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摘 要：为满足INDRA雷达S模式数据引接要求，提高雷达数据转发设备的处理能力，降低雷达传输设备及数据传输方式对雷达系统和空管自动化系统的潜在影响，确保自动化系统的安全、可靠、稳定运行和雷达数据的分析连续、实时传输。通过对在用雷达数据转发设备（BLACKBOX）的数据吞吐量的分析，阐述了该设备在传输S模式数据时丢包的原因。提出了数据转换设备升级的指标要求，通过理论分析及现场测试，将国产化雷达通讯设备进行程序修改和硬件升级，使之成为数据转换设备，以满足S模式雷达数据的传输的时钟同步和传输流量要求，具有较好的实际应用价值和借鉴意义。
关键词：S模式;雷达数据转发;时钟同步;传输流量
一、引言
自动化系统作为空管指挥重要依据，对航管雷达数据传输的实时性要求很高，通常采用V.24、V.35、E1时隙等专线传输方式。而航管雷达系统内部设备则采用局域网协议互联，因此在航管雷达内部局域网与雷达数据传输专线之间都配有数据协议转换设备，实现以太网到通信专线网络协议转换功能和各种专线传输线路的接口适配功能。该数据协议转换设备实现数据协议转换和接口适配功能的同时还可以起到航管雷达内部局域网与外部系统隔离作用，相当于航管雷达系统局域网与外网的网关。本文通过详细分析INDRA雷达的数据转换设备，全面阐述INDRA雷达s模式数据引接中面临的问题，探讨解决方案。通过理论分析及现场测试，将国产化雷达通讯设备进行程序修改和硬件升级，使之成为数据转换设备，以满足s模式雷达数据的传输的时钟同步和传输流量要求，具有较好的实际应用价值和借鉴意义。
二、数据转换设备的功能和原理
（一）数据转换设备的基本功能
1.數据转换设备简介
航管雷达数据转换设备是雷达系统与航管自动化系统的连接设备，可实现雷达系统内网外网的网关功能;同时也实现航管自动化系统的数据接入功能。拓扑如图1。设备逻辑组成架构如图2。
从图中可见，数据转换设备在雷达系统中不是核心设备，但地位很重要，该设备一旦出问题，雷达数据将无法送出，雷达系统作用消失，所以其为雷达系统的可靠性瓶颈，同时也是雷达数据输出流量瓶颈。例如，目前INDRA雷达系统在用的数据转换设备（BLACKBOX）端口的最高波特率为19.2kbps，已无法满足s模式数据的输出流量。
2.数据转换设备的功能
数据转换设备用于INDRA雷达系统到自动化系统的数据引接，主要具有以下功能：
（1）实现各种传输层以下的数据通信协议转换，比如，将IP协议数据转换成HDLC同步数据、异步数据;将IP协议数据转换成E1数据;将串口的同步、异步数据、E1数据转换成IP数据;
（2）实现各种物理通信接口适配功能;
（3）实现各种雷达数据格式转换，将专属的雷达数据转换成欧标数据等;
（4）实现雷达数据分发，将一路数据分路成多路数据输出。
（二）数据转换设备的基本工作原理
1.设备组成
数据转换设备配置以下接口：
网络接口：通常情况为2个，用于实现双网热备功能。
串口：一般为4个或8个，可以独立设置为232或422电气接口，可以独立设置每个串口的时钟模式。如：内时钟或外时钟;接口模式：如DTE或DCE模式;接口速率：如9600或64000等;可以独立设置每个串口的链路层协议，如：HDLC协议或异步协议等。
2.数据转换设计
（1）IP数据转换成HDLC同步数据
IP数据帧结构图如图4所示。转换设备与雷达处理系统采用UDP协议通信。
从IP数据中获取的路由信息，包括目的地址、源地址、目的端口号、源端口号等。根据这些信息查链路配置表，选择输出端口，将数据封装成HDLC帧，输出。HDLC数据帧封装。ISO/IEC 3309标准规定的HDLC的基本帧结构。
（2）HDLC数据转换成IP数据
通过串口接收HDLC格式的雷达数据，计算x16+x12+x5+1的CRC多项式，校验结果“FOB8'’判为正确帧。根据链路表，获取该端口对应的IP源端口和目的端口号，源IP地址和目的IP地址，将数据组成UDP帧，通过RJ45网络端口发送。
