(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

21世纪航空系统的基石是空-地数据链路，采用什么数据链有多种选择，S模式是众多候选者中被证明非常有效的选择，目前所有国际民用航空飞机都装配有功能达到2级及以上的S模式应答机[1，2]。采用S模式的一个巨大好处是，其数据链路能够支持航空交通管理系统更大程度地自动化运作，数据链路的使用使得飞机能够更安全地在空中交通密集区域飞行[3]。与此同时，还使得飞机能够沿着更适合自己的技术能力、更经济的飞行路线飞行。地面和空中数据处理量的增加，使得更多的飞行数据以数字形式传送，采用数字数据链路的方式能更有效地实现这些数据的传输。S模式数据链路能保证高可靠性、有效性和完整性，本文主要介绍S模式询问机、地面数据链处理器、航迹处理器组建的数据链及其管理。对于S模式询问机与航迹处理器、地面数据链处理器(GDLP)通信来往报文多，对报文传输的实时性和准确性要求高，必须对这些传输报文设计合理的接口管理[4]。为了很好地完成通信管理，设计接口管理显得尤其重要。

2 系统工作原理及硬件设计

本系统主要完成将S模式询问机的点迹原始报文(方位信息、目标类型信息等)转换为标准报文格式，送航迹处理器和地面数据链处理器，并将来自地面数据链处理器和航迹处理器的标准报文进转换为原始报文信息送S模式询问机，同时将接口管理的自检状态信息(包括接口管理自身的硬件电路状态和电源状态)送S模式询问机进行实时显示。其工作原理为：本系统的大规模集成电路FPGA通过并行总线以双口RAM方式读取S模式询问机的应答处理器点迹报告数据，并通过ISA总线将点迹数据写给核心处理器PC104，控制单元提供的实时信号扇区号和正北脉冲以硬中断的方式直接通知PC104，PC014将接收到点迹数据以标准GPS时间信息打上时戳发送给航迹处理器；航迹处理器预估建立航迹后，接收来自地面数据链处理器的报文信息转换为原始报文信息，通过ISA总线写给大规模逻辑电路FPGA，FPGA通过并行总线以双口RAM将地面数据链处理器送来的信息送控制单元进行询问；接口管理的硬件电路包括大规模可编程逻辑器件FPGA、PC104嵌入式计算机、AVR单片机、GPS接收机、校时授时电路和外围接口芯片，其组成框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

2.1 数据交换模块

数据交换模块主要包括大规模集成电路FPGA与核心处理器PC104的数据交换以及接口模块与应答处理、控制模块的数据交换。FPGA与PC104的数据交换主要是通过ISA总线完成数据的读写，两者之间通过电平转换芯片IDT74FCCT16245T完成，在加电初始化时，必须保证PC104的数据线和地址线保持高阻态，其实现方法是将IDT74FCCT16245T的OE接上拉电阻由FPGA进行使能控制；通常ISA总线读写方式有存取器读/写、DMA读写方式和I/O读写方式，存取器读写一般用于快速读写大量数据，DMA方式在数据量较大的情况下，I/O读写是最常用的读写方式，在该系统中，采用的是I/O读写方式，其读写时序如图2所示。

图2 ISA总线16位数据读取时序图

接口管理与应答处理、控制模块的数据交换主要以并行总线，通过双口RAM完成数据交换，其中交换的数据信息包括S模式与普通模式(模式1、模式2、模式3、A、模式C)；主动方向被动方传数时，先将数据写入被动方的双口RAM中，同时以硬中断方式提醒对方,对方在确认片选信号未使用时，则完成数据的读写；被动方也以相同方式完成两者间的数据交换,其时序流程框图如图3所示。

