盧兆興， 董 浩， 紀(jì)若鵬， 吳高顯， 郭少杰， 王 萍

(中國(guó)人民解放軍75838部隊(duì)，廣東 廣州 510515)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng))是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施[1]。作為高精度時(shí)空基準(zhǔn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，能夠?yàn)椴筷?duì)提供精確導(dǎo)航和制導(dǎo)手段，為精確指控作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)術(shù)操作提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，并為各種軍事信息系統(tǒng)提供重要技術(shù)基礎(chǔ)[2-3]。然而，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有其固有脆弱性，北斗導(dǎo)航信號(hào)功率低，極易受干擾[4]。在北斗裝備實(shí)際應(yīng)用中，受裝備、人為或自然環(huán)境等多方面因素影響，定位終端常出現(xiàn)定位失敗、定位誤差大等異常情況，制約軍事效能的發(fā)揮[5]。在受到較大干擾或發(fā)生異常時(shí)，基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輔助，可以對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行異常檢測(cè)，并對(duì)突變衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行隔離，提升系統(tǒng)適應(yīng)能力[6]。文獻(xiàn)[7]利用故障樹分析法對(duì)北斗監(jiān)測(cè)站故障進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了一種北斗監(jiān)測(cè)站故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷和快速定位。文獻(xiàn)[8]對(duì)北斗導(dǎo)航信號(hào)的數(shù)字畸變進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)字模型，分析評(píng)估了北斗導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生數(shù)字畸變產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[9]采用一種基于卡爾曼濾波的載波相位平滑偽距算法，實(shí)時(shí)檢測(cè)并隔離北斗系統(tǒng)空間信號(hào)異常。上述方法側(cè)重于對(duì)北斗系統(tǒng)異常的機(jī)理分析和異常識(shí)別、隔離算法研究，通常需要專用檢測(cè)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并需要具備較高專業(yè)能力的人員進(jìn)行研究分析，但對(duì)普通北斗用戶而言很難快速有效地完成異常的分析排查。鑒于此，本文針對(duì)北斗裝備定位異常系統(tǒng)地分析了故障原因，給出了使用建議，為進(jìn)一步解決北斗裝備的應(yīng)用問(wèn)題提供了技術(shù)支撐。

1 北斗裝備定位異常描述

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3個(gè)部分組成，其中空間段衛(wèi)星和地面段運(yùn)控系統(tǒng)主要由政府和軍隊(duì)進(jìn)行投資建設(shè)，用戶段則主要依靠科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)。本文所指北斗裝備專指用戶段裝備，包括北斗定位終端和北斗定位監(jiān)控系統(tǒng)。

北斗定位終端根據(jù)用途可分為導(dǎo)航型、測(cè)地型和授時(shí)型等，按照搭載平臺(tái)又可分為機(jī)載型、艦載型、車載型和手持型等。無(wú)論哪種北斗定位終端，其定位模式主要包括兩種：① 有源定位，定位終端需要向主控站發(fā)送定位請(qǐng)求，定位解算由主控站完成，只需要一顆衛(wèi)星即可完成，主要針對(duì)北斗一號(hào)系統(tǒng)；② 無(wú)源定位，定位終端需要至少接收4顆衛(wèi)星信號(hào)，不需要依靠主控站就可完成自主定位解算。北斗定位監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控對(duì)應(yīng)定位終端的狀態(tài)，通常還能與具備短報(bào)文通信功能的終端進(jìn)行通信。監(jiān)控系統(tǒng)獲取對(duì)應(yīng)定位終端的信息主要有兩種方式：① 利用指揮機(jī)通過(guò)衛(wèi)星鏈路直接獲取對(duì)應(yīng)終端的數(shù)據(jù)信息，二者需要建立指揮關(guān)系；② 通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)從主控站獲取相應(yīng)權(quán)限的終端數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控系統(tǒng)在獲取終端數(shù)據(jù)后，通過(guò)軟件完成協(xié)議解析獲取北斗態(tài)勢(shì)。

正常情況下，北斗定位終端會(huì)按照設(shè)定工作頻率和定位模式獲取連續(xù)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的定位結(jié)果，并通過(guò)有源定位或位置報(bào)告的方式向?qū)?yīng)監(jiān)控系統(tǒng)提供正確的北斗態(tài)勢(shì)。但是北斗裝備在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)受系統(tǒng)性能、工作環(huán)境和人為操作等多種因素影響，而出現(xiàn)北斗裝備定位誤差大、定位頻率低、無(wú)法定位和監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法獲取正確態(tài)勢(shì)信息等異常情況。本文將以上異常情況統(tǒng)稱為北斗裝備定位異常，如圖1所示。

