基于故障樹分析法的北斗裝備定位異常分析

盧兆興， 董 浩， 紀(jì)若鵬， 吳高顯， 郭少杰， 王 萍

(中國人民解放軍75838部隊，廣東 廣州 510515)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱北斗系統(tǒng))是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施[1]。作為高精度時空基準(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，能夠為部隊提供精確導(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)航信號功率低，極易受干擾[4]。在北斗裝備實際應(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，基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輔助，可以對衛(wèi)星信號進行異常檢測，并對突變衛(wèi)星信號進行隔離，提升系統(tǒng)適應(yīng)能力[6]。文獻[7]利用故障樹分析法對北斗監(jiān)測站故障進行分析，并設(shè)計了一種北斗監(jiān)測站故障診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)故障自動診斷和快速定位。文獻[8]對北斗導(dǎo)航信號的數(shù)字畸變進行了分析，并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)字模型，分析評估了北斗導(dǎo)航信號發(fā)生數(shù)字畸變產(chǎn)生的影響。文獻[9]采用一種基于卡爾曼濾波的載波相位平滑偽距算法，實時檢測并隔離北斗系統(tǒng)空間信號異常。上述方法側(cè)重于對北斗系統(tǒng)異常的機理分析和異常識別、隔離算法研究，通常需要專用檢測儀器進行數(shù)據(jù)采集，并需要具備較高專業(yè)能力的人員進行研究分析，但對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，為進一步解決北斗裝備的應(yīng)用問題提供了技術(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個部分組成，其中空間段衛(wèi)星和地面段運控系統(tǒng)主要由政府和軍隊進行投資建設(shè)，用戶段則主要依靠科研機構(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、測地型和授時型等，按照搭載平臺又可分為機載型、艦載型、車載型和手持型等。無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，主要針對北斗一號系統(tǒng)；② 無源定位，定位終端需要至少接收4顆衛(wèi)星信號，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)控對應(yīng)定位終端的狀態(tài)，通常還能與具備短報文通信功能的終端進行通信。監(jiān)控系統(tǒng)獲取對應(yīng)定位終端的信息主要有兩種方式：① 利用指揮機通過衛(wèi)星鏈路直接獲取對應(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，通過軟件完成協(xié)議解析獲取北斗態(tài)勢。

正常情況下，北斗定位終端會按照設(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，并通過有源定位或位置報告的方式向?qū)?yīng)監(jiān)控系統(tǒng)提供正確的北斗態(tài)勢。但是北斗裝備在實際運用中會受系統(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、無法定位和監(jiān)控系統(tǒng)無法獲取正確態(tài)勢信息等異常情況。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]，通過對可能造成設(shè)備故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為等因素進行分析，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，可對系統(tǒng)的安全性和可靠性進行分析，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)進行深入分析，通過清晰的故障樹形，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]。通過故障樹分析還可對復(fù)雜系統(tǒng)的故障概率及可靠性參數(shù)進行定量分析，對系統(tǒng)的使用維護具有重要意義[13]。此外，還可利用混合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處理動態(tài)故障樹，通過對包含動態(tài)離散變量域采用近似推理算法，得到靜態(tài)和動態(tài)故障樹結(jié)構(gòu)的故障分布的精確逼近。模糊集計算和專家知識等理論也可應(yīng)用到故障樹分析中，用于解決復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)分析(在不確定性下進行定量分析)。

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，且各因素影響機理復(fù)雜。本文針對北斗裝備定位異常，通過系統(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個中間事件相對獨立且直接能導(dǎo)致頂事件北斗裝備定位異常的發(fā)生。以每個中間事件為切入點，逐級尋找能夠?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。故障樹事件代號及說明如表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 故障樹事件代號及說明

