卫星导航RDSS业务下行频谱干扰故障树判定方法

丁 阳，窦长江

北京卫星导航中心，北京，100094



卫星导航RDSS业务下行频谱干扰故障树判定方法

丁 阳，窦长江

北京卫星导航中心，北京，100094

本文针对卫星导航RDSS业务GEO卫星下行频谱干扰现象，提出首先根据干扰来源建立故障树，然后针对不同干扰来源制定专项干扰判定方案，最后按照先地面后空间的遍历方式，逐一进行干扰排查的故障树干扰判定方法。该方法已多次成功应用于卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象的故障判定工作，为排除卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象、实现卫星导航RDSS业务精稳运行发挥了重要作用。

卫星导航；RDSS；故障树；干扰源；频谱倾斜

1 引 言

根据国际无线电规则，卫星导航RDSS业务是指涉及利用一个或多个空间电台进行无线电测定的无线电通信业务，也可包括其操作所需馈线链路。典型的卫星导航RDSS业务通常采用双星定位技术体制，即通过两颗GEO卫星配合数字高程库，采用三球交汇测量定位原理，向用户提供快速定位、授时和短报文通信服务。北斗卫星导航系统是当前全球唯一提供RDSS业务的实际运行系统。

由于RDSS业务技术体制必须通过GEO卫星实现主控站与用户间双向应答，GEO卫星作为空间透明转发器，易受上行链路、空间环境以及下行链路中多种干扰因素的影响，出现卫星下行频谱干扰现象，同时干扰来源复杂难以准确判定，从而严重影响了RDSS业务正常运行及其服务。因此，卫星导航RDSS业务GEO卫星下行频谱干扰现象故障判定，不仅是干扰处置的前提条件，也是确保RDSS业务精稳运行的关键技术。

本文针对卫星导航RDSS业务GEO卫星下行频谱干扰现象，提出首先根据干扰来源建立故障树，然后按照干扰判定对系统运行的影响程度，针对不同故障事件制定相应的干扰判定试验方案，最终按照先地面后空间遍历方式，逐一进行排查的故障树干扰判定方法。该方法已多次用于卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象等复杂故障的判定工作，为实现卫星导航RDSS业务精稳运行发挥了重要作用。

2 干扰现象故障树判定方法的基本原理

故障树分析(FTA)是一种适用于产品研制、生产和使用阶段的安全性和可靠性分析工具。对于卫星导航系统运行管理，故障树分析是进行故障诊断的一种有效手段。本文提出的卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象故障树判定方法，就是一种基于故障树分析的干扰判定方法，即以导致卫星导航系统运行性能下降的卫星频谱干扰现象作为分析目标(顶事件)，寻找引起该事件的直接原因(中间事件),以及下一层次直接原因(底事件)；同时，通过分析各种直接原因间的逻辑关系，建立卫星频谱干扰现象故障树[1，2]。

通过对卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象的顶事件分析，中间事件可划分为上行链路设备干扰、下行链路设备干扰和在轨卫星设备干扰，如图1所示。其中，中间事件定义及其底事件包括[3，4]：

(1)上行链路设备干扰。由卫星导航地面运控系统上行链路设备异常或者其他卫星系统上行设备引起的干扰现象。底事件包括B1、B2、B3：B1是由于地面运控系统上行链路设备异常；B2是由于测控系统上行链路异常；B3是由于其他卫星系统上行链路设备异常，以及通过导航卫星转发后引起的下行频谱干扰现象。

(2)下行链路设备干扰。由卫星导航地面运控系统下行链路设备异常或者其他卫星系统下行链路设备(包括近空设备)引起的干扰现象。底事件包括B4、B5：B4是由于地面运控下行设备异常；B5是由于其他卫星系统干扰信号直接进入地面运控下行链路，从而引起下行频谱干扰现象。

(3)在轨卫星设备干扰。由导航卫星在轨异常或者邻星(星间链路)共轨引起的干扰现象。底事件包括B6、B7：B6是由于导航卫星自身设备异常引起下行频谱异常现象；B7是由于相同轨位邻星空间信号，通过导航卫星转发或邻星下行信号直接进入地面运控下行链路，从而引起下行频谱干扰现象。

