北京空管工程技术有限公司
李志远、蔡华华、傅航、李进、韩振年、戴葵、魏宝军
一、 前言
空中交通管理是民用航空运输体系的重要一环，在建设民航强国中承担着重点任务,空管发展的主要方向就是要围绕建设民航强国目标，积极构建安全高效的空中交通管理体系。北京空管工程技术有限公司（以下简称工程公司）是华北地区民航空管设备设施重要保障单位，承担华北地区地空通信、雷达监视、导航等设施设备的维护维修、巡检、大修、紧急抢修及更新改造工作，对华北地区的空中交通管理起到至关重要的作用。
工程公司近年来对行业影响力比较大且已经在民航多单位推广应用的科研项目 “空管雷达多协议转换设备国产化研发与应用”。项目基于现场可编程逻辑阵列平台技术，并融合了多种其它计算机技术，解决了“空管雷达协议转换设备国产化”的难题。
二、 背景
目前，民航空管主用雷达大多为进口雷达，引进时间自上个世纪八十年代，时间跨度比较大，早期引进的雷达已经得不到厂家的技术支持，加大了雷达的使用与维护难度。特别是各个雷达系统的对外接口单元，属于高故障概率设备，又属于非常关键的设备，一旦故障，将雷达数据将无法输出。后期引进的雷达系统，尽管厂家可以提供技术的支持和后期维护，但费用高，周期长，无法满足雷达的使用要求。因此，对目前主用的进口空管雷达的关键配件国产化，对保障雷达系统的运行有非常重要的意义。
三、 项目实施
(一) 技术路线
空管雷达接口单元的简要连接拓扑如图1所示，主要是实现雷达系统内网外网的网关功能，同时也实现空管自动化系统用户的数据接入功能。
针对雷达系统的对外接口单元，在技术上充分考虑到在保证国产化替代设备的安全性、可靠性的基础上，在性能上和开发效率的角度综合考虑，采用“数字信号处理器（以下简称DSP）”加“FPGA”即 DSP+FPGA的平台的系统构架(物理实现上是在FPGA平台上搭载DSP器件)，利用嵌入式系统运行效率高，FPGA搭建逻辑功能效率高的特点，快速开发国产化的空管雷达多协议转换设备的兼容系统。
FPGA开发平台是现代电子发展的方向，是电子设计和电子项目开发的理想平台，也是本项目应用的关键平台技术。完成项目功能的硬件主要由核心板 EP1C12开发平台和扩展板构成，可根据用户不同的需求配置成不同的开发系统。EP1C12核心板为基于 Altera Cyclone 器件（Altera公司FPGA系列产品，是当前主流产品）的嵌入式系统开发提供了一个硬件平台， FPGA开发平台为开发设计人员提供了丰富的资源，资源包括接口通信、控制、存储、数据转换以及人机交互显示等几大模块，如接口通信模块、存储模块、数据转换模块、人机交互显示模块等，参见图2。
图2 FPGA 开发板模块分布图
利用一款名为“Quartus”的软件就可进行是FPGA设计和开发，也就是集成复杂的门电路的设计。项目采用版本是Altera Quartus II 的软件。EP1C12核心板和QuartusII软件的使用上类似于其它高级集成编程环境的软件，只是电子器件功能设计的工具，形式上是更依赖于硬件、更靠近最底层。其完成的功能可以媲美高级语言，有时能够完成高级计算机语言无法完成的任务，且执行效率也要高一些。但应用FPGA平台实现特定功能的技术人员在软件工程人员中是少之又少，技术门槛相对较高。项目成员比较熟练的掌握了这项技术，为顺利开发完成该项目奠定了基础。对于空管雷达协议转换，在掌握了进口空管雷达的协议后，就可按照协议规则进行设计，并在FPGA平台上测试和修正。
在民航空管系统中，无论是在空管系统升级改造还是在科技研发项目中采用上述技术的事例都是罕见的。能够把FPGA平台技术结合到空管设备国产化中是技术创新的亮点。
图3:空管雷达多雷达协议转换设备(简称：国产化PLINE)
(三) 多种创新技术综合应用
1. 在DSP+FPGA嵌入式平台上采用多路数据并行处理方式实现空管雷达数据协议转换与分发技术
国内空管主用进口雷达的接口设备均采用了POWER_PC平台，由于这些设备引进的比较早，CPU的处理能力有限，存在数据流量过载风险。而项目选用的DSP+FPGA平台中的芯片板卡均为低功耗器件，多路数据并行处理技术的特点。DSP采用流水线处理模式，负责命令解析与处理，在FPGA上建立多路数据传输的协处理单元，可以并行解析数据帧、组成数据帧、进行链路层以下数据协议转换，包括CRC校验值计算均由FPGA负责。这种架构的数据处理实时性强，扩展多路数据时，对实时性没有影响。
2. 采用弹性缓存保证串口时钟同步技术
