衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾故障樹判定方法

丁 陽，竇長江

北京衛星導航中心，北京，100094

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衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾故障樹判定方法

丁 陽，竇長江

北京衛星導航中心，北京，100094

本文針對衛星導航RDSS業務GEO衛星下行頻譜干擾現象，提出首先根據干擾來源建立故障樹，然后針對不同干擾來源制定專項干擾判定方案，最后按照先地面后空間的遍歷方式，逐一進行干擾排查的故障樹干擾判定方法。該方法已多次成功應用于衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象的故障判定工作，為排除衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象、實現衛星導航RDSS業務精穩運行發揮了重要作用。

衛星導航；RDSS；故障樹；干擾源；頻譜傾斜

1 引 言

根據國際無線電規則，衛星導航RDSS業務是指涉及利用一個或多個空間電臺進行無線電測定的無線電通信業務，也可包括其操作所需饋線鏈路。典型的衛星導航RDSS業務通常采用雙星定位技術體制，即通過兩顆GEO衛星配合數字高程庫，采用三球交匯測量定位原理，向用戶提供快速定位、授時和短報文通信服務。北斗衛星導航系統是當前全球唯一提供RDSS業務的實際運行系統。

由于RDSS業務技術體制必須通過GEO衛星實現主控站與用戶間雙向應答，GEO衛星作為空間透明轉發器，易受上行鏈路、空間環境以及下行鏈路中多種干擾因素的影響，出現衛星下行頻譜干擾現象，同時干擾來源復雜難以準確判定，從而嚴重影響了RDSS業務正常運行及其服務。因此，衛星導航RDSS業務GEO衛星下行頻譜干擾現象故障判定，不僅是干擾處置的前提條件，也是確保RDSS業務精穩運行的關鍵技術。

本文針對衛星導航RDSS業務GEO衛星下行頻譜干擾現象，提出首先根據干擾來源建立故障樹，然后按照干擾判定對系統運行的影響程度，針對不同故障事件制定相應的干擾判定試驗方案，最終按照先地面后空間遍歷方式，逐一進行排查的故障樹干擾判定方法。該方法已多次用于衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象等復雜故障的判定工作，為實現衛星導航RDSS業務精穩運行發揮了重要作用。

2 干擾現象故障樹判定方法的基本原理

故障樹分析(FTA)是一種適用于產品研制、生產和使用階段的安全性和可靠性分析工具。對于衛星導航系統運行管理，故障樹分析是進行故障診斷的一種有效手段。本文提出的衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象故障樹判定方法，就是一種基于故障樹分析的干擾判定方法，即以導致衛星導航系統運行性能下降的衛星頻譜干擾現象作為分析目標(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，通過分析各種直接原因間的邏輯關系，建立衛星頻譜干擾現象故障樹[1，2]。

通過對衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象的頂事件分析，中間事件可劃分為上行鏈路設備干擾、下行鏈路設備干擾和在軌衛星設備干擾，如圖1所示。其中，中間事件定義及其底事件包括[3，4]：

(1)上行鏈路設備干擾。由衛星導航地面運控系統上行鏈路設備異常或者其他衛星系統上行設備引起的干擾現象。底事件包括B1、B2、B3：B1是由于地面運控系統上行鏈路設備異常；B2是由于測控系統上行鏈路異常；B3是由于其他衛星系統上行鏈路設備異常，以及通過導航衛星轉發后引起的下行頻譜干擾現象。

(2)下行鏈路設備干擾。由衛星導航地面運控系統下行鏈路設備異常或者其他衛星系統下行鏈路設備(包括近空設備)引起的干擾現象。底事件包括B4、B5：B4是由于地面運控下行設備異常；B5是由于其他衛星系統干擾信號直接進入地面運控下行鏈路，從而引起下行頻譜干擾現象。

(3)在軌衛星設備干擾。由導航衛星在軌異常或者鄰星(星間鏈路)共軌引起的干擾現象。底事件包括B6、B7：B6是由于導航衛星自身設備異常引起下行頻譜異常現象；B7是由于相同軌位鄰星空間信號，通過導航衛星轉發或鄰星下行信號直接進入地面運控下行鏈路，從而引起下行頻譜干擾現象。