图3 双口RAM读取时序图

2.2 电源监测模块

监测模块主要监测电源与模块内主要核心电路的故障情况，其中包括检测自身功能是否正常，并将自检结果通过并行总线送控制单元；同时能表征自身工作状态的监测点，并在监测到故障后点亮故障告警灯；该电路主要选用ATMEL公司的ATmega128型号单片机，该单片机有8路10位的A/D功能，可完成同时进行8路信号的采样；可以很好地设置A/D采样的参考电压采样来对最小信号进行限制；采样数据结果信息通过数据线直接送FPGA进行处理。

3 综合管理功能及说明

接口管理与S模式询问机物理接口为并行总线，传输为双口RAM的读写方式，传输时钟速率为40 MHz；与航迹处理器、地面数据链处理器(GDLP)的物理接口为10M/100M自适应网络接口，以UDP协议，其数据传输层的所有数据分为3个层次，顶层为高级数据链路控制规程(HDLC)帧，中层为雷达数据块报文，底层为各具体数据项，如图4所示。

(a)HDLC帧格式

(b)数据记录格式举例(多字节FSPEC)

3.1 数据项

网络接口传输的数据报文主要有单雷达目标报文CAT048、单雷达服务报文CAT034和S模式地面数据链报文CAT18 3种标准报文格式，CAT048主要用来传输目标应答解码数据及相关信息，既有A/C模式目标，又有S模式目标;CAT034主要用来传输天线扫描速度和过正北和过扇区等信息，点迹处理器接口单元每收到一次过正北或过扇区信号，对外传输1次CAT034报文; CAT18 用于在S模式地面询问机和地面数据链处理器(GDLP)之间传输数据链报文。航迹处理器传输S模式目标预估位置信息，航迹录取器根据航迹计算结果给S模式询问机的CAT049报文格式，预估位置提前90°传送给S模式询问机。

3.2 点迹管理

目标点迹主要来自S模式询问机的应答处理器，有全呼应答DF11、监视高度应答DF4、监视编号应答DF5、监视高度COMM-B应答DF20、监视编号COMM-B应答DF21、模式1、模式2、模式3/A、模式C以及模式1、模式2、模式3/A、模式C的交替询问应答结果数据；航迹处理器建立起航迹并送出目标预估点迹的方位和距离，接口管理将预估点迹建立数据库，点迹数据以每4 s完成400～600批目标点迹报告的生成，即天线4 s扫描一圈，一圈分为32个扇区，一个扇区为125 ms,接口管理在125 ms内完成整个数据库的点迹数据查找，并将查找到的点迹数据根据方位信息提前两个扇区将预估信息写给S模式询问机的参数数据建立临时数据库进行归类缓存，如果在过扇区的邻近两个扇区有合适方位的点迹数据将建立暂时存取数组，通过并行总线方式将查找到的所有预估点迹的参数信息写到双口RAM里，提醒S模式询问机进行数据读取；如果是过零扇区，对点迹通信任务的参数检查扇区参数是否超过95，如果是，将该组参数数据进行删除，完成对点迹通信任务进行过期更新管理，并将后面数据进行向前推移处理。

3.3 航迹管理

在全呼叫监听模式下的S模式应答，一旦捕获目标发生且航迹已经建成，航迹处理器发送航迹建立报文给S模式询问机( 当接收到航迹处理器送来的航迹建立时；如果航迹目标S模式地址在已经建立的航迹数据库里已经存在，接口管理需要对航迹的位置和方位信息进行更新，否则将建立新航迹写入航迹数据库中)，接口管理通知询问机S模式全呼叫询问闭锁的同时，通知GDLP该飞机已离开数据链覆盖区，并在波束范围内提醒询问机启动UF5代码监视询问；UF5代码监视询问成功，接口管理通知S模式询问机继续进行高度监视询问，航迹处理器对航迹进行保持航迹监视，直到航迹处理器通知航迹过期，接口管理通知S模式询问机取消监视，并通知地面数据链处理器航迹已离开覆盖区，同时接口管理将对该航迹的所有通信任务信息进行清除；通常在航迹保持时，询问机可以根据情况发起通信A、通信B和广播等询问，该系统讲述了发起通信B的流程，当有地面通信B的通信任务，接口管理将通信B的BDS码(具体说明指被访问的应答数据寄存器的编码，鉴别一个特别的地面发起的通信B(GICB)寄存器)写给询问机让询问机发起地面通信B询问，传输地面所要求的数据和提取应答机储存的信息，发起地面通信B成功，询问机还应向GDLP发送GICB提取数据回传报文GICB_response，以指明是否一个应答机的BDS寄存器中的数据提取被成功完成，地面发起航迹通信B的过程如图5所示,其中：

