复杂电磁环境下卫星授时性能测试方法研究

北京睿信丰科技有限公司 刘 壹

我国北斗三号卫星，已经正式实现全球卫星组网，能够为世界各地提供对应的服务和需求，因此开展卫星复杂电磁环境中的导航系统的功能测试，成为检验卫星性能的重要方式，引发行业成员的重视和关注。基于复杂电磁环境中，开展卫星授时性能测试的研究，是当前卫星导航系统重要的研究内容。本文以卫星授时性能测试方法为主要研究对象，针对复杂电磁环境背景下进行多角度、多层次、多内容的论述和分析，结合笔者多年从事卫星授时性能测试领域的研究和经验，提出一系列行之有效的发展建议和改善措施，助力相关领域的从业人员，给予力所能及的帮助和支持，仅供参考。

1 “北斗”接收机授时原理

1.1 单向授时方式

单向授时方式，主要是指卫星与用户不需要进行数据信息的双向传递，只需要让用户的设备接收卫星发送的数据即可，通过获取的数据与卫星数据进行对比和校核，确保二者时间保持一致性。在单向授时过程中，需要确保地面设备能够接收到卫星传递的数据信息，尤其是对应的数据，要确保内容的精准性和高效性，并且与卫星的各项时间数据保持一致，要将二者的时间控制轨道，控制在同一频率中，并且在经过中心站时，能够充分考虑到卫星数据传输过程中出现的信息延迟以及干扰影响等一系列因素，并且传递到接收机后，还能够根据卫星的数据传输时间进行自我修正和数据校核，提升地面时间的精准性和同步性。

1.2 双向授时方式

双向授时模式，主要是指用户数据与中心站进行数据交换过程中，会向中心站申请对应的发射授时信号，并且根据中心站的有效计算，判断用户与卫星之间的时差，并能够助力用户进行地区时差的调整，从而与标准时间相一致。

例如，以数据传输的中心站系统为核心，在Ta时间段进行授时信号STa的发射，并在该时段内信号经过延迟时间t1后传送到卫星，经过卫星的转发，以延迟时间t2到达授权用户接收机，最后用户接收机将信号进行处理和转发，以传播延时t3到达卫星，卫星接收后再次进行转发，经过空间的传播以t4延迟时间进行传播，送回到中心站系统中。因此，时间Ta的时标信号即为STa。当最终时间为Ta+t1+t2+t3+t4时间之和除以2的结果，是中心站系统到用户机的单向传播时延。中心站将单向传播时延，传播到用户接收机时，授时接收机的时标信号以及单向传播信号，计算本地钟与中心控制系统时间之间的差值，并对本地时间进行校核和修正，从而实现二者时间的同步性。图1为卫星授时效果图。

图1 卫星授时效果图

2 复杂电磁环境适应测试

基于复杂电磁环境，卫星授时性能可能会出现不同程度的影响，需要对电磁环境进行系统化的研究和分析。复杂电磁环境，主要是特指某一空域、视域、时域、频域或者功率中，出现多种电磁信号，导致地面电子设备的运行成效出现不同程度的干扰和影响，极有可能出现失效或者失准等一系列问题。复杂电磁环境，是现代卫星通信领域重要的研究内容，其主要的环境特点是存在严重的多变性、重叠性、多样性、以及能量分布不均性等，并且随着对复杂电磁环境的了解，对应的复杂程度会进一步提升。因此，复杂电磁环境对于传统电子设备具有强烈的干扰性，需要对其干扰问题进行处理和防护，减少复杂电磁环境对电子设备授时接收机的影响和破坏，并能够借助相关抵抗措施，提升授时接收机的信号传播质量，能够与干扰环境形成相互独立的构建模式，降低二者之间的影响。例如，（x1,y1,z1）为某卫星的实际左边，（x2,y2,z2）为接收坐标，而接收机的测量距离为√D=(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2。

3 复杂电磁环境下卫星授时性能测试方法

3.1 复杂电磁环境的设置方式

为了让试验内容更加符合战争中的复杂电磁环境，需要对卫星授时接收机频段进行信号干扰，主要的干扰源可以采用噪声干扰、调频干扰、扫频干扰、QPSK干扰、ASK干扰等一系类手段，提升信号的干扰程度。另外，由于时间接收装置，大多距离雷达设备较近，同时还会受到相关设备的辐射干扰以及杂散信号的持续干扰。结合轻度复杂电磁环境、中度复杂电磁环境以及重度复杂电磁环境进行测试和分析。