空管雷达数据用于航空管制指挥，对雷达数据的实时性要求很高。为了确保数据的实时性，雷达数据采用串口同步数据传输模式。同步数据传输对时钟的要求很高，为了确保数据输入端口与输出端口的时钟同步，此本设备采用了弹性缓存技术,此设备提供数据的本地分路功能，当输入端口与输出端口均由外设提供时钟时，采用弹性缓存，确保输入数据与输出数据的一致性。
3. 采用双DSP双向控制技术
因为实时性是空管雷达数据处理、转换和传输的重要指标,在设计转换设备硬件平台和软件架构时，要最大限度的减少数据转换环节的延时,设计设备时实际采用双DSP+双FPGA模式,两块DSP共同担负数据处理工作，由FPGA为双方建立同步用缓存，为了避免缓存过深导致数据转换时延抖动过大，用环形队列作为缓存的数据存储结构，由FPGA产生环形队列读时钟、写时钟、读允许和写允许信号的双向控制时序逻辑。
图4：设备及系统在民航天津空管分局安装调试情景
“空管雷达多协议转换设备国产化研发与应用”项目获得了业内权威机构的第三方评价。
2019年5月16日，中国航空学会在华北空管局主持召开的“空管雷达多协议转换设备国产化研究与应用”科技项目成果鉴定会。认定项目独立自主完成了空管雷达多协议转换设备的研制，具备了全功能替代对应进口设备的能力，性能指标达到且部分超过同类进口产品水平，突破了国外进口设备在空管雷达数据协议转换的技术壁垒，填补了国内同行业在此方面的空白。建议进一步在民航空管行业推广应用。
空管雷达多协议转换设备解决进口空管雷达对外数据接口单元故障率高，维修时间长，维修成本高问题.项目实现了用软件编程的方式在统一的硬件平台上实现目前民航主用空管雷达对外接口单元的功能替代。
由于民航空管部门中的多个地区空管局都采用了的进口的雷达系统和其配套的空管自动化系统，因此，项目的研究成果具有普遍性，可以应用到所有采用同样接口的系统中。
目前,空管雷达多协议转换设备已在民航华北空管局天津空管分局、民航中南空管局海南分局的泰雷兹雷达、民航东北空管局吉林分局的塞雷斯雷达得到了应用。
图5：现场安装后终端显示航班飞行情景
基于现场可编程逻辑阵列平台技术的空管雷达协议转换设备研发项目将设备故障响应时间从3至6个月缩短到48小时内，设备国产化替代后功能相同，最重要的是提高了实效性、确保了设备正常运行并传输数据，从而保障了空管安全生产。目前，该类系列产品已在军、民航的空管雷达和自动化系统中应用，且技术为自主研发，推广意义重大。
国产化设备的研发成功，打破了国外厂商技术垄断，具有十分重要的现实战略意义。产生了显著的经济效益和社会效益。后期可在民航空管领域不断推广，对于打破进口设备限制，节约成本，确保国家安全方面也具有深远意义。项目研发应用不但节约了大量成本，而且在国外进口的空管雷达与自动化系统接口的设备故障时，可快速提供相应的国产替代产品，实效性提高了95%, 为空管设备安全运行提供了有力的技术保障和支撑。
国产化的空管雷达协议转换设备也带来了较好的经济效益。目前，项目研发的雷神（Raytheon）、塞勒斯（SELEX）、泰雷兹（THALES）3个品牌进口空管雷达多协议转换设备国产化产品替代品被军方、民航采用150多台，节约成本合计1200多万元。
国产化后的空管雷达多协议转换设备性能参数达到并部分超过进口设备，可将设备故障维修响应时间从6个月以上缩短至48小时以内，设备的购置成本与维修成本降至进口设备的1/3，很好地满足了空管雷达可靠性运行的保障需求，同时也为民航空管雷达传输建立统一的接入标准提供了技术准备和依据。
在解决项目开发效率和空管雷达数据传输的实时性方面取得了多项技术应用成果， 特别是采用了FPGA平台技术在硬件底层快速搭建了业务逻辑，高效且低成本解决了快速开发、仿真和测试问题。FPGA平台技术的应用大大加快了空管雷达多协议转换设备的国产化进程，同时，为空管业务系统改造创新的方法和思路拓展了空间，积累了经验。
自2010年起空管雷达多协议转换设备在国内民用航空中南地区空中交通管理局海南分局的泰雷兹雷达、民航东北地区空中交通管理局吉林分局的塞雷斯雷达，以及军航的雷神雷达都得到了应用，产生了显著的经济效益和社会效益。对于打破进口设备限制，为进口雷达设备的延寿，保护国家投资有重要的意义。项目不但解决了业务生产中的实际问题，为空管业务保障提供了坚实的基石，同时也满足了民航产业化格局的需求，在空管设备国产化进程上更进一步，并在设备研发过程中进行了卓有成效的产学研深度融合的技术创新模式探索。
图6：空管雷达多协议转换设备国产化研究与应用科技成果
图7：2020年获中国智能交通协会科技奖三等奖证书