（3）IP数据转换成异步串口数据
从接收到的IP数据中获取路由信息和有效数据信息，查找链路表，获取数据输出的串口号。将数据封装成异步数据。
（4）将异步串口数据转换成IP数据
将接收到的异步数据字节祛除起始位、校验位和停止位，取出数据。根据链路表，将异步数据组成IP数据帧，送网络接口。
三、网络通信与专线通信
（一）专线通信
目前航管雷达专线传输方式为RS232/422串口传输和E1时隙传输。
1.RS232串口定义及特点
RS-232C采用25脚D型连接器（含插头/插座）作为DTE与DCE之间通信电缆的连接口如表1，但在实际进行异步通信时，只需9个信号即够用，因此也可以采用9脚D型连接器。
串口数据传输在当前航管雷达传输领域应用最为广泛，该传输方式优点是简单、稳定可靠、通用性强，成熟，便于维修。缺点是：理论上RS232端口的传输速率不能高于128K，连接头的尺寸较大，占用空间大，串口的传输距离有限，不超过15米，如果远传需要增加串口转E1等设备，如VANGARD等。另外，采用同步串行通信方式，要求对时钟引脚定义非常清楚，否则容易导致传输误包。
根据不同的电气标准、封装模式，串口线缆的连接都是不一样的，需要根据具体工作场景来连接，并且保证物理连接和界面配置的参数能够吻合，否则将无法正常工作。 2.以太网口定义
以太网是当前应用最广泛的网络传输技术。常见的接口有：
10M：10base-T（铜线UTP模式）。
100M：100base-TX伟同线UTP模式）;100base-FX（光纤线）。
1000M：1000base-T（铜线UTP模式）;1000base-LX（单模光纤线）。
目前雷达系统内部通信采用以太网方式。
（二）专线传输与网络传输方式比较
网络传输协议的最大特点是底层无保障传输。如果将数据传输与交通类比，就较容易理解网络通信与专线通信的特点。专线通信是指数据独享通信线路，相当于城市的轨道交通（地铁、轻轨等）。网络通信是指多路数据共享通信线路，相当于城市的普通道路交通。因此，对于实时性要求很高的航管雷达数据传输，通常建议采用专线传输方式，每路数据独享通信线路，而网络通信不适用。网络信道由于使用非常广泛，因此建设成本低，在雷达系统内部各个设备之间采用网络通信方式，是因为系统内部设备数量少，风险完全在可控范围。
四、INDRA雷达S模式数据引接中的问题
INDRA雷达数据引接是指将INDRA雷达输出的串口数据通过专用通信网络送至各雷达用户系统，如：自动化系统。使用过程中常见问题集中在以下两方面：
（一）当前在用的数据转换设备由于购置安装时间较早，支持的输出数据速率较低仅能满足A/C模式雷达数据传输，无法满足s模式雷达数据输出要求，因此，当将雷达设置为s模式输出时，存在大量错包及丢包现象，雷达数据自动化系统无法使用。
（二）航管雷达数据具有很高的实时性，多采用同步数据传输方式，同步数据传输对时钟要求很高。雷达需要采用自身的时钟产生数据，进而输出数据。由于远传的通信骨干网一般使用自身的时钟接收数据，所以，尽管接口环节采用交叉或者直连线缆将时钟物理隔离，但实际上转换设备的输入与输出还是采用自己的时钟，这种情况将导致周期性错包。
五、解决方案及实际应用
经上文分析，我们对恩瑞特二次雷达配套的通信服务器（以下简称通信服务器）进行深入研究用以替代BLACKBOX，以解决INDRA雷达s模式数据引接问题。
通信服务器的8个串口为独立功能口，利用通信服务器的分路功能，将其8个串口分成两组，如图9所示，上、下4个口各为一组。每组最左边的第一个口作为输入，其余3个口作为输出。由于通信服务器的每个串口最高可以支持128Kbps的数据传输，所以完全满足s模式38.kbps的数据流量要求，而且还有很大余量。
我们通过修改和升级该通信服务器中DSP嵌入式软件，将其通信协议修改成与INDRA雷达通信协议相匹配的协议。另外，由于通信服务器的每个串口都可以独立配置成DTE或者DCE，独立配置成内时钟或者外时钟，所以，无论与雷达端还是通信网端相连，都采用标准的V.24直连线缆即可，因此一致性很好，减少数据引接现场的工作量，避免由于人为焊线带来的数据传输的可靠性风险。