圖1 北斗裝備定位異常描述圖

2 北斗裝備定位異常的故障樹建立

2.1 故障樹分析法

故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是一種演繹分析方法[10]，通過(guò)對(duì)可能造成設(shè)備故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為等因素進(jìn)行分析，畫出故障樹，從而確定故障原因的各種可能組合方式和其發(fā)生概率，可對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性進(jìn)行分析，是可靠性分析與故障診斷的一種有力工具[11]。

故障樹分析法可以圍繞某些特定的故障狀態(tài)進(jìn)行深入分析，通過(guò)清晰的故障樹形，表現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系，尤其是各元部件與系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系，從而更好地找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[12]。通過(guò)故障樹分析還可對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的故障概率及可靠性參數(shù)進(jìn)行定量分析，對(duì)系統(tǒng)的使用維護(hù)具有重要意義[13]。此外，還可利用混合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處理動(dòng)態(tài)故障樹，通過(guò)對(duì)包含動(dòng)態(tài)離散變量域采用近似推理算法，得到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)故障樹結(jié)構(gòu)的故障分布的精確逼近。模糊集計(jì)算和專家知識(shí)等理論也可應(yīng)用到故障樹分析中，用于解決復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析(在不確定性下進(jìn)行定量分析)。

FTA的主要步驟如圖2所示。

圖2 故障樹建立流程圖

北斗裝備定位異常涉及北斗系統(tǒng)、定位終端、工作環(huán)境、人為因素等多方面因素，通過(guò)故障樹分析法可以清晰地展現(xiàn)定位異常產(chǎn)生的原因，以更有針對(duì)性地指導(dǎo)裝備應(yīng)用，更好地發(fā)揮裝備應(yīng)用效能。

2.2 故障樹建立

北斗裝備定位異常產(chǎn)生的原因有很多，且各因素影響機(jī)理復(fù)雜。本文針對(duì)北斗裝備定位異常，通過(guò)系統(tǒng)分析，確定頂事件、中間事件和底事件，構(gòu)建故障樹，提高北斗裝備定位異常的分析排查效率，指導(dǎo)規(guī)范裝備使用。

頂事件選擇北斗裝備定位異常，具體如前文所述。中間事件選擇導(dǎo)致北斗裝備定位異常的3個(gè)直接原因，具體為裝備系統(tǒng)故障、工作環(huán)境影響和人為操作不當(dāng)，3個(gè)中間事件相對(duì)獨(dú)立且直接能導(dǎo)致頂事件北斗裝備定位異常的發(fā)生。以每個(gè)中間事件為切入點(diǎn)，逐級(jí)尋找能夠?qū)е轮虚g事件的底事件，分析相互之間的邏輯關(guān)系，建立圖3～圖6所示的北斗裝備定位異常故障樹。故障樹事件代號(hào)及說(shuō)明如表1所示。

圖3 北斗裝備定位異常故障主樹

圖4 裝備系統(tǒng)故障分樹

圖5 工作環(huán)境影響故障分樹

圖6 人為操作不當(dāng)故障分樹

表1 故障樹事件代號(hào)及說(shuō)明

3 北斗裝備定位異常的故障樹分析

故障樹分析主要包括定性分析和定量分析兩種。本文著重于故障樹定性分析，即分析頂事件發(fā)生的所有可能故障模式，并分析模式發(fā)生的原因、可能性和對(duì)頂事件的影響程度，為高效采取預(yù)防策略和控制措施、防止類似情況發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。由于底事件較多，本文著重對(duì)頂事件下層3個(gè)中間事件進(jìn)行分析。

3.1 裝備系統(tǒng)故障

裝備系統(tǒng)故障主要分為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障、北斗定位終端故障和北斗態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)故障三類。

