復雜電磁環境下衛星授時性能測試方法研究

北京睿信豐科技有限公司 劉 壹

我國北斗三號衛星，已經正式實現全球衛星組網，能夠為世界各地提供對應的服務和需求，因此開展衛星復雜電磁環境中的導航系統的功能測試，成為檢驗衛星性能的重要方式，引發行業成員的重視和關注。基于復雜電磁環境中，開展衛星授時性能測試的研究，是當前衛星導航系統重要的研究內容。本文以衛星授時性能測試方法為主要研究對象，針對復雜電磁環境背景下進行多角度、多層次、多內容的論述和分析，結合筆者多年從事衛星授時性能測試領域的研究和經驗，提出一系列行之有效的發展建議和改善措施，助力相關領域的從業人員，給予力所能及的幫助和支持，僅供參考。

1 “北斗”接收機授時原理

1.1 單向授時方式

單向授時方式，主要是指衛星與用戶不需要進行數據信息的雙向傳遞，只需要讓用戶的設備接收衛星發送的數據即可，通過獲取的數據與衛星數據進行對比和校核，確保二者時間保持一致性。在單向授時過程中，需要確保地面設備能夠接收到衛星傳遞的數據信息，尤其是對應的數據，要確保內容的精準性和高效性，并且與衛星的各項時間數據保持一致，要將二者的時間控制軌道，控制在同一頻率中，并且在經過中心站時，能夠充分考慮到衛星數據傳輸過程中出現的信息延遲以及干擾影響等一系列因素，并且傳遞到接收機后，還能夠根據衛星的數據傳輸時間進行自我修正和數據校核，提升地面時間的精準性和同步性。

1.2 雙向授時方式

雙向授時模式，主要是指用戶數據與中心站進行數據交換過程中，會向中心站申請對應的發射授時信號，并且根據中心站的有效計算，判斷用戶與衛星之間的時差，并能夠助力用戶進行地區時差的調整，從而與標準時間相一致。

例如，以數據傳輸的中心站系統為核心，在Ta時間段進行授時信號STa的發射，并在該時段內信號經過延遲時間t1后傳送到衛星，經過衛星的轉發，以延遲時間t2到達授權用戶接收機，最后用戶接收機將信號進行處理和轉發，以傳播延時t3到達衛星，衛星接收后再次進行轉發，經過空間的傳播以t4延遲時間進行傳播，送回到中心站系統中。因此，時間Ta的時標信號即為STa。當最終時間為Ta+t1+t2+t3+t4時間之和除以2的結果，是中心站系統到用戶機的單向傳播時延。中心站將單向傳播時延，傳播到用戶接收機時，授時接收機的時標信號以及單向傳播信號，計算本地鐘與中心控制系統時間之間的差值，并對本地時間進行校核和修正，從而實現二者時間的同步性。圖1為衛星授時效果圖。

圖1 衛星授時效果圖

2 復雜電磁環境適應測試

基于復雜電磁環境，衛星授時性能可能會出現不同程度的影響，需要對電磁環境進行系統化的研究和分析。復雜電磁環境，主要是特指某一空域、視域、時域、頻域或者功率中，出現多種電磁信號，導致地面電子設備的運行成效出現不同程度的干擾和影響，極有可能出現失效或者失準等一系列問題。復雜電磁環境，是現代衛星通信領域重要的研究內容，其主要的環境特點是存在嚴重的多變性、重疊性、多樣性、以及能量分布不均性等，并且隨著對復雜電磁環境的了解，對應的復雜程度會進一步提升。因此，復雜電磁環境對于傳統電子設備具有強烈的干擾性，需要對其干擾問題進行處理和防護，減少復雜電磁環境對電子設備授時接收機的影響和破壞，并能夠借助相關抵抗措施，提升授時接收機的信號傳播質量，能夠與干擾環境形成相互獨立的構建模式，降低二者之間的影響。例如，（x1,y1,z1）為某衛星的實際左邊，（x2,y2,z2）為接收坐標，而接收機的測量距離為√D=(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2。

3 復雜電磁環境下衛星授時性能測試方法

3.1 復雜電磁環境的設置方式

為了讓試驗內容更加符合戰爭中的復雜電磁環境，需要對衛星授時接收機頻段進行信號干擾，主要的干擾源可以采用噪聲干擾、調頻干擾、掃頻干擾、QPSK干擾、ASK干擾等一系類手段，提升信號的干擾程度。另外，由于時間接收裝置，大多距離雷達設備較近，同時還會受到相關設備的輻射干擾以及雜散信號的持續干擾。結合輕度復雜電磁環境、中度復雜電磁環境以及重度復雜電磁環境進行測試和分析。