(1)地面发起通信B由GDLP启动，GDLP提供提取通信B的应答机S地址、寄存器号以及提取通信B编号；

(2)询问机可通过设置RR、S地址、DI、RRS并通过UF4/5/20/21提取通信B，在以UF20/21提取通信B时，同时应参照通信A流程进行；

(3)询问机应将提取的通信B信息与发起的通信B命令进行配对，并根据译码情况设置GICB状态(通信状态设置参见CAT18中I018/001)，并打上时戳；

(4)询问机将提取信息、状态信息、GICB、时戳等回传GDLP。

图5 地面发起通信B框图

3.4 与地面数据链通信任务管理

通信管理包括S模式询问机与GDLP之间的接口状态管理、数据广播服务管理、地面发起通信B(GICB)服务管理、空对地下行数据链流程管理、地对空上行数据链流程管理,管理内容如下所述。

(1)接口状态管理

待GDLP开机后，接口管理接收到GDLP发送连接请求报文，每隔1 s发送1次，直到收到接口管理回送的连接响应报文为止；在GDLP没有信息发送给询问机时，GDLP周期性(每秒1次)地发送Keep-alive报文给询问机以保持连接；如果GDLP需要取消通信连接时， GDLP发送Abort-req报文(Abort-req报文发送后立即就切断连接，无须等待对方响应)或Release-req报文(需等待对方回送Release-resp报文后，才能切断连接)给接口管理单元取消连接；如果GDLP发送Release-req报文4 s内都没有收到接口管理回传的Release-resp报文，就直接发送Abort-req，立即切断与接口管理的连接；接口管理将不再接收来自GDLP的所有数据并且将对所有GDLP的数据进行复位处理。

(2)数据广播服务管理

当有上行广播需要发送时，GDLP向接口管理发出Uplink-broadcast报文或取消某个上行广播Cancel-uplink-broadcast报文时，对于上行广播报文，如果有相同的广播号存在，接口管理进行拒绝；否则发送接收回复，并在相同S模式地址的广播号写给控制单元对该地址目标进行广播；对于取消某个上行广播服务时，如果广播号指定错误或当前没有可以取消的广播，接口管理将拒绝取消，否则接收广播号被正常取消，同时在提前两个扇区时通知控制单元对该直该地址的该广播号取消广播。

(3)地面发起通信B(GICB)服务管理

当有GICB需求时，GDLP向接口管理发出GICB-extraction报文，对于重复的请求，询问机应该拒绝它；否则接口管理将该目标地址的GICB号以及GICB信息进行存取，对于同一个目标，最多存取10个GICB号；否则以FIFO方式进行存取，同时在提前两个扇区时，将每组GICB信息的BDS码写给控制单元进行选址询问，并在成功提取到应答处理单元送来的BDS码时，还应向GDLP发送GICB提取数据回传报文GICB-response，以指明应答机的BDS寄存器中的数据提取被成功完成。当需要取消某个GICB服务时，如果GICB号指定错误或当前没有可以取消的GICB服务时，接口管理单元将拒绝取消；否则该GICB号被正常取消，同时将对保存的该GICB数据进行清除处理。