圖1 衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象故障樹

以上衛星頻譜干擾現象故障樹包括了7個底事件，各個故障相互獨立。其中，底事件狀態采用布爾型狀態參量xi(i=1,…,7)表示，頂事件狀態采用布爾型狀態參量φ表示，φ必然是底事件狀態參量xi的函數，則有[5]：

φ=φ(X)=φ(x1,…,xn)

由此可見，衛星頻譜干擾現象是由或門結構組成的故障樹，屬于單調關聯系統。考慮到或門結構是單調關聯系統不可靠性上限，因此，衛星導航RDSS業務下行頻譜易受到干擾。

3 干擾現象故障樹判定方法的試驗方案

基于衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象的故障樹分析，本文提出依據干擾判定對于系統運行影響最小的原則，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干擾判定試驗方案，包括相應干擾判定的試驗方法和判定依據，如圖2[6，7]所示。

圖2 衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象故障樹判定試驗方案

(1)地面運控系統上行鏈路設備異常(B1)

試驗方法：選擇下行頻譜干擾時段，查詢地面運控系統相應時段上行注入規劃，必要時可由地面運控系統逐一停止上行注入設備進行干擾排查。

判定方法：如果地面運控系統在干擾時段未規劃上行注入信號，則判定地面運控系統上行鏈路設備正常；如果地面運控系統在干擾時段規劃上行注入信號，地面運控系統則逐一停止上行注入設備進行排查。若下行頻譜干擾現象仍然出現，可以判定地面運控系統上行鏈路設備正常；若單臺上行注入設備關閉后下行頻譜干擾現象未出現，則可以判定地面運控系統上行鏈路設備異常。

(2)測控系統上行鏈路設備異常排查(B2)

試驗方法：選擇下行頻譜干擾時段，查詢測控系統相應時段是否發射相鄰頻段的上行測控信號，必要時可協調測控系統逐一停止測控系統上行信號進行排查。

判定方法：如果測控系統干擾時段未發射相鄰頻段的上行信號，則判定測控系統上行鏈路設備正常；如果測控系統在干擾時段發射相鄰頻段上行信號，則需要協調測控系統逐一停止相鄰頻段上行信號排查；若下行頻譜仍出現干擾現象，則判定測控系統上行鏈路設備正常，否則判定測控系統上行鏈路設備異常。

(3)其他衛星系統上行鏈路設備異常排查(B3)

試驗方法：①選擇下行頻譜干擾時段，通過合成孔徑雷達衛星系統進行地面設備干擾定位；②選擇下行頻譜干擾時段，通過鄰星頻譜監測進行地面設備干擾排查。

判定方法1：如果通過合成孔徑雷達衛星系統可以定位其他衛星系統地面設備干擾源，則判定其他衛星系統地面設備干擾，否則可以判定其他衛星系統地面設備無異常。

判定方法2：如果相同軌位鄰星同樣出現了下行頻譜干擾現象，則可以判定存在其他衛星系統地面設備干擾；如果相同軌位鄰星未出現下行頻譜干擾現象，則可以判定其他衛星系統上行鏈路設備無異常。

(4)地面運控系統下行鏈路設備異常排查(B4)

試驗方法：選擇下行頻譜干擾時段，將地面運控系統下行鏈路多部天線設備對準GEO衛星，通過低噪聲放大器(LNA)連接頻譜儀，觀察衛星下行頻譜。

判定方法：如果多部天線同時出現了下行頻譜干擾現象，則可以判定地面運控系統下行鏈路設備正常；如果僅部分天線出現了下行頻譜干擾現象，則判定地面運控系統下行鏈路設備異常。

(5)其他衛星系統下行設備異常排查(B5)

試驗方法：選擇下行頻譜干擾時段，觀察導航衛星轉發器輸入輸出功率監測點，觀察干擾時段導航衛星轉發器輸入輸出功率是否相應變化，排除其它衛星系統下行設備信號是否直接進入地面運控下行鏈路。

