衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾故障樹判定方法

丁 陽，竇長江

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京，100094

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衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾故障樹判定方法

丁 陽，竇長江

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京，100094

本文針對衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)GEO衛(wèi)星下行頻譜干擾現(xiàn)象，提出首先根據(jù)干擾來源建立故障樹，然后針對不同干擾來源制定專項(xiàng)干擾判定方案，最后按照先地面后空間的遍歷方式，逐一進(jìn)行干擾排查的故障樹干擾判定方法。該方法已多次成功應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象的故障判定工作，為排除衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象、實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)精穩(wěn)運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

衛(wèi)星導(dǎo)航；RDSS；故障樹；干擾源；頻譜傾斜

1 引 言

根據(jù)國際無線電規(guī)則，衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)是指涉及利用一個(gè)或多個(gè)空間電臺(tái)進(jìn)行無線電測定的無線電通信業(yè)務(wù)，也可包括其操作所需饋線鏈路。典型的衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)通常采用雙星定位技術(shù)體制，即通過兩顆GEO衛(wèi)星配合數(shù)字高程庫，采用三球交匯測量定位原理，向用戶提供快速定位、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)前全球唯一提供RDSS業(yè)務(wù)的實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)。

由于RDSS業(yè)務(wù)技術(shù)體制必須通過GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)主控站與用戶間雙向應(yīng)答，GEO衛(wèi)星作為空間透明轉(zhuǎn)發(fā)器，易受上行鏈路、空間環(huán)境以及下行鏈路中多種干擾因素的影響，出現(xiàn)衛(wèi)星下行頻譜干擾現(xiàn)象，同時(shí)干擾來源復(fù)雜難以準(zhǔn)確判定，從而嚴(yán)重影響了RDSS業(yè)務(wù)正常運(yùn)行及其服務(wù)。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)GEO衛(wèi)星下行頻譜干擾現(xiàn)象故障判定，不僅是干擾處置的前提條件，也是確保RDSS業(yè)務(wù)精穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

本文針對衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)GEO衛(wèi)星下行頻譜干擾現(xiàn)象，提出首先根據(jù)干擾來源建立故障樹，然后按照干擾判定對系統(tǒng)運(yùn)行的影響程度，針對不同故障事件制定相應(yīng)的干擾判定試驗(yàn)方案，最終按照先地面后空間遍歷方式，逐一進(jìn)行排查的故障樹干擾判定方法。該方法已多次用于衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象等復(fù)雜故障的判定工作，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)精穩(wěn)運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

2 干擾現(xiàn)象故障樹判定方法的基本原理

故障樹分析(FTA)是一種適用于產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和使用階段的安全性和可靠性分析工具。對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行管理，故障樹分析是進(jìn)行故障診斷的一種有效手段。本文提出的衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象故障樹判定方法，就是一種基于故障樹分析的干擾判定方法，即以導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行性能下降的衛(wèi)星頻譜干擾現(xiàn)象作為分析目標(biāo)(頂事件)，尋找引起該事件的直接原因(中間事件),以及下一層次直接原因(底事件)；同時(shí)，通過分析各種直接原因間的邏輯關(guān)系，建立衛(wèi)星頻譜干擾現(xiàn)象故障樹[1，2]。

通過對衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象的頂事件分析，中間事件可劃分為上行鏈路設(shè)備干擾、下行鏈路設(shè)備干擾和在軌衛(wèi)星設(shè)備干擾，如圖1所示。其中，中間事件定義及其底事件包括[3，4]：

(1)上行鏈路設(shè)備干擾。由衛(wèi)星導(dǎo)航地面運(yùn)控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異?；蛘咂渌l(wèi)星系統(tǒng)上行設(shè)備引起的干擾現(xiàn)象。底事件包括B1、B2、B3：B1是由于地面運(yùn)控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異常；B2是由于測控系統(tǒng)上行鏈路異常；B3是由于其他衛(wèi)星系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異常，以及通過導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后引起的下行頻譜干擾現(xiàn)象。

(2)下行鏈路設(shè)備干擾。由衛(wèi)星導(dǎo)航地面運(yùn)控系統(tǒng)下行鏈路設(shè)備異常或者其他衛(wèi)星系統(tǒng)下行鏈路設(shè)備(包括近空設(shè)備)引起的干擾現(xiàn)象。底事件包括B4、B5：B4是由于地面運(yùn)控下行設(shè)備異常；B5是由于其他衛(wèi)星系統(tǒng)干擾信號(hào)直接進(jìn)入地面運(yùn)控下行鏈路，從而引起下行頻譜干擾現(xiàn)象。