(4)空对地下行数据链流程管理

机载数据链处理器(ADLP)在接收到来自地面数据链处理器(GDLP)的S模式接收准备就绪(RR)包后，地面数据链处理器(GDLP)负责从接收到的S模式呼叫请求包里提取地面地址(AG)以及移动地址(AM)字段，并将其重新格式化为相应的ISO 8208呼叫请求包。它将地面地址(AG)以及移动地址(AM)插入ISO 8208呼叫请求包的地址扩展设备字段，而ISO 8208呼叫请求包是传向地面S模式询问机的接口管理；询问机收到来自飞机的下行数据，用Downlink-packet报文发送每个下行包给GDLP。

(5)地对空上行数据链流程管理

当有上行数据需要对某个飞机发送时，GDLP向询问机的接口管理发出Uplink-packet报文，接口管理单元在该S模式地址的提前两个扇区将上行数据链包送控制单元，控制单元控制询问机进行上行链路询问，机载数据链处理器(ADLP)将开始使用上行链路流量控制窗口缓冲器；当需要取消某个上行数据链时，在进行取消上行数据链服务时，如果D-Packet-number号指定错误或当前没有可以取消的上行数据链服务，接口管理将会进行拒绝，否则将回送一个确认报文Uplink-packet-ack。

4 软件设计

系统软件设计选用VxWorks操作系统，开发工具选用配套的Tornado II工具，编程语言为C语言。

4.1 软件系统初始化

对系统初始化，主要包括对核心处理器PC104的中断、双网卡以及串口等的配置初始化；核心处理器PC104中断配置由于其本身可直接供二次开发所用的中断只有IRQ11，但是在系统中需要使用的中断数量多于一个，系统中可通过更改核心处理器的BIOS释放某些中断，在本系统中释放出了IRQ3、IRQ5和IRQ6共3个中断(其中：中断IRQ3为串口2对应中断，中断IRQ5为LPT2对应中断，IRQ6为软盘对应中断)。

双网卡配置初始化主要完成在系统中两个网卡的收发初始化配置，在过去核心处理器PC104的使用都是将其中一个网卡作为备份，在该系统中需要两个网卡同时使用，经过相关研究，如果两个网卡同时使用必须保证两个网卡的IP地址为不同的地址段，且两个网卡物理地址也不一样，在双网卡配置中需要对有些内容进行修改。

串口初始化主要通过对核心处理器PC104中使用的多串口芯片ST16C554进行寄存器配置，主要通过I/O层读写操作来完成功能的配置。

4.2 软件功能流程

从物理界限上划分，软件可分为软件初始化、网络1数据处理、网络2数据处理和外部数据处理4部分；从功能上划分，又可分为GPS数据处理模块、普通模式(模式1、模式2、模式3/A、模式C以及交替模式)数据读取处理模块、S模式数据读取处理模块、航迹处理模块、GDLP数据处理模块、过正北数据复位处理模块、过扇区数据处理模块等。软件组成框图见图6。

图6 软件组成框图

5 结束语

本文针对S模式询问机与航迹处理器和地面数据链处理器的通信需求，设计了S模式询问机接口管理，主要完成跟询问机及通信系统的通信及交互功能，通信过程复杂，处理参数多且烦琐，实时处理能力强，4 s完成400～600批目标点迹报告的生成和数据打包；软件采用模块化设计，具有很强的适应性和灵活性。该模块已经在S模式询问机上得到了很好的验证，且可靠性高、可扩展性强，由于该S模式询问机在国内属于首次研制，应用前景非常好。

参考文献：

[1] ICAO 8900-2000,Annex 10 to the Convention on International Cival Aviation (VolumeⅣ)[S].

[2] ICAO 9684-2006,Manual on the Secondary Surveillance Radar(SSR) Systems[S].

[3] Stevens C Michael.Secondary Surveillance Radar[M].New York:Artech House,1988.

[4] 黎廷璋.空中交通管制机载应答机[M].北京：国防工业出版社，1992.

LI Ting-zhang, Aircraft Transponder for Air Tranffic Control[M].Beijing: National Defensce Industry Press,1992.(in Chinese)