Modulator High Voltage）

正向功率（Forward Power）：信号通过磁控管功率放大后的发射功率，直接作用于波导管和天线，正向功率的数据在场监系统中直接与磁控管的状态有关。磁控管正常运行的状态下，自检系统所测得正向功率为22千瓦左右。在设备运行过程中，当自检系统测得的正向功率有明显下降，很有可能是磁控管的老化或损坏造成的。

噪声系数（Noise Figure）：由于接收机是有源设备，其内部会产生噪声，输出端的信噪比和输入端的信噪比不同，所以才用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平。公式表示为：

噪声系数NF=■（dB）

该系数表征接收机的噪声性能恶化程度的一个参量。噪声系数在Terma场监系统中一般维持在3dB左右，当噪声系数出现异常时，很有可能是接收机内部发生了故障调制高压（Modulator High Voltage）：主板供电单元为调制模块供电（12V），调制模块经过变压整流将电压调制成高压，即调制高压，供给磁控管。在Terma场监系统调制模块的调制高压值在8800V左右，当调制高压值出现异常时，很有可能是调制模块的调制部分出现了故障。

1.3 实现过程

1.3.1 获取系统自检日志

在获取系统日志文件后，发现日志文件的出现有一定的重复性和规律性，文章研究小组在对场监雷达RTCMS中的文件进行研究性筛选时发现了名为RTCMS-APP-20130108.log的日志文件。该文件被系统自动保存在“”文件夹中以RTCMS-APP+“保存日期”的命名方式保存。以下字段作为例子：

01082013-05：51：13： Updated unit 1 BITEMEAS # 57 with val： （f[8640.000000]）

01082013-05：51：13： Updated unit 0 BITEMEAS # 91 with val： （f[47.129002]）

01082013-05：51：13： Updated unit 0 BITEMEAS # 91 with val： （f[47.129002]）

01082013-05：51：13： Updated unit 0 BITEMEAS # 70 with val： （f[-14.916000]）

01082013-05：51：13： Updated unit 1 BITEMEAS # 23 with val： （f[-0.003000]）

01082013-05：51：13： Updated unit 0 BITEMEAS # 71 with val： （f[-4.987500]）

01082013-05：51：13： Updated unit 0 BITEMEAS # 70 with val： （f[-14.916000]）

01082013-05：51：13： Updated unit 0 BITEMEAS # 74 with val： （f[5.264000]）

01082013-05：51：13： Updated unit 1 BITEMEAS # 70 with val： （f[-15.114000]）

分析字段内容：第一段01082013-05：51：13 为该数据被更新的时间信息，表示此次数据更新的时间点为2013年1月8日5点51分13秒（UTC时间）。第二段中unit0和unit1在之后的字段内重复出现，推断为所属设备信息。经过与RTCMS中设备信息的反复验证，可以确认unit0为rxtx1在自检信息中，unit1位rxtx2。而第三段bitemeas#57等代表相关参数名称，第四段的f[]内数据为设备参数的相对值。

通过查阅RTCMS自带的ID字段参照表：

图1 RTCMS ID字段参照表

通过与对照表的对照，BITEMEAS 0057代表的参数意义是调制器的高压值，其单位为V（伏特），而从获取的参数来看，F[]中的参数值为8640，将代码转译成人类语言，就是2013年1月8日5点51分13秒（UTC时间），RxTx2自检得出的调制高压为8640伏。同样的，前向功率（Forward Power）、噪声系数（Noise Figure）也能通过这一方法获取自检系统更新的参数。

1.3.2 建立网络通信

在获取到场监雷达重要参数的数据后，还要将此数据进行网络传输。本课题研究小组通过场面监视雷达系统给出的网络拓扑详细信息，发现该日志文件系统在10.94.1.X网段，在这一网段中10.94.1.201可以作为系统数据服务中心计算机IP使用。经过连通性测试，连接正常。

图2 10.94.1.201的连接测试

在系统传输时，可以选择两种传输协议，分别是UDP和TCP。为了尽量少地占用系统资源，首要保障设备运行正常。UDP是面向无连接的传输协议，其消耗的系统资源消耗小，处理速度快。由于不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，UDP传输容易掉包。经过分析：本系统作为主动监控设备的数据中心，使用量并不频繁的，数据的刷新频率对主动监控的影响不大，可以容忍数据的掉包，本课题研究小组采用了UDP协议进行传输。

1.3.3 制作人机界面

在对发送端、接收端加以编程后，实现了场监雷达重要参数的主动监控和远程查看。自主动监视系统试运行至今，虹桥雷达的值班人员、技术保障人员已能通过远程查看，主动监控东、西场监雷达的运行参数。

图3 东西场监重要参数监控界面

在研究日志文件的基础上，特编译了一款可以查看日志历史信息的分析软件“RTCMDataAnalysis”，该款软件通过载入设备运行日志RTCMS-APP-xxxxxxxx.log文件，对选定的参数进行作图，从而在故障发生时，提供给排故人员形象的参数曲线，使判定故障的依据更加有力。

