赵凤娟
中国民用航空西南地区空中交通管理局贵州分局，贵州 贵阳 550002
摘要：记录仪系统作为空管重要的设备之一，在故障和事故调查以及日常监督检查中发挥了重要的作用。目前贵阳现场的四套记录仪系统自投运以来运行均比较稳定，但今年发生了一起川大智胜新128CH MDSL系列数字同步记录仪GPS校时异常的案例，为找到解决办法，排查故障，从川大智胜MDSL多通道记录仪系统的结构及GPS工作原理出发，通过软件升级和更换GPS外部输入源后恢复。结合目前各类设备的时钟系统设计，探讨和分析正在进行的三期空管建设中拟采用的时钟系统设计方案，阐述其校时机制及其优点。
关键词：MDSL系列数字多通道记录仪；GPS；时钟系统；校时机制
民航空管系统的录音具有信号种类多、录音数量大等特点，因此专用的记录仪系统是空管设备中不可或缺的一部分，记录仪可以记录管制员的指令和雷达信号，在民航不安全事件调查过程中，通过对事件的雷达和甚高频语音进行回放的手段[1]，掌握管制员指挥时的动态界面以及语音记录，从而对事件进行进一步的分析和判断。在回放过程中，时间的统一和准确对事件的分析和判断有着重要的意义。从业务影响角度讲，如果时间不统一，就无法推断出业务具体发生时间；从安全影响角度讲，所有设备的日志必须反映准确的时间，若时间不统一，对事件的调查会造成很大的干扰和影响。因此，记录仪的GPS时钟的稳定和准确是非常必要的。
现代社会，随着计算机网络的迅猛发展，为了保持计算机的时间同步和时间准确，并且能满足高精度、低成本；安全可靠；覆盖范围广等要求，采用GPS同步时钟服务器是必要和普遍的。目前笔者所在现场使用的多通道记录仪均采用了GPS同步时钟服务器，它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过不同接口来传输给记录仪中需要时间信息的设备，这样可以达到整个系统时间同步。但近期，现场的一套川大智胜新128CH MDSL系列数字同步记录仪出现了GPS校时异常情况，现场技术人员通过对此异常进行应急处置和故障分析排查，总结排故经验，并结合目前三期空管建设项目中拟采用的设备授时系统设计，分析其逻辑结构和校时机制，阐述其优点。
1 新128CH MDSL系列数字同步记录仪的结构及工作原理
MDSL记录仪主要由服务器单元、显示器、控制键盘/鼠标、记录单元及输入输出接口箱、GPS时钟单元等组成[2]。系统结构如图1所示。其中，记录单元包括语音和雷达数据记录单元，是记录仪重要的部分，记录单元主要是利用硬盘对话音和雷达数据进行记录。每个记录单元完全独立，将多路话音源（甚高频电台、电话等）分别经具有隔离、匹配功能的话音接口进入PCM采样，经过滤波、PCM编码后形成数字话音信号，经编码压缩后，与加密、混合的雷达数据和时钟信号一起经缓冲存贮其和存贮驱动器存入磁盘阵列，记录的数据同步回放由系统再生实现。GPS时钟单元包括GPS智能天线、GPS信息解码机、时钟显示面板以及GPS时间分发部件。GPS时钟系统通过GPS或其他卫星导航系统的信号驯服晶振，进而实现高精度的频率和时间信号输出，能提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务，授时性能优异；具有高精度、低成本；安全
可靠；覆盖范围广等特点，GPS解码接收机接收GPS智能天线发送出的数据流，经解码处理后，GPS时钟主机接收到GPS接收机输出的数据，通过多串口接口卡向系统内话音记录单元、雷达记录单元分发GPS时钟数据，同时传送到时钟显示面板显示和时钟显示单元，使系统内记录单元的时钟与GPS时钟同步。 图1 128CH MDSL系列数字同步记录仪的结构
2 案例分析
2.1故障现象1
（1）川大智胜新128CH MDSL系列数字同步记录仪的监控软件界面出现“GPS校时错/GPS校时超时”告警，同时发现，GPS时钟面板上显示的时间与真正的GPS时钟相差3秒。
（2）记录仪系统的记录单元时间较GPS时间差3秒。
（3）技术人员通过串口调试工具对告警信息的数据进行解析，显示数据正常，但是Timeagent软件不能正常解析数据，显示“error :3,10,07,03,00,23,03,20$PKODG,7,1,0,100”的错误信息。
2.2分析与排查
技术人员通过查阅设备时间列表记录，发现用串口调试工具解析出的信息如图2所示。
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图2 串口调试工具解析出的信息
图2中串口输出的内容中包含了GPS模块发来的$GPGGA等部分原始数据信息，不同数据代表不同的含义，具体如下表所示：
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以一段$GPGGA开头的信息为例进行解读，即$GPGGA,033316,2632.558,N,10647.729,E,1,05,002,01156,M,-033，M,,*44可解读为：
GPS定位数据，UTC时间033316，北纬26.32.558，东经106.47.729，定位有效，使用了5颗卫星定位，水平精确度为2，天线离海平面的高度1156米，大地水准面高度为33米，总的校验数44。
通过对不同模块的原始数据信息进行解读，可以看出接收串口信息显示的数据正常。Timeagent软件是记录仪先解析外部接收的GPS时钟数据，正常情况下，在每分钟的第三十秒进行校时（修改时钟服务器的本机时间），此软件将正确的时间串口发给记录单元进行校时。但是出现的问题是Timeagent软件对此数据不能正常解析，由于解析错误，因此出现“error :3,10,07,03,00,23,03,20 $PKODG,7,1,0,100”错误信息提示。