(3)在軌衛(wèi)星設(shè)備干擾。由導(dǎo)航衛(wèi)星在軌異?；蛘哙徯?星間鏈路)共軌引起的干擾現(xiàn)象。底事件包括B6、B7：B6是由于導(dǎo)航衛(wèi)星自身設(shè)備異常引起下行頻譜異?，F(xiàn)象；B7是由于相同軌位鄰星空間信號(hào)，通過導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)或鄰星下行信號(hào)直接進(jìn)入地面運(yùn)控下行鏈路，從而引起下行頻譜干擾現(xiàn)象。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象故障樹

以上衛(wèi)星頻譜干擾現(xiàn)象故障樹包括了7個(gè)底事件，各個(gè)故障相互獨(dú)立。其中，底事件狀態(tài)采用布爾型狀態(tài)參量xi(i=1,…,7)表示，頂事件狀態(tài)采用布爾型狀態(tài)參量φ表示，φ必然是底事件狀態(tài)參量xi的函數(shù)，則有[5]：

φ=φ(X)=φ(x1,…,xn)

由此可見，衛(wèi)星頻譜干擾現(xiàn)象是由或門結(jié)構(gòu)組成的故障樹，屬于單調(diào)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)?？紤]到或門結(jié)構(gòu)是單調(diào)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)不可靠性上限，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜易受到干擾。

3 干擾現(xiàn)象故障樹判定方法的試驗(yàn)方案

基于衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象的故障樹分析，本文提出依據(jù)干擾判定對于系統(tǒng)運(yùn)行影響最小的原則，對于干擾來源按照先地面后空間的遍歷方式，逐一排查故障樹判定方法；并且針對不同故障事件制定對應(yīng)干擾判定試驗(yàn)方案，包括相應(yīng)干擾判定的試驗(yàn)方法和判定依據(jù)，如圖2[6，7]所示。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象故障樹判定試驗(yàn)方案

(1)地面運(yùn)控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異常(B1)

試驗(yàn)方法：選擇下行頻譜干擾時(shí)段，查詢地面運(yùn)控系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)段上行注入規(guī)劃，必要時(shí)可由地面運(yùn)控系統(tǒng)逐一停止上行注入設(shè)備進(jìn)行干擾排查。

判定方法：如果地面運(yùn)控系統(tǒng)在干擾時(shí)段未規(guī)劃上行注入信號(hào)，則判定地面運(yùn)控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備正常；如果地面運(yùn)控系統(tǒng)在干擾時(shí)段規(guī)劃上行注入信號(hào)，地面運(yùn)控系統(tǒng)則逐一停止上行注入設(shè)備進(jìn)行排查。若下行頻譜干擾現(xiàn)象仍然出現(xiàn)，可以判定地面運(yùn)控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備正常；若單臺(tái)上行注入設(shè)備關(guān)閉后下行頻譜干擾現(xiàn)象未出現(xiàn)，則可以判定地面運(yùn)控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異常。

(2)測控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異常排查(B2)

試驗(yàn)方法：選擇下行頻譜干擾時(shí)段，查詢測控系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)段是否發(fā)射相鄰頻段的上行測控信號(hào)，必要時(shí)可協(xié)調(diào)測控系統(tǒng)逐一停止測控系統(tǒng)上行信號(hào)進(jìn)行排查。

判定方法：如果測控系統(tǒng)干擾時(shí)段未發(fā)射相鄰頻段的上行信號(hào)，則判定測控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備正常；如果測控系統(tǒng)在干擾時(shí)段發(fā)射相鄰頻段上行信號(hào)，則需要協(xié)調(diào)測控系統(tǒng)逐一停止相鄰頻段上行信號(hào)排查；若下行頻譜仍出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，則判定測控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備正常，否則判定測控系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異常。

(3)其他衛(wèi)星系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備異常排查(B3)

試驗(yàn)方法：①選擇下行頻譜干擾時(shí)段，通過合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行地面設(shè)備干擾定位；②選擇下行頻譜干擾時(shí)段，通過鄰星頻譜監(jiān)測進(jìn)行地面設(shè)備干擾排查。