通过修改DSP嵌入式软件中的通信协议，为验证效果，我們在贵阳磊庄雷达站、铜仁雷达站对通信服务器进行s模式雷达数据引接使用，目前使用效果良好，设备运行稳定。该方法对民航空管s模式雷达数据引接具有较好的实际应用价值和借鉴意义。
关键词：S模式;雷达数据转发;时钟同步;传输流量
一、引言
自动化系统作为空管指挥重要依据，对航管雷达数据传输的实时性要求很高，通常采用V.24、V.35、E1时隙等专线传输方式。而航管雷达系统内部设备则采用局域网协议互联，因此在航管雷达内部局域网与雷达数据传输专线之间都配有数据协议转换设备，实现以太网到通信专线网络协议转换功能和各种专线传输线路的接口适配功能。该数据协议转换设备实现数据协议转换和接口适配功能的同时还可以起到航管雷达内部局域网与外部系统隔离作用，相当于航管雷达系统局域网与外网的网关。本文通过详细分析INDRA雷达的数据转换设备，全面阐述INDRA雷达s模式数据引接中面临的问题，探讨解决方案。通过理论分析及现场测试，将国产化雷达通讯设备进行程序修改和硬件升级，使之成为数据转换设备，以满足s模式雷达数据的传输的时钟同步和传输流量要求，具有较好的实际应用价值和借鉴意义。
二、数据转换设备的功能和原理
（一）数据转换设备的基本功能
1.數据转换设备简介
航管雷达数据转换设备是雷达系统与航管自动化系统的连接设备，可实现雷达系统内网外网的网关功能;同时也实现航管自动化系统的数据接入功能。拓扑如图1。设备逻辑组成架构如图2。
从图中可见，数据转换设备在雷达系统中不是核心设备，但地位很重要，该设备一旦出问题，雷达数据将无法送出，雷达系统作用消失，所以其为雷达系统的可靠性瓶颈，同时也是雷达数据输出流量瓶颈。例如，目前INDRA雷达系统在用的数据转换设备（BLACKBOX）端口的最高波特率为19.2kbps，已无法满足s模式数据的输出流量。
2.数据转换设备的功能
数据转换设备用于INDRA雷达系统到自动化系统的数据引接，主要具有以下功能：
（1）实现各种传输层以下的数据通信协议转换，比如，将IP协议数据转换成HDLC同步数据、异步数据;将IP协议数据转换成E1数据;将串口的同步、异步数据、E1数据转换成IP数据;
（2）实现各种物理通信接口适配功能;
（3）实现各种雷达数据格式转换，将专属的雷达数据转换成欧标数据等;
（4）实现雷达数据分发，将一路数据分路成多路数据输出。
（二）数据转换设备的基本工作原理
1.设备组成
数据转换设备配置以下接口：
网络接口：通常情况为2个，用于实现双网热备功能。
串口：一般为4个或8个，可以独立设置为232或422电气接口，可以独立设置每个串口的时钟模式。如：内时钟或外时钟;接口模式：如DTE或DCE模式;接口速率：如9600或64000等;可以独立设置每个串口的链路层协议，如：HDLC协议或异步协议等。
2.数据转换设计
（1）IP数据转换成HDLC同步数据
IP数据帧结构图如图4所示。转换设备与雷达处理系统采用UDP协议通信。
从IP数据中获取的路由信息，包括目的地址、源地址、目的端口号、源端口号等。根据这些信息查链路配置表，选择输出端口，将数据封装成HDLC帧，输出。HDLC数据帧封装。ISO/IEC 3309标准规定的HDLC的基本帧结构。
（2）HDLC数据转换成IP数据
通过串口接收HDLC格式的雷达数据，计算x16+x12+x5+1的CRC多项式，校验结果“FOB8'’判为正确帧。根据链路表，获取该端口对应的IP源端口和目的端口号，源IP地址和目的IP地址，将数据组成UDP帧，通过RJ45网络端口发送。
（3）IP数据转换成异步串口数据
从接收到的IP数据中获取路由信息和有效数据信息，查找链路表，获取数据输出的串口号。将数据封装成异步数据。
（4）将异步串口数据转换成IP数据
将接收到的异步数据字节祛除起始位、校验位和停止位，取出数据。根据链路表，将异步数据组成IP数据帧，送网络接口。
三、网络通信与专线通信
