卢兆兴， 董 浩， 纪若鹏， 吴高显， 郭少杰， 王 萍

(中国人民解放军75838部队，广东 广州 510515)

北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]。作为高精度时空基准，北斗卫星导航系统在军事领域发挥着举足轻重的作用，能够为部队提供精确导航和制导手段，为精确指控作战单元的战术操作提供关键技术支撑，并为各种军事信息系统提供重要技术基础[2-3]。然而，北斗卫星导航系统有其固有脆弱性，北斗导航信号功率低，极易受干扰[4]。在北斗装备实际应用中，受装备、人为或自然环境等多方面因素影响，定位终端常出现定位失败、定位误差大等异常情况，制约军事效能的发挥[5]。在受到较大干扰或发生异常时，基于惯性导航系统辅助，可以对卫星信号进行异常检测，并对突变卫星信号进行隔离，提升系统适应能力[6]。文献[7]利用故障树分析法对北斗监测站故障进行分析，并设计了一种北斗监测站故障诊断专家系统，实现故障自动诊断和快速定位。文献[8]对北斗导航信号的数字畸变进行了分析，并在此基础上建立数字模型，分析评估了北斗导航信号发生数字畸变产生的影响。文献[9]采用一种基于卡尔曼滤波的载波相位平滑伪距算法，实时检测并隔离北斗系统空间信号异常。上述方法侧重于对北斗系统异常的机理分析和异常识别、隔离算法研究，通常需要专用检测仪器进行数据采集，并需要具备较高专业能力的人员进行研究分析，但对普通北斗用户而言很难快速有效地完成异常的分析排查。鉴于此，本文针对北斗装备定位异常系统地分析了故障原因，给出了使用建议，为进一步解决北斗装备的应用问题提供了技术支撑。

1 北斗装备定位异常描述

卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3个部分组成，其中空间段卫星和地面段运控系统主要由政府和军队进行投资建设，用户段则主要依靠科研机构和企业研发生产。本文所指北斗装备专指用户段装备，包括北斗定位终端和北斗定位监控系统。

北斗定位终端根据用途可分为导航型、测地型和授时型等，按照搭载平台又可分为机载型、舰载型、车载型和手持型等。无论哪种北斗定位终端，其定位模式主要包括两种：① 有源定位，定位终端需要向主控站发送定位请求，定位解算由主控站完成，只需要一颗卫星即可完成，主要针对北斗一号系统；② 无源定位，定位终端需要至少接收4颗卫星信号，不需要依靠主控站就可完成自主定位解算。北斗定位监控系统主要用于监控对应定位终端的状态，通常还能与具备短报文通信功能的终端进行通信。监控系统获取对应定位终端的信息主要有两种方式：① 利用指挥机通过卫星链路直接获取对应终端的数据信息，二者需要建立指挥关系；② 通过地面网络从主控站获取相应权限的终端数据信息。监控系统在获取终端数据后，通过软件完成协议解析获取北斗态势。

正常情况下，北斗定位终端会按照设定工作频率和定位模式获取连续、稳定、准确的定位结果，并通过有源定位或位置报告的方式向对应监控系统提供正确的北斗态势。但是北斗装备在实际运用中会受系统性能、工作环境和人为操作等多种因素影响，而出现北斗装备定位误差大、定位频率低、无法定位和监控系统无法获取正确态势信息等异常情况。本文将以上异常情况统称为北斗装备定位异常，如图1所示。

图1 北斗装备定位异常描述图

2 北斗装备定位异常的故障树建立

2.1 故障树分析法

故障树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)是一种演绎分析方法[10]，通过对可能造成设备故障的硬件、软件、环境、人为等因素进行分析，画出故障树，从而确定故障原因的各种可能组合方式和其发生概率，可对系统的安全性和可靠性进行分析，是可靠性分析与故障诊断的一种有力工具[11]。