图1 卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象故障树

以上卫星频谱干扰现象故障树包括了7个底事件，各个故障相互独立。其中，底事件状态采用布尔型状态参量xi(i=1,…,7)表示，顶事件状态采用布尔型状态参量φ表示，φ必然是底事件状态参量xi的函数，则有[5]：

φ=φ(X)=φ(x1,…,xn)

由此可见，卫星频谱干扰现象是由或门结构组成的故障树，属于单调关联系统。考虑到或门结构是单调关联系统不可靠性上限，因此，卫星导航RDSS业务下行频谱易受到干扰。

3 干扰现象故障树判定方法的试验方案

基于卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象的故障树分析，本文提出依据干扰判定对于系统运行影响最小的原则，对于干扰来源按照先地面后空间的遍历方式，逐一排查故障树判定方法；并且针对不同故障事件制定对应干扰判定试验方案，包括相应干扰判定的试验方法和判定依据，如图2[6，7]所示。

图2 卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象故障树判定试验方案

(1)地面运控系统上行链路设备异常(B1)

试验方法：选择下行频谱干扰时段，查询地面运控系统相应时段上行注入规划，必要时可由地面运控系统逐一停止上行注入设备进行干扰排查。

判定方法：如果地面运控系统在干扰时段未规划上行注入信号，则判定地面运控系统上行链路设备正常；如果地面运控系统在干扰时段规划上行注入信号，地面运控系统则逐一停止上行注入设备进行排查。若下行频谱干扰现象仍然出现，可以判定地面运控系统上行链路设备正常；若单台上行注入设备关闭后下行频谱干扰现象未出现，则可以判定地面运控系统上行链路设备异常。

(2)测控系统上行链路设备异常排查(B2)

试验方法：选择下行频谱干扰时段，查询测控系统相应时段是否发射相邻频段的上行测控信号，必要时可协调测控系统逐一停止测控系统上行信号进行排查。

判定方法：如果测控系统干扰时段未发射相邻频段的上行信号，则判定测控系统上行链路设备正常；如果测控系统在干扰时段发射相邻频段上行信号，则需要协调测控系统逐一停止相邻频段上行信号排查；若下行频谱仍出现干扰现象，则判定测控系统上行链路设备正常，否则判定测控系统上行链路设备异常。

(3)其他卫星系统上行链路设备异常排查(B3)

试验方法：①选择下行频谱干扰时段，通过合成孔径雷达卫星系统进行地面设备干扰定位；②选择下行频谱干扰时段，通过邻星频谱监测进行地面设备干扰排查。

判定方法1：如果通过合成孔径雷达卫星系统可以定位其他卫星系统地面设备干扰源，则判定其他卫星系统地面设备干扰，否则可以判定其他卫星系统地面设备无异常。

判定方法2：如果相同轨位邻星同样出现了下行频谱干扰现象，则可以判定存在其他卫星系统地面设备干扰；如果相同轨位邻星未出现下行频谱干扰现象，则可以判定其他卫星系统上行链路设备无异常。

(4)地面运控系统下行链路设备异常排查(B4)

试验方法：选择下行频谱干扰时段，将地面运控系统下行链路多部天线设备对准GEO卫星，通过低噪声放大器(LNA)连接频谱仪，观察卫星下行频谱。

判定方法：如果多部天线同时出现了下行频谱干扰现象，则可以判定地面运控系统下行链路设备正常；如果仅部分天线出现了下行频谱干扰现象，则判定地面运控系统下行链路设备异常。

(5)其他卫星系统下行设备异常排查(B5)

试验方法：选择下行频谱干扰时段，观察导航卫星转发器输入输出功率监测点，观察干扰时段导航卫星转发器输入输出功率是否相应变化，排除其它卫星系统下行设备信号是否直接进入地面运控下行链路。

判定方法：如果导航卫星转发器输入输出功率监测结果在干扰时段相应增加，则表明干扰信号通过卫星转发叠加到下行频谱，因此可以判定其他卫星系统下行设备信号未直接进入地面运控系统下行链路；如果导航卫星转发器输入输出功率监测结果在干扰时段未相应增加，则需要协调其它卫星系统逐一停止下行设备信号排查；若下行频谱干扰现象消除，则可以判定其他卫星系统下行设备异常，否则判定其他卫星系统下行设备无异常。