① 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障主要針對(duì)北斗衛(wèi)星和地面運(yùn)控系統(tǒng)。衛(wèi)星功能失效將導(dǎo)致定位終端無(wú)法定位，衛(wèi)星定軌或時(shí)鐘精度下降將導(dǎo)致終端定位誤差增大。地面運(yùn)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)將間接導(dǎo)致衛(wèi)星精度下降，故障時(shí)間越長(zhǎng)精度下降越嚴(yán)重，當(dāng)主控站出現(xiàn)故障時(shí)定位終端的有源定位模式和北斗態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)將無(wú)法正常使用。北斗大系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)與管理使用由政府和軍隊(duì)主導(dǎo)，且具備嚴(yán)格完善的制度規(guī)范，出現(xiàn)故障的概率很小。但是，由于北斗大系統(tǒng)出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個(gè)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的北斗裝備定位出現(xiàn)異常，影響程度極大，因此戰(zhàn)時(shí)要重點(diǎn)加強(qiáng)北斗系統(tǒng)的防護(hù)。

② 北斗定位終端故障。常見的北斗定位終端故障有天線故障、電源模塊故障和定位解算模塊故障等，對(duì)于軍用北斗定位終端還可能存在授權(quán)模塊失效的情況。北斗定位終端故障主要影響單個(gè)北斗定位設(shè)備。以北斗終端天線故障(X110)為例，在使用過(guò)程中天線故障會(huì)導(dǎo)致終端信號(hào)接收異常，導(dǎo)致整個(gè)終端無(wú)有效信號(hào)輸入或接收信號(hào)極低進(jìn)而無(wú)法正常鎖星定位，同時(shí)短報(bào)文通信功能也將失效。與北斗系統(tǒng)相比，北斗定位終端出現(xiàn)故障的概率要高得多，且發(fā)生故障的概率受設(shè)備可靠性、使用時(shí)長(zhǎng)、使用環(huán)境等因素影響。

③ 北斗態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)故障。北斗數(shù)據(jù)信息傳輸鏈路中斷、監(jiān)控系統(tǒng)軟件故障或北斗指揮機(jī)故障都將導(dǎo)致北斗態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)故障。北斗數(shù)據(jù)信息傳輸鏈路中斷包括專網(wǎng)線路中斷和指揮機(jī)衛(wèi)星鏈路中斷兩種，監(jiān)控系統(tǒng)軟件故障通常包括數(shù)據(jù)協(xié)議不通和數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤等故障，北斗指揮機(jī)故障主要包括指揮關(guān)系未建立、指揮機(jī)天線故障及其他設(shè)備故障。態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)故障主要影響指揮機(jī)構(gòu)的態(tài)勢(shì)監(jiān)控和指揮控制，對(duì)北斗終端用戶無(wú)影響。北斗態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)故障發(fā)生概率既受指揮機(jī)硬件影響，又受監(jiān)控軟件影響。降低北斗態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)故障的手段通常包括冗余備份數(shù)據(jù)鏈路和指揮機(jī)裝備、解析各型北斗裝備數(shù)據(jù)協(xié)議等。

3.2 工作環(huán)境影響

北斗定位裝備的工作環(huán)境主要包括電磁環(huán)境、氣象環(huán)境和地理環(huán)境三類，工作環(huán)境對(duì)北斗裝備定位的影響通常是區(qū)域性的。

① 電磁環(huán)境影響。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航作為無(wú)線電導(dǎo)航的一種，其信號(hào)傳播受電磁環(huán)境影響較大。太陽(yáng)風(fēng)暴和地球空間暴作為最典型的兩種空間天氣事件，都會(huì)給空間電磁環(huán)境帶來(lái)強(qiáng)烈擾動(dòng)，影響空間導(dǎo)航、通信等無(wú)線電信號(hào)的傳播，而且影響范圍通常是全球?？臻g天氣事件的發(fā)生有一定的規(guī)律特點(diǎn)，且有專業(yè)的觀測(cè)和預(yù)報(bào)。用戶需要關(guān)注空間天氣預(yù)報(bào)，提前做好防護(hù)準(zhǔn)備。與空間天氣事件相比，北斗定位裝備更多是受人為電磁干擾的影響。人為有意電磁干擾主要包括欺騙式干擾和壓制式干擾兩種，在戰(zhàn)時(shí)將成為最有可能影響裝備效能發(fā)揮的因素。人為無(wú)意干擾主要是指與導(dǎo)航信號(hào)頻段相同或相近的其他無(wú)線電信號(hào)的干擾，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人為無(wú)意干擾對(duì)北斗裝備的影響將越來(lái)越頻繁。以通信信號(hào)干擾(X26)為例，5G通信的推廣應(yīng)用產(chǎn)生了較多的干擾案例，新增的通信信號(hào)頻點(diǎn)與北斗信號(hào)頻點(diǎn)間隔小，5G基站會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的帶外散射，從而對(duì)功率較低的北斗信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