故障树分析法可以围绕某些特定的故障状态进行深入分析，通过清晰的故障树形，表现系统内在联系，尤其是各元部件与系统之间的逻辑关系，从而更好地找到系统的薄弱环节[12]。通过故障树分析还可对复杂系统的故障概率及可靠性参数进行定量分析，对系统的使用维护具有重要意义[13]。此外，还可利用混合贝叶斯网络结构处理动态故障树，通过对包含动态离散变量域采用近似推理算法，得到静态和动态故障树结构的故障分布的精确逼近。模糊集计算和专家知识等理论也可应用到故障树分析中，用于解决复杂系统的动态分析(在不确定性下进行定量分析)。

FTA的主要步骤如图2所示。

图2 故障树建立流程图

北斗装备定位异常涉及北斗系统、定位终端、工作环境、人为因素等多方面因素，通过故障树分析法可以清晰地展现定位异常产生的原因，以更有针对性地指导装备应用，更好地发挥装备应用效能。

2.2 故障树建立

北斗装备定位异常产生的原因有很多，且各因素影响机理复杂。本文针对北斗装备定位异常，通过系统分析，确定顶事件、中间事件和底事件，构建故障树，提高北斗装备定位异常的分析排查效率，指导规范装备使用。

顶事件选择北斗装备定位异常，具体如前文所述。中间事件选择导致北斗装备定位异常的3个直接原因，具体为装备系统故障、工作环境影响和人为操作不当，3个中间事件相对独立且直接能导致顶事件北斗装备定位异常的发生。以每个中间事件为切入点，逐级寻找能够导致中间事件的底事件，分析相互之间的逻辑关系，建立图3～图6所示的北斗装备定位异常故障树。故障树事件代号及说明如表1所示。

图3 北斗装备定位异常故障主树

图4 装备系统故障分树

图5 工作环境影响故障分树

图6 人为操作不当故障分树

表1 故障树事件代号及说明

3 北斗装备定位异常的故障树分析

故障树分析主要包括定性分析和定量分析两种。本文着重于故障树定性分析，即分析顶事件发生的所有可能故障模式，并分析模式发生的原因、可能性和对顶事件的影响程度，为高效采取预防策略和控制措施、防止类似情况发生提供科学依据。由于底事件较多，本文着重对顶事件下层3个中间事件进行分析。

3.1 装备系统故障

装备系统故障主要分为北斗卫星导航系统故障、北斗定位终端故障和北斗态势监控系统故障三类。

① 北斗卫星导航系统故障。北斗卫星导航系统故障主要针对北斗卫星和地面运控系统。卫星功能失效将导致定位终端无法定位，卫星定轨或时钟精度下降将导致终端定位误差增大。地面运控系统出现故障时将间接导致卫星精度下降，故障时间越长精度下降越严重，当主控站出现故障时定位终端的有源定位模式和北斗态势监控系统将无法正常使用。北斗大系统的运行维护与管理使用由政府和军队主导，且具备严格完善的制度规范，出现故障的概率很小。但是，由于北斗大系统出现故障将导致整个服务区域内的北斗装备定位出现异常，影响程度极大，因此战时要重点加强北斗系统的防护。

② 北斗定位终端故障。常见的北斗定位终端故障有天线故障、电源模块故障和定位解算模块故障等，对于军用北斗定位终端还可能存在授权模块失效的情况。北斗定位终端故障主要影响单个北斗定位设备。以北斗终端天线故障(X110)为例，在使用过程中天线故障会导致终端信号接收异常，导致整个终端无有效信号输入或接收信号极低进而无法正常锁星定位，同时短报文通信功能也将失效。与北斗系统相比，北斗定位终端出现故障的概率要高得多，且发生故障的概率受设备可靠性、使用时长、使用环境等因素影响。

③ 北斗态势监控系统故障。北斗数据信息传输链路中断、监控系统软件故障或北斗指挥机故障都将导致北斗态势监控系统故障。北斗数据信息传输链路中断包括专网线路中断和指挥机卫星链路中断两种，监控系统软件故障通常包括数据协议不通和数据处理错误等故障，北斗指挥机故障主要包括指挥关系未建立、指挥机天线故障及其他设备故障。态势监控系统故障主要影响指挥机构的态势监控和指挥控制，对北斗终端用户无影响。北斗态势监控系统故障发生概率既受指挥机硬件影响，又受监控软件影响。降低北斗态势监控系统故障的手段通常包括冗余备份数据链路和指挥机装备、解析各型北斗装备数据协议等。