图4 RTCMS日志分析软件界面 图5 RTCMS日志文件作图

1.3.5 构建系统网络

为了能与现有的监控设备进行整合，项目小组在主动监控软件、日志分析软件的基础上，进行了一次网络拓扑。将Thales二次雷达监控RCMS的声音监控加入到了整个主动监控系统，汇总了虹桥雷达室下辖的三部雷达头的基本运行信息。构建后的主动监控系统，通过下图中Monitor Center服务器的信息采集，整合传送到值班人员所在的监控机房。并通过监控机房将实时数据传输至科室领导、技术保障中心总值班等相关单位。

图6 虹桥雷达主动监控系统网络拓扑图

2 上海虹桥场监雷达数据主动监控系统排故实例

2.1 故障现象

2013年9月，虹桥雷达室值班人员发现：虹桥机场东场监雷达视频质量有比较明显的下降。

2.2 分析决策

雷达视频质量下降有多种原因造成：天线或波导管遭遇雨雪天气灾害，影响到信号的正常收发；磁控管老化，或调制板调制高压不足等发射端设备引起的故障；视频处理VP3处理门限过高，或接收机损坏引起的故障。根据Terma公司提供的技术资料（3.SCANTER 2001 Transceiver-Maintenance and Troubleshooting Manual（USM-262001-HC-1-E1）），对可能发生的原因进行逐个排查。根据Terma厂方提供的排故手册，按照技术资料提供的流程进行逐步确认，逐步排查，整个流程有很大的时间冗余，将耗费技术人员较多排故时间。（如图7）

虹桥雷达室在引接Terma场监雷达监控数据后，能在值班岗位、场监维护显示（Service Display）、甚至是内网电脑上，就能简单明了地看到设备运行的一些关键参数，通过对前向功率、噪声系数、调制高压的查看，可以在短时间内做出初步判断。这一操作能与天线、波导等外部元件的检查同步进行，从而简化排故流程，减少排故时间，具体简化排故流程如图8所示。

2.3 排故流程

对照上图中的简化排故流程，检查的内容同时包括外部设备和内部设备参数，一方面前往天线塔观测场监雷达天线、软波导、旋转铰链是否有积水现象，另一方面则在场监维护显示席位（Service Display）上调阅“Terma场监雷达监控数据”，通过安装在维护显示席位上的软件查看了故障通道的前向功率、噪声系数、调制高压。同时，与正常运行通道参数的横向比较，以及该故障通道重要参数的历史信息。技术人员发现：RxTx1的调制高压要比正常运行通道的调制高压小得多。且在故障发生时，其调制高压参数相比于其历史正常参数有个非常明显的下降。另一方面，外部设备检修人员确定天线、铰链、波导没有积水积雪；场监雷达波导管空压机工作正常，波导管无漏气现象。照简化后的排故流程，技术人员判断：场监雷达视频质量的下降，是由RxTx1调制模块故障造成的。通过更换调制模块，重启设备后设备恢复正常。由于采用了简化排故流程，此次排故时间相比于之前有了明显的缩短。

图8

2.4 总结和展望

2.4.1 磁控管、调制模块是场监雷达的易损模块，设备故障发生的根源多与易损模块的失效有关。经过故障排除小组总结，技术人员发现：引入Terma场监雷达数据监控能够快速、准确的观测到磁控管、调制模块的异常。并在设备发生故障时，简化排故步骤，快速排除故障。场监的主动监控系统如何作用于二次雷达，甚至一、二次合装雷达的主动监控，将成为课题小组进一步研究的方向。

2.4.2 由于磁控管等易损模块容易老化的特点，设备制造厂商出于保险起见，在维护上要求磁控管在使用半年后进行更换。以虹桥东西两部场监雷达双频双冗余的配置来看，每过半年就需要更换4个磁控管。这类没有达到实际使用寿命的更换，在无形中增加了设备的运行维护成本，随着更多机场的新建和场监雷达的广泛使用，不必要的运行维护成本将增长成一个惊人的数字。对此，本课题研究小组将进一步监控磁控管生命周期的历史数据，通过数据统计，界定“磁控管能否继续使用”的参数门限值，从而延长磁控管的使用寿命，减少场监雷达的运行维护成本。

2.4.3 通过与现有的Thales声音监控系统联网，本研究小组将搭建一个雷达设备主动监控的集总服务器，通过服务器将Thales雷达、东西场监雷达的监控数据一体化，并将这些数据通过华东空管局的内网发送给虹桥雷达室科室领导、技术保障中心总值班。

3 结束语

随着上海自贸区的逐步建成，航班量的持续增长、机场容量的充分利用以及更小的起飞降落间隔，上海虹桥、浦东两场将面临更大的挑战。场监雷达、一二次雷达的数量将进一步增加。作为设备保障部门，更大的挑战在于实时监控多部设备运行质量，当有故障发生时能做到快速、高效的处置。此课题的研究和开发，将以场监雷达作为开端，逐步延伸到二次雷达、一二次合装雷达，并进行集总监控。在保障设备安全运行的前提下，节约运行维护成本，提高排故效率。

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