② 氣象環(huán)境影響。電磁波在大氣中傳播時(shí)，會(huì)受大氣波導(dǎo)的影響，其傳播途徑和范圍都將改變。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)功率低，在雨雪、云霧等氣象環(huán)境下衰減嚴(yán)重，可能導(dǎo)致北斗定位終端或北斗指揮機(jī)不能接收衛(wèi)星信號(hào)而無(wú)法正常工作。

③ 地理環(huán)境影響。地理環(huán)境對(duì)北斗裝備定位的影響主要包括信號(hào)遮蔽和信號(hào)反射兩個(gè)方面。植被茂密、建筑物高聳的環(huán)境下，衛(wèi)星信號(hào)受到遮蔽，北斗定位終端將無(wú)法正常獲取足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號(hào)而導(dǎo)致定位失敗。此外，在城市環(huán)境和山川環(huán)境下，受物體反射后接收的衛(wèi)星信號(hào)(反射波)和直接接收的衛(wèi)星信號(hào)(直射波)將發(fā)生干涉形成多路徑效應(yīng)，導(dǎo)致定位誤差增大。

3.3 人為操作不當(dāng)

北斗裝備需要按照規(guī)定要求操作才能正常工作。由于北斗定位終端裝備來(lái)源廣泛、型譜各異，使用操作方法不一，很多操作人員未經(jīng)培訓(xùn)學(xué)習(xí)，缺乏基本的裝備操作規(guī)范和使用維護(hù)技能，導(dǎo)致北斗裝備定位異常。常見的操作不當(dāng)有定位模式設(shè)置錯(cuò)誤、環(huán)境參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、工作頻率設(shè)置錯(cuò)誤和位置報(bào)告模式設(shè)置錯(cuò)誤等。以定位模式設(shè)置錯(cuò)誤(X31)為例，在超出北斗有源定位范圍(遠(yuǎn)海、海外)時(shí)，如果仍然設(shè)置RDSS模式將無(wú)法獲得正常定位信息。人為操作不當(dāng)發(fā)生概率取決于裝備操作復(fù)雜性和人員專業(yè)水平。

3.4 北斗裝備使用建議

通過(guò)上述故障分析，可以較為全面地掌握北斗終端定位異常產(chǎn)生的原因和發(fā)生的可能性。針對(duì)上述分析結(jié)果，可以有針對(duì)性地采取措施降低異常產(chǎn)生的概率，提升裝備的使用效能：① 加強(qiáng)北斗裝備的維護(hù)保養(yǎng)和升級(jí)換代，從硬件設(shè)備上提升裝備性能，尤其是裝備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性；② 改善北斗終端的工作環(huán)境，裝備要盡量放置在空曠處避免信號(hào)的遮擋，另外要遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾設(shè)備，如各類發(fā)射基站等；③ 要加強(qiáng)專業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)，通過(guò)專業(yè)培訓(xùn)指導(dǎo)，提升裝備使用維護(hù)水平，減少人為操作不當(dāng)?shù)仍斐傻谋倍费b備定位異常，從而提升裝備的使用效能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用故障樹分析法對(duì)北斗裝備定位異常問(wèn)題進(jìn)行研究，在對(duì)北斗裝備定位異常進(jìn)行描述和分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了北斗裝備定位異常的故障樹，理清北斗裝備定位異常成因之間的邏輯關(guān)系。進(jìn)一步針對(duì)裝備系統(tǒng)故障、工作環(huán)境影響和人為操作不當(dāng)3種直接影響因素進(jìn)行深入定性分析，討論了各類影響因素發(fā)生的可能性，并有針對(duì)性地提出了建議。本文的分析研究對(duì)北斗裝備的使用維護(hù)及定位異常的分析排查具有較高的參考價(jià)值。本文研究側(cè)重于故障樹的定性分析，但由于當(dāng)前缺乏全面準(zhǔn)確的北斗用戶定位異常數(shù)據(jù)，因此未能開展定量分析研究。在后續(xù)研究中，需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集運(yùn)用，并開展故障樹的定量分析。