（一）专线通信
目前航管雷达专线传输方式为RS232/422串口传输和E1时隙传输。
1.RS232串口定义及特点
RS-232C采用25脚D型连接器（含插头/插座）作为DTE与DCE之间通信电缆的连接口如表1，但在实际进行异步通信时，只需9个信号即够用，因此也可以采用9脚D型连接器。
串口数据传输在当前航管雷达传输领域应用最为广泛，该传输方式优点是简单、稳定可靠、通用性强，成熟，便于维修。缺点是：理论上RS232端口的传输速率不能高于128K，连接头的尺寸较大，占用空间大，串口的传输距离有限，不超过15米，如果远传需要增加串口转E1等设备，如VANGARD等。另外，采用同步串行通信方式，要求对时钟引脚定义非常清楚，否则容易导致传输误包。
根据不同的电气标准、封装模式，串口线缆的连接都是不一样的，需要根据具体工作场景来连接，并且保证物理连接和界面配置的参数能够吻合，否则将无法正常工作。 2.以太网口定义
以太网是当前应用最广泛的网络传输技术。常见的接口有：
10M：10base-T（铜线UTP模式）。
100M：100base-TX伟同线UTP模式）;100base-FX（光纤线）。
1000M：1000base-T（铜线UTP模式）;1000base-LX（单模光纤线）。
目前雷达系统内部通信采用以太网方式。
（二）专线传输与网络传输方式比较
网络传输协议的最大特点是底层无保障传输。如果将数据传输与交通类比，就较容易理解网络通信与专线通信的特点。专线通信是指数据独享通信线路，相当于城市的轨道交通（地铁、轻轨等）。网络通信是指多路数据共享通信线路，相当于城市的普通道路交通。因此，对于实时性要求很高的航管雷达数据传输，通常建议采用专线传输方式，每路数据独享通信线路，而网络通信不适用。网络信道由于使用非常广泛，因此建设成本低，在雷达系统内部各个设备之间采用网络通信方式，是因为系统内部设备数量少，风险完全在可控范围。
四、INDRA雷达S模式数据引接中的问题
INDRA雷达数据引接是指将INDRA雷达输出的串口数据通过专用通信网络送至各雷达用户系统，如：自动化系统。使用过程中常见问题集中在以下两方面：
（一）当前在用的数据转换设备由于购置安装时间较早，支持的输出数据速率较低仅能满足A/C模式雷达数据传输，无法满足s模式雷达数据输出要求，因此，当将雷达设置为s模式输出时，存在大量错包及丢包现象，雷达数据自动化系统无法使用。
（二）航管雷达数据具有很高的实时性，多采用同步数据传输方式，同步数据传输对时钟要求很高。雷达需要采用自身的时钟产生数据，进而输出数据。由于远传的通信骨干网一般使用自身的时钟接收数据，所以，尽管接口环节采用交叉或者直连线缆将时钟物理隔离，但实际上转换设备的输入与输出还是采用自己的时钟，这种情况将导致周期性错包。
五、解决方案及实际应用
经上文分析，我们对恩瑞特二次雷达配套的通信服务器（以下简称通信服务器）进行深入研究用以替代BLACKBOX，以解决INDRA雷达s模式数据引接问题。
通信服务器的8个串口为独立功能口，利用通信服务器的分路功能，将其8个串口分成两组，如图9所示，上、下4个口各为一组。每组最左边的第一个口作为输入，其余3个口作为输出。由于通信服务器的每个串口最高可以支持128Kbps的数据传输，所以完全满足s模式38.kbps的数据流量要求，而且还有很大余量。
我们通过修改和升级该通信服务器中DSP嵌入式软件，将其通信协议修改成与INDRA雷达通信协议相匹配的协议。另外，由于通信服务器的每个串口都可以独立配置成DTE或者DCE，独立配置成内时钟或者外时钟，所以，无论与雷达端还是通信网端相连，都采用标准的V.24直连线缆即可，因此一致性很好，减少数据引接现场的工作量，避免由于人为焊线带来的数据传输的可靠性风险。
通过修改DSP嵌入式软件中的通信协议，为验证效果，我們在贵阳磊庄雷达站、铜仁雷达站对通信服务器进行s模式雷达数据引接使用，目前使用效果良好，设备运行稳定。该方法对民航空管s模式雷达数据引接具有较好的实际应用价值和借鉴意义。