判定方法：如果導航衛星轉發器輸入輸出功率監測結果在干擾時段相應增加，則表明干擾信號通過衛星轉發疊加到下行頻譜，因此可以判定其他衛星系統下行設備信號未直接進入地面運控系統下行鏈路；如果導航衛星轉發器輸入輸出功率監測結果在干擾時段未相應增加，則需要協調其它衛星系統逐一停止下行設備信號排查；若下行頻譜干擾現象消除，則可以判定其他衛星系統下行設備異常，否則判定其他衛星系統下行設備無異常。

(6)導航衛星在軌異常排查(B6)

試驗方法：選擇下行頻譜干擾時段，通過頻率分析和衛星漂移、星載設備主備切換、調整星載設備功率、關閉單機星載設備等在軌技術試驗，排查導航衛星是否存在由于轉發器自激和星上內部干擾引起的自身頻譜異常或由于導航衛星與共軌鄰星頻率交調引起的下行頻譜異常。

判定方法：①通過頻率分析，判定導航衛星由于自身原因或共軌交調原因可能產生的異常頻譜；②通過衛星漂移，判定衛星軌位變化；③通過主備切換，判定衛星主備狀態變化；④通過調整設備功率，判定衛星功率變化；⑤通過關閉單機設備，判定衛星單機設備關閉是否可能引起下行頻譜干擾現象。若通過以上分析和試驗，下行頻譜干擾現象消除，則可以判定導航衛星在軌異常，否則可以判定導航衛星在軌無異常。

(7)鄰星和星間鏈路干擾排查(B7)

試驗方法：①選擇下行頻譜的干擾時段，觀察導航衛星轉發器輸入輸出功率監測結果，分析相同軌位的鄰星信號是否可能通過衛星轉發或者下行鏈路信號進入地面運控系統的下行鏈路；②采用衛星漂移方法，觀察衛星頻譜異常現象。

判定方法1：如果導航衛星轉發器的輸入輸出功率監測結果干擾時段相應增加，則表明鄰星空間信號可能經衛星轉發疊加到導航衛星下行頻譜，因此可以采用發射鄰星上行和下行信號方法判定；如果導航衛星轉發器的輸入輸出功率監測結果干擾時段未相應增加，則表明鄰星下行鏈路信號可能直接進入地面運控下行鏈路，因而需要通過頻率分析和協調進行判定。

判定方法2：衛星漂移以后，如果未出現頻譜異常現象，則可以判定鄰星共軌引起下行頻譜異常；如果衛星漂移后仍出現頻譜異常現象，則可以判定鄰星共軌不會引起下行頻譜異常。

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結果

2011年以來，兩顆導航衛星陸續出現衛星下行頻譜傾斜現象，如圖3所示，導致干擾時段RDSS業務導航衛星入站載噪比顯著下降，RDSS業務系統無法提供異常衛星單星服務。

圖3 導航衛星下行頻譜(干擾消除前)

為了消除衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象，根據本文提出的衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象故障樹判定方法進行排查，最終判定是由于導航衛星的共軌衛星下行信號與導航衛星測控頻率發生交調，因此產生的干擾信號進入導航衛星入站轉發器，導致導航衛星下行頻譜傾斜現象。

基于以上衛星導航RDSS業務下行頻譜干擾現象故障判定結果，本文通過及時采取調整衛星測控功率等技術措施，消除了下行頻譜的干擾現象，從而確保了RDSS業務系統正常運行，如圖4所示。

圖4 導航衛星下行頻譜(干擾消除后)

[1]國防科學技術工業委員會.GJB 768.1-1998.建造故障樹的基本規則和方法[S].北京：中國標準出版社，1998.

[2]國防科學技術工業委員會.GJB 768A-1998.故障樹分析指南[S].北京：中國標準出版社，1998.

[3]國防科學技術工業委員會.GJB 841-1990.故障報告、分析和糾正措施系統[S].北京：中國標準出版社，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：中國標準出版社，2006.

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

[6]葉尚福，孫正波，夏暢雄等.衛星干擾源雙星定位技術及工程應用[M].北京：國防工業出版社，2013.

[7]D.M.哈蘭，R.D.羅倫茨.航天系統故障與對策[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，主要從事衛星導航干擾技術與反干擾技術方面的研究。

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