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，本文著重對頂事件下層3個中間事件進行分析。

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)故障主要針對北斗衛(wèi)星和地面運控系統(tǒng)。衛(wèi)星功能失效將導(dǎo)致定位終端無法定位，衛(wèi)星定軌或時鐘精度下降將導(dǎo)致終端定位誤差增大。地面運控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時將間接導(dǎo)致衛(wèi)星精度下降，故障時間越長精度下降越嚴(yán)重，當(dāng)主控站出現(xiàn)故障時定位終端的有源定位模式和北斗態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)將無法正常使用。北斗大系統(tǒng)的運行維護與管理使用由政府和軍隊主導(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)時要重點加強北斗系統(tǒng)的防護。

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北斗定位設(shè)備。以北斗終端天線故障(X110)為例，在使用過程中天線故障會導(dǎo)致終端信號接收異常，導(dǎo)致整個終端無有效信號輸入或接收信號極低進而無法正常鎖星定位，同時短報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、使用時長、使用環(huán)境等因素影響。

③ 北斗態(tài)勢監(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故障都將導(dǎo)致北斗態(tài)勢監(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)處理錯誤等故障，北斗指揮機故障主要包括指揮關(guān)系未建立、指揮機天線故障及其他設(shè)備故障。態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)故障主要影響指揮機構(gòu)的態(tài)勢監(jiān)控和指揮控制，對北斗終端用戶無影響。北斗態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)故障發(fā)生概率既受指揮機硬件影響，又受監(jiān)控軟件影響。降低北斗態(tài)勢監(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)航作為無線電導(dǎo)航的一種，其信號傳播受電磁環(huán)境影響較大。太陽風(fēng)暴和地球空間暴作為最典型的兩種空間天氣事件，都會給空間電磁環(huán)境帶來強烈擾動，影響空間導(dǎo)航、通信等無線電信號的傳播，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，且有專業(yè)的觀測和預(yù)報。用戶需要關(guān)注空間天氣預(yù)報，提前做好防護準(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)時將成為最有可能影響裝備效能發(fā)揮的因素。人為無意干擾主要是指與導(dǎo)航信號頻段相同或相近的其他無線電信號的干擾，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人為無意干擾對北斗裝備的影響將越來越頻繁。以通信信號干擾(X26)為例，5G通信的推廣應(yīng)用產(chǎn)生了較多的干擾案例，新增的通信信號頻點與北斗信號頻點間隔小，5G基站會產(chǎn)生較強的帶外散射，從而對功率較低的北斗信號產(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，會受大氣波導(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不能接收衛(wèi)星信號而無法正常工作。

③ 地理環(huán)境影響。地理環(huán)境對北斗裝備定位的影響主要包括信號遮蔽和信號反射兩個方面。植被茂密、建筑物高聳的環(huán)境下，衛(wèi)星信號受到遮蔽，北斗定位終端將無法正常獲取足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號而導(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(反射波)和直接接收的衛(wèi)星信號(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)置錯誤、環(huán)境參數(shù)設(shè)置錯誤、工作頻率設(shè)置錯誤和位置報告模式設(shè)置錯誤等。以定位模式設(shè)置錯誤(X31)為例，在超出北斗有源定位范圍(遠(yuǎn)海、海外)時，如果仍然設(shè)置RDSS模式將無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。針對上述分析結(jié)果，可以有針對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 加強北斗裝備的維護保養(yǎng)和升級換代，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的遮擋，另外要遠(yuǎn)離強電磁干擾設(shè)備，如各類發(fā)射基站等；③ 要加強專業(yè)人才隊伍建設(shè)，通過專業(yè)培訓(xùn)指導(dǎo)，提升裝備使用維護水平，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

本文采用故障樹分析法對北斗裝備定位異常問題進行研究，在對北斗裝備定位異常進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。進一步針對裝備系統(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，并有針對性地提出了建議。本文的分析研究對北斗裝備的使用維護及定位異常的分析排查具有較高的參考價值。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，需要加強數(shù)據(jù)采集運用，并開展故障樹的定量分析。