由于记录仪GPS接收机通过天线接收GPS信号后进入GPS处理机，GPS时钟主机将GPS时钟信号通过串口传送给记录仪的监控单元和记录单元等各个设备，各个设备根据传来的时间修改本机时间，完成校时。因此，从故障现象来看，技术人员初步判断为GPS接收机故障导致不能正常接收GPS时钟信号，为进一步对故障进行定位，技术人员联系厂家工程师，将故障现象和信息进行反馈，厂家判断可能为天线或者接收机故障，于是寄来新的GPS天线和接收机。我方技术人员对GPS接收机进行更换后，发现仍然出现error告警信息错误的提示。为保障记录仪系统的时间的准确与统一，不对运行造成影响，一方面技术部制定了应急处置程序，由值班人员每天定时对GPS进行人工校时，通过更改监控单元的本地时间，保证监控单元与GPS时间一致，使其他记录单元和回放单元与监控单元进行校时统一。另一方面积极查找问题的解决办法，通过用串口调试工具解析以及更换GPS接收机后，但却一直显示error信息，因此，技术人员考虑为Timeagent软件可能存在有异常，于是联系厂家对相应的程序进行升级。
此时，技术人员做了个测试，之前出现error告警异常，很大程度上只是Timeagent软件的问题，和GPS接收机没有必然的联系，因此将原GPS接收机重新安装上进行观察，这时监控终端上不再报error错误信息，却又出现了“GPS NO OK”信息提示。于是，更换新的GPS接收机与GPS天线后，校时系统的时间显示正常。
2.3故障现象2
在升级软件并更换新的GPS接收机和GPS天线等一系列处置正常运行两天后，新128CH MDSL系列数字同步记录仪再次出现告警。此次告警现象为：主用莱斯自动化系统的VRF监控上出现告警。检查发现，新128CH记录仪同步时钟和本机时钟的时间较GPS时钟快5秒，技术人员手动对本机时间进行调整后，时钟分发器会自动跳转到异常的时间，不能进行准确校时。
2.4 排查与解决
为彻底解决此问题，技术人员想到通过更换GPS外部输入源，由于此记录仪为川大智胜厂家生产的，而我局原来使用过的自动化系统为川大自动化系统，虽川大自动化系统已退出运行，但为适应运行需求，川大自动化系统的GPS天线及GPS时钟单元未拆除，目前还作为部分系统的GPS信号源的输入，因此，技术人员从川大自动化系统时钟同步系统分发主机分线箱布置一根网线连接至新128CH记录仪的GPS处理机，具体信号接入流程如图3，通过更换记录仪的GPS外部输入源后，此问题得到解决。
图4 更换GPS外部输入源后的记录仪结构
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3 新建设备的时钟系统设计
目前分局各系统的GPS时钟系统分别布置不同的GPS天线，通过设备的接口单元将各自的GPS时钟接入系统，进行同步和校时。
而现在很多GPS时钟系统均采用通过NTP协议（Network Time Protocol，网络时间协议）进行同步。NTP协议是由RPC 1305定义的时间同步协议，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。使用NTP能对网络内所有具有时钟的设备进行时钟同步，使网络内所有设备的时钟保持一致，从而使设备能够提供基于同一时间的多种应用。使用中心母钟及NTP时间服务器的系统结构比较复杂，往往具有多个相互隔离的网络子系统，这些网络子系统要保证相互隔离，又要具有统一的时间。
在三期空管项目建设中，通过充分考虑和对比，拟采用的是具有多路NTP接口，并相互隔离的授时设备[3]。多路NTP接口的中心母钟以及NTP时间服务器均采用多CPU架构，即每个NTP以太网接口都对应着唯一的一个CPU，具体逻辑框图如5所示。多路NTP接口之间除了共享时间码以外，没有其他任何的数据交换。隔离的方式拟采用交换机加网络隔离（VLAN等网络手段）使多个子系统共享同一个NTP以太网接口。中心母钟单独一个箱体可插入1-5张NTP板卡，每张NTP板卡带有2个独立的NTP以太网接口。当一个单体中心母钟提供的NTP以太网接口数量不能满足需求时可以采用扩展箱的方式进行扩展。多个扩展箱采用统一时间源（中心母钟提供），接收北斗时间信号。当由于天气或其他原因无法接收到北斗的时间信号时，多个扩展箱均采用中心母钟的守时时间，以确保时间统一。
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图4 具有多路NTP接口的授时设备逻辑框图
从图4可以看出，时间源卡把时间码经过单向的时间码总线发送给各个CPU，每个CPU独立处理以太网、NTP相关的协议。每个NTP以太网均有自己的IP地址和MAC地址。通过此方式，能有效的规避解决局域网和互联网的信息安全问题和同一信息系统中数台设备时间不统一不准确的问题，提升了网络系统的安全性和可靠性以及设备的管理和维护效能。
4 结语
通过对川大智胜新128CH MDSL系列数字同步记录仪出现的GPS校时的不同异常情况进行分析，最终找到解决办法，处理了故障，避免因设备异常导致的回放对应信息不准确的问题。随着三期空管项目的建设，越来越多的新设备将投入使用，寻找新的时钟系统设计，提升设备管理效能的同时保证网络系统的安全和可靠至关重要，分析使用NTP协议进行同步的优点，拟采用具有多路NTP接口，并相互隔离的授时设备，达到有效的规避解决局域网和互联网的信息安全问题和提升效能的目的。
参考文献：
[1]韩玉.自动化系统声像同步回放的方法[J].电子技术与软件工程,2018,15:102
[2]多通道数字同步记录仪技术手册.2010，31
[3]NTP接口之间隔离措施及扩展接口的说明