3.2 工作环境影响

北斗定位装备的工作环境主要包括电磁环境、气象环境和地理环境三类，工作环境对北斗装备定位的影响通常是区域性的。

① 电磁环境影响。北斗卫星导航作为无线电导航的一种，其信号传播受电磁环境影响较大。太阳风暴和地球空间暴作为最典型的两种空间天气事件，都会给空间电磁环境带来强烈扰动，影响空间导航、通信等无线电信号的传播，而且影响范围通常是全球。空间天气事件的发生有一定的规律特点，且有专业的观测和预报。用户需要关注空间天气预报，提前做好防护准备。与空间天气事件相比，北斗定位装备更多是受人为电磁干扰的影响。人为有意电磁干扰主要包括欺骗式干扰和压制式干扰两种，在战时将成为最有可能影响装备效能发挥的因素。人为无意干扰主要是指与导航信号频段相同或相近的其他无线电信号的干扰，随着通信技术的不断发展，人为无意干扰对北斗装备的影响将越来越频繁。以通信信号干扰(X26)为例，5G通信的推广应用产生了较多的干扰案例，新增的通信信号频点与北斗信号频点间隔小，5G基站会产生较强的带外散射，从而对功率较低的北斗信号产生严重影响。

② 气象环境影响。电磁波在大气中传播时，会受大气波导的影响，其传播途径和范围都将改变。卫星导航信号功率低，在雨雪、云雾等气象环境下衰减严重，可能导致北斗定位终端或北斗指挥机不能接收卫星信号而无法正常工作。

③ 地理环境影响。地理环境对北斗装备定位的影响主要包括信号遮蔽和信号反射两个方面。植被茂密、建筑物高耸的环境下，卫星信号受到遮蔽，北斗定位终端将无法正常获取足够数量的卫星信号而导致定位失败。此外，在城市环境和山川环境下，受物体反射后接收的卫星信号(反射波)和直接接收的卫星信号(直射波)将发生干涉形成多路径效应，导致定位误差增大。

3.3 人为操作不当

北斗装备需要按照规定要求操作才能正常工作。由于北斗定位终端装备来源广泛、型谱各异，使用操作方法不一，很多操作人员未经培训学习，缺乏基本的装备操作规范和使用维护技能，导致北斗装备定位异常。常见的操作不当有定位模式设置错误、环境参数设置错误、工作频率设置错误和位置报告模式设置错误等。以定位模式设置错误(X31)为例，在超出北斗有源定位范围(远海、海外)时，如果仍然设置RDSS模式将无法获得正常定位信息。人为操作不当发生概率取决于装备操作复杂性和人员专业水平。

3.4 北斗装备使用建议

通过上述故障分析，可以较为全面地掌握北斗终端定位异常产生的原因和发生的可能性。针对上述分析结果，可以有针对性地采取措施降低异常产生的概率，提升装备的使用效能：① 加强北斗装备的维护保养和升级换代，从硬件设备上提升装备性能，尤其是装备的可靠性和环境适应性；② 改善北斗终端的工作环境，装备要尽量放置在空旷处避免信号的遮挡，另外要远离强电磁干扰设备，如各类发射基站等；③ 要加强专业人才队伍建设，通过专业培训指导，提升装备使用维护水平，减少人为操作不当等造成的北斗装备定位异常，从而提升装备的使用效能。

4 结束语

本文采用故障树分析法对北斗装备定位异常问题进行研究，在对北斗装备定位异常进行描述和分析的基础上，构建了北斗装备定位异常的故障树，理清北斗装备定位异常成因之间的逻辑关系。进一步针对装备系统故障、工作环境影响和人为操作不当3种直接影响因素进行深入定性分析，讨论了各类影响因素发生的可能性，并有针对性地提出了建议。本文的分析研究对北斗装备的使用维护及定位异常的分析排查具有较高的参考价值。本文研究侧重于故障树的定性分析，但由于当前缺乏全面准确的北斗用户定位异常数据，因此未能开展定量分析研究。在后续研究中，需要加强数据采集运用，并开展故障树的定量分析。