判定方法1：如果通過合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星系統(tǒng)可以定位其他衛(wèi)星系統(tǒng)地面設(shè)備干擾源，則判定其他衛(wèi)星系統(tǒng)地面設(shè)備干擾，否則可以判定其他衛(wèi)星系統(tǒng)地面設(shè)備無異常。

判定方法2：如果相同軌位鄰星同樣出現(xiàn)了下行頻譜干擾現(xiàn)象，則可以判定存在其他衛(wèi)星系統(tǒng)地面設(shè)備干擾；如果相同軌位鄰星未出現(xiàn)下行頻譜干擾現(xiàn)象，則可以判定其他衛(wèi)星系統(tǒng)上行鏈路設(shè)備無異常。

(4)地面運(yùn)控系統(tǒng)下行鏈路設(shè)備異常排查(B4)

試驗(yàn)方法：選擇下行頻譜干擾時(shí)段，將地面運(yùn)控系統(tǒng)下行鏈路多部天線設(shè)備對準(zhǔn)GEO衛(wèi)星，通過低噪聲放大器(LNA)連接頻譜儀，觀察衛(wèi)星下行頻譜。

判定方法：如果多部天線同時(shí)出現(xiàn)了下行頻譜干擾現(xiàn)象，則可以判定地面運(yùn)控系統(tǒng)下行鏈路設(shè)備正常；如果僅部分天線出現(xiàn)了下行頻譜干擾現(xiàn)象，則判定地面運(yùn)控系統(tǒng)下行鏈路設(shè)備異常。

(5)其他衛(wèi)星系統(tǒng)下行設(shè)備異常排查(B5)

試驗(yàn)方法：選擇下行頻譜干擾時(shí)段，觀察導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入輸出功率監(jiān)測點(diǎn)，觀察干擾時(shí)段導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入輸出功率是否相應(yīng)變化，排除其它衛(wèi)星系統(tǒng)下行設(shè)備信號(hào)是否直接進(jìn)入地面運(yùn)控下行鏈路。

判定方法：如果導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入輸出功率監(jiān)測結(jié)果在干擾時(shí)段相應(yīng)增加，則表明干擾信號(hào)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)疊加到下行頻譜，因此可以判定其他衛(wèi)星系統(tǒng)下行設(shè)備信號(hào)未直接進(jìn)入地面運(yùn)控系統(tǒng)下行鏈路；如果導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入輸出功率監(jiān)測結(jié)果在干擾時(shí)段未相應(yīng)增加，則需要協(xié)調(diào)其它衛(wèi)星系統(tǒng)逐一停止下行設(shè)備信號(hào)排查；若下行頻譜干擾現(xiàn)象消除，則可以判定其他衛(wèi)星系統(tǒng)下行設(shè)備異常，否則判定其他衛(wèi)星系統(tǒng)下行設(shè)備無異常。

(6)導(dǎo)航衛(wèi)星在軌異常排查(B6)

試驗(yàn)方法：選擇下行頻譜干擾時(shí)段，通過頻率分析和衛(wèi)星漂移、星載設(shè)備主備切換、調(diào)整星載設(shè)備功率、關(guān)閉單機(jī)星載設(shè)備等在軌技術(shù)試驗(yàn)，排查導(dǎo)航衛(wèi)星是否存在由于轉(zhuǎn)發(fā)器自激和星上內(nèi)部干擾引起的自身頻譜異?；蛴捎趯?dǎo)航衛(wèi)星與共軌鄰星頻率交調(diào)引起的下行頻譜異常。

判定方法：①通過頻率分析，判定導(dǎo)航衛(wèi)星由于自身原因或共軌交調(diào)原因可能產(chǎn)生的異常頻譜；②通過衛(wèi)星漂移，判定衛(wèi)星軌位變化；③通過主備切換，判定衛(wèi)星主備狀態(tài)變化；④通過調(diào)整設(shè)備功率，判定衛(wèi)星功率變化；⑤通過關(guān)閉單機(jī)設(shè)備，判定衛(wèi)星單機(jī)設(shè)備關(guān)閉是否可能引起下行頻譜干擾現(xiàn)象。若通過以上分析和試驗(yàn)，下行頻譜干擾現(xiàn)象消除，則可以判定導(dǎo)航衛(wèi)星在軌異常，否則可以判定導(dǎo)航衛(wèi)星在軌無異常。

(7)鄰星和星間鏈路干擾排查(B7)