3.2 輕度復雜電磁環境定時接收機性能測試

基于輕度復雜電磁環境測試需求，被測試裝備需要在戶外進行開展。將通信雷達設備以及通信裝置調制成輕度復雜電磁環境，然后對接收機天線放置于雷達設備旁，以輕度干擾強度，開展對應的性能測試。一方面，對接收機授時情況進行記錄和分析，了解和探查接收機出現的信號干擾情況，并對相關頻率和數據進行標記和區分，另一方面，通過對信號干擾情況的記錄和說明，對輕度復雜電磁環境中接收機工作情況進行性能檢測。

3.3 中度復雜電磁環境定時接收機性能測試

基于中度復雜電磁環境測試需求，被測試裝備需要在戶外進行開展。將通信雷達、干擾裝置、信號模擬器等設備進行部署，實現中度復雜電磁環境的搭建，同時將電磁干擾裝置與被測試接收機放置在規定距離，確保信號干擾強度符合試驗的設定要求，并持續開展信號干擾工作，不定時調整對應的電磁信號干擾強度。在進行接收機授時性能測試時，既要對被測試設備信號干擾情況進行記錄和分析，同時也要對干擾情況進行說明和記錄，確保中度復雜電磁環境中，接收機性能測試滿足對應的試驗要求。

3.4 重度復雜電磁環境定時接收機性能測試

基于重度復雜電磁環境測試需求，被測試裝備需要在試驗室開展。首先，需要確保重度復雜電磁環境的有效構建，能夠滿足基本的試驗需求，并且對電磁干擾強度進行檢測，確保復雜電磁環境中，存在多種電磁干擾源，能夠實現對接收機授時性能的強烈干擾，并且在仿真環境中，能夠記錄相關數據的干擾情況，并將信號干擾設備與仿真系統進行深入融合，確保試驗環境的真實性和有效性。最后，在多種信號干擾環境中，記錄接收機的工作狀態以及時間信息，查看時間數據變化情況，并根據對應的干擾試驗進行系統評估。

3.5 衛星接收機守時性能測試方法

開展對衛星接收機守時性能研究，其核心目的是為了進一步分析時間接收設備工作異常時，檢測設備的數據抗干擾能力，進而實現時間數據的精準控制，能夠實現在復雜電磁環境中，以標準時間接收對應的技術指標。當處于標準時間時，無法接收用戶時間信號時，接收機的頻率標準，能夠為用戶提供相應的時間校核系統，能夠實現時間數據的精準性和可靠性，減少對應的干擾問題和干擾影響。

提升設備守時精度的方式有三種，包括馴服模式、學習模式以及保持模式。馴服模式，是指在標準時設備開展工作后，對應的頻率標準生成為馴服模式，設備能夠按照一定的頻率周期進行測量，并且能夠持續調節對應的震蕩頻率，能夠在頻率輸出值較小時進行自我修正，并在系統修正完畢后，停止震蕩頻率的產生。當標準時設備重新鎖定后，系統會再次進入到馴服模式。簡單來說，是系統存在一種自我修復功能，能夠通過對時間數據的偏差自行選擇對應的模式，當時間保持一致時，修復系統會處于休眠模式，當數據存在差異時，對時間數據進行動態捕捉，然后進行修正。學習模式，主要適用于高性能的馴服晶振類頻率標準，通過在馴服系統中的持續性學習、測量，能夠對晶振衰老趨勢進行判斷和分析，并記錄對應的數據。保持模式，主要是標準時設備無法有效工作，對應的標準時授時精度持續下降，系統會自動進入保持模式，根據振蕩器的穩定效應，為設備持續提供精準的時間數據以及信號頻率。通常，切換到保持模式時，對應的標準時設備頻率具有最佳的準確度以及較長時間的穩定度，同時具備學習算法，能夠有效馴服高穩晶體，并根據晶體的老化特征，在一定時間內進行振動老化頻率調節，繼續維持時間保持的優良特性。當標準時設備重新鎖定后，系統會再次進入到馴服模式。

結論：綜上所述，隨著我國電子技術的快速發展，基于當前電子設備的高頻使用習慣，需要對電子設備的抗干擾能力進一步強化和提升，借助對“北斗”衛星導航系統標準時間授時應用的研究，為電子設備抗干擾能力提升，給予了重要的支持和幫助。