3.2 轻度复杂电磁环境定时接收机性能测试

基于轻度复杂电磁环境测试需求，被测试装备需要在户外进行开展。将通信雷达设备以及通信装置调制成轻度复杂电磁环境，然后对接收机天线放置于雷达设备旁，以轻度干扰强度，开展对应的性能测试。一方面，对接收机授时情况进行记录和分析，了解和探查接收机出现的信号干扰情况，并对相关频率和数据进行标记和区分，另一方面，通过对信号干扰情况的记录和说明，对轻度复杂电磁环境中接收机工作情况进行性能检测。

3.3 中度复杂电磁环境定时接收机性能测试

基于中度复杂电磁环境测试需求，被测试装备需要在户外进行开展。将通信雷达、干扰装置、信号模拟器等设备进行部署，实现中度复杂电磁环境的搭建，同时将电磁干扰装置与被测试接收机放置在规定距离，确保信号干扰强度符合试验的设定要求，并持续开展信号干扰工作，不定时调整对应的电磁信号干扰强度。在进行接收机授时性能测试时，既要对被测试设备信号干扰情况进行记录和分析，同时也要对干扰情况进行说明和记录，确保中度复杂电磁环境中，接收机性能测试满足对应的试验要求。

3.4 重度复杂电磁环境定时接收机性能测试

基于重度复杂电磁环境测试需求，被测试装备需要在试验室开展。首先，需要确保重度复杂电磁环境的有效构建，能够满足基本的试验需求，并且对电磁干扰强度进行检测，确保复杂电磁环境中，存在多种电磁干扰源，能够实现对接收机授时性能的强烈干扰，并且在仿真环境中，能够记录相关数据的干扰情况，并将信号干扰设备与仿真系统进行深入融合，确保试验环境的真实性和有效性。最后，在多种信号干扰环境中，记录接收机的工作状态以及时间信息，查看时间数据变化情况，并根据对应的干扰试验进行系统评估。

3.5 卫星接收机守时性能测试方法

开展对卫星接收机守时性能研究，其核心目的是为了进一步分析时间接收设备工作异常时，检测设备的数据抗干扰能力，进而实现时间数据的精准控制，能够实现在复杂电磁环境中，以标准时间接收对应的技术指标。当处于标准时间时，无法接收用户时间信号时，接收机的频率标准，能够为用户提供相应的时间校核系统，能够实现时间数据的精准性和可靠性，减少对应的干扰问题和干扰影响。

提升设备守时精度的方式有三种，包括驯服模式、学习模式以及保持模式。驯服模式，是指在标准时设备开展工作后，对应的频率标准生成为驯服模式，设备能够按照一定的频率周期进行测量，并且能够持续调节对应的震荡频率，能够在频率输出值较小时进行自我修正，并在系统修正完毕后，停止震荡频率的产生。当标准时设备重新锁定后，系统会再次进入到驯服模式。简单来说，是系统存在一种自我修复功能，能够通过对时间数据的偏差自行选择对应的模式，当时间保持一致时，修复系统会处于休眠模式，当数据存在差异时，对时间数据进行动态捕捉，然后进行修正。学习模式，主要适用于高性能的驯服晶振类频率标准，通过在驯服系统中的持续性学习、测量，能够对晶振衰老趋势进行判断和分析，并记录对应的数据。保持模式，主要是标准时设备无法有效工作，对应的标准时授时精度持续下降，系统会自动进入保持模式，根据振荡器的稳定效应，为设备持续提供精准的时间数据以及信号频率。通常，切换到保持模式时，对应的标准时设备频率具有最佳的准确度以及较长时间的稳定度，同时具备学习算法，能够有效驯服高稳晶体，并根据晶体的老化特征，在一定时间内进行振动老化频率调节，继续维持时间保持的优良特性。当标准时设备重新锁定后，系统会再次进入到驯服模式。

结论：综上所述，随着我国电子技术的快速发展，基于当前电子设备的高频使用习惯，需要对电子设备的抗干扰能力进一步强化和提升，借助对“北斗”卫星导航系统标准时间授时应用的研究，为电子设备抗干扰能力提升，给予了重要的支持和帮助。