試驗(yàn)方法：①選擇下行頻譜的干擾時(shí)段，觀察導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入輸出功率監(jiān)測結(jié)果，分析相同軌位的鄰星信號(hào)是否可能通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)或者下行鏈路信號(hào)進(jìn)入地面運(yùn)控系統(tǒng)的下行鏈路；②采用衛(wèi)星漂移方法，觀察衛(wèi)星頻譜異?，F(xiàn)象。

判定方法1：如果導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入輸出功率監(jiān)測結(jié)果干擾時(shí)段相應(yīng)增加，則表明鄰星空間信號(hào)可能經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)疊加到導(dǎo)航衛(wèi)星下行頻譜，因此可以采用發(fā)射鄰星上行和下行信號(hào)方法判定；如果導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入輸出功率監(jiān)測結(jié)果干擾時(shí)段未相應(yīng)增加，則表明鄰星下行鏈路信號(hào)可能直接進(jìn)入地面運(yùn)控下行鏈路，因而需要通過頻率分析和協(xié)調(diào)進(jìn)行判定。

判定方法2：衛(wèi)星漂移以后，如果未出現(xiàn)頻譜異常現(xiàn)象，則可以判定鄰星共軌引起下行頻譜異常；如果衛(wèi)星漂移后仍出現(xiàn)頻譜異?，F(xiàn)象，則可以判定鄰星共軌不會(huì)引起下行頻譜異常。

星間鏈路干擾排查過程與此類似。

4 故障樹判定方法的試驗(yàn)結(jié)果

2011年以來，兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星陸續(xù)出現(xiàn)衛(wèi)星下行頻譜傾斜現(xiàn)象，如圖3所示，導(dǎo)致干擾時(shí)段RDSS業(yè)務(wù)導(dǎo)航衛(wèi)星入站載噪比顯著下降，RDSS業(yè)務(wù)系統(tǒng)無法提供異常衛(wèi)星單星服務(wù)。

圖3 導(dǎo)航衛(wèi)星下行頻譜(干擾消除前)

為了消除衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象，根據(jù)本文提出的衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象故障樹判定方法進(jìn)行排查，最終判定是由于導(dǎo)航衛(wèi)星的共軌衛(wèi)星下行信號(hào)與導(dǎo)航衛(wèi)星測控頻率發(fā)生交調(diào)，因此產(chǎn)生的干擾信號(hào)進(jìn)入導(dǎo)航衛(wèi)星入站轉(zhuǎn)發(fā)器，導(dǎo)致導(dǎo)航衛(wèi)星下行頻譜傾斜現(xiàn)象。

基于以上衛(wèi)星導(dǎo)航RDSS業(yè)務(wù)下行頻譜干擾現(xiàn)象故障判定結(jié)果，本文通過及時(shí)采取調(diào)整衛(wèi)星測控功率等技術(shù)措施，消除了下行頻譜的干擾現(xiàn)象，從而確保了RDSS業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航衛(wèi)星下行頻譜(干擾消除后)

[1]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 768.1-1998.建造故障樹的基本規(guī)則和方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[2]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 768A-1998.故障樹分析指南[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[3]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 841-1990.故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990.

[4]中國人民解放軍總裝備部.GJBZ1391-2006.故障模式、影響、危害性分析指南[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[5]金星，洪延姬.系統(tǒng)可靠性與可用性分析方法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[6]葉尚福，孫正波，夏暢雄等.衛(wèi)星干擾源雙星定位技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[7]D.M.哈蘭，R.D.羅倫茨.航天系統(tǒng)故障與對策[M].北京：中國宇航出版社，2007.

Locating Method for Fault Tree of Downlink Spectrum Interference in Satellite Navigation RDSS Service

Ding Yang，Dou Changjiang

Beijing Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China

Based on the downlink spectrum interference phenomenon in GEO satellite of satellite navigation RDSS service, the paper first proposes to set up a fault tree according to the sources of interference. Then the authors design the specific interference locating programs aiming at the different interference sources. Finally by means of the traverse way of space after ground, the fault tree interference location is implemented. The method has been successfully applied to several downlink spectrum interference phenomenon locations of satellite navigation RDSS service. It plays an important role in excluding downlink spectrum interference phenomenon and operating on satellite navigation RDSS service accurately and stably.

satellite navigation; RDSS; fault tree; sources of interference; spectrum tilt

2015-03-16。

丁陽(1989—)，女，助理工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)與反干擾技術(shù)方面的研究。

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