(6)导航卫星在轨异常排查(B6)

试验方法：选择下行频谱干扰时段，通过频率分析和卫星漂移、星载设备主备切换、调整星载设备功率、关闭单机星载设备等在轨技术试验，排查导航卫星是否存在由于转发器自激和星上内部干扰引起的自身频谱异常或由于导航卫星与共轨邻星频率交调引起的下行频谱异常。

判定方法：①通过频率分析，判定导航卫星由于自身原因或共轨交调原因可能产生的异常频谱；②通过卫星漂移，判定卫星轨位变化；③通过主备切换，判定卫星主备状态变化；④通过调整设备功率，判定卫星功率变化；⑤通过关闭单机设备，判定卫星单机设备关闭是否可能引起下行频谱干扰现象。若通过以上分析和试验，下行频谱干扰现象消除，则可以判定导航卫星在轨异常，否则可以判定导航卫星在轨无异常。

(7)邻星和星间链路干扰排查(B7)

试验方法：①选择下行频谱的干扰时段，观察导航卫星转发器输入输出功率监测结果，分析相同轨位的邻星信号是否可能通过卫星转发或者下行链路信号进入地面运控系统的下行链路；②采用卫星漂移方法，观察卫星频谱异常现象。

判定方法1：如果导航卫星转发器的输入输出功率监测结果干扰时段相应增加，则表明邻星空间信号可能经卫星转发叠加到导航卫星下行频谱，因此可以采用发射邻星上行和下行信号方法判定；如果导航卫星转发器的输入输出功率监测结果干扰时段未相应增加，则表明邻星下行链路信号可能直接进入地面运控下行链路，因而需要通过频率分析和协调进行判定。

判定方法2：卫星漂移以后，如果未出现频谱异常现象，则可以判定邻星共轨引起下行频谱异常；如果卫星漂移后仍出现频谱异常现象，则可以判定邻星共轨不会引起下行频谱异常。

星间链路干扰排查过程与此类似。

4 故障树判定方法的试验结果

2011年以来，两颗导航卫星陆续出现卫星下行频谱倾斜现象，如图3所示，导致干扰时段RDSS业务导航卫星入站载噪比显著下降，RDSS业务系统无法提供异常卫星单星服务。

图3 导航卫星下行频谱(干扰消除前)

为了消除卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象，根据本文提出的卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象故障树判定方法进行排查，最终判定是由于导航卫星的共轨卫星下行信号与导航卫星测控频率发生交调，因此产生的干扰信号进入导航卫星入站转发器，导致导航卫星下行频谱倾斜现象。

基于以上卫星导航RDSS业务下行频谱干扰现象故障判定结果，本文通过及时采取调整卫星测控功率等技术措施，消除了下行频谱的干扰现象，从而确保了RDSS业务系统正常运行，如图4所示。

图4 导航卫星下行频谱(干扰消除后)

[1]国防科学技术工业委员会.GJB 768.1-1998.建造故障树的基本规则和方法[S].北京：中国标准出版社，1998.

[2]国防科学技术工业委员会.GJB 768A-1998.故障树分析指南[S].北京：中国标准出版社，1998.

[3]国防科学技术工业委员会.GJB 841-1990.故障报告、分析和纠正措施系统[S].北京：中国标准出版社，1990.

[4]中国人民解放军总装备部.GJBZ1391-2006.故障模式、影响、危害性分析指南[S].北京：中国标准出版社，2006.

[5]金星，洪延姬.系统可靠性与可用性分析方法[M].北京：国防工业出版社，2007.

[6]叶尚福，孙正波，夏畅雄等.卫星干扰源双星定位技术及工程应用[M].北京：国防工业出版社，2013.

[7]D.M.哈兰，R.D.罗伦茨.航天系统故障与对策[M].北京：中国宇航出版社，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。

丁阳(1989—)，女，助理工程师，主要从事卫星导航干扰技术与反干扰技术方面的研究。

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