劉 成，施滸立，陳學(xué)雷

(1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094；2. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京100190)

利用“天籟”暗能量觀測(cè)陣列開展空間目標(biāo)探測(cè)新技術(shù)試驗(yàn)

劉 成1，施滸立2，陳學(xué)雷2

(1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094；2. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京100190)

提出一種用于開展空間目標(biāo)探測(cè)的大視場(chǎng)、多波束射電觀測(cè)手段。通過柱形天線陣列，在特定方向獲得大張角均勻巡天視場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大空域范圍的連續(xù)監(jiān)視；基于綜合孔徑天圖成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)批量空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)捕獲；利用小口徑碟形天線之間的優(yōu)化干涉組合，通過數(shù)字波束合成實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)精確跟蹤測(cè)量。配合軟件去噪與陣列定標(biāo)校準(zhǔn)手段，進(jìn)一步提高微弱目標(biāo)信號(hào)提取認(rèn)證能力，降低系統(tǒng)功率與增益要求。提出利用具有相似陣列結(jié)構(gòu)的“天籟”暗能量觀測(cè)系統(tǒng)開展關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)，以縮短研究周期、減少科研成本。從作用距離、信號(hào)特征、探測(cè)時(shí)間等方面對(duì)試驗(yàn)可行性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明“天籟”陣列具備支撐相關(guān)新技術(shù)試驗(yàn)的能力。

空間目標(biāo)探測(cè)；射電天文；干涉陣列；綜合孔徑成像；數(shù)字多波束；軟件去噪；暗能量

0 引 言

目前，直徑大于10 cm、地面望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)可觀測(cè)到的空間目標(biāo)總數(shù)超過10000個(gè)，并以平均每年約200個(gè)的速度增長(zhǎng)；直徑大于1 mm、天基探測(cè)器能夠觀測(cè)到的空間目標(biāo)達(dá)3500萬個(gè)以上[1-3]。這些空間目標(biāo)有的帶有特定軍事任務(wù)，危害國(guó)土安全與太空權(quán)益；有的雖無明顯軍事目的，但隨著航天活動(dòng)的日益增多，也嚴(yán)重威脅太空軌道資源安全。因此，無論是從準(zhǔn)確掌握空間態(tài)勢(shì)、維護(hù)國(guó)家太空權(quán)益，還是從保護(hù)利用空間環(huán)境、安全開發(fā)空間資源出發(fā)，加強(qiáng)空間目標(biāo)探測(cè)和防護(hù)研究都具有重要意義[4-6]。

由于便于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、方便組網(wǎng)、探測(cè)范圍廣、建設(shè)維護(hù)成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，地基探測(cè)仍是當(dāng)前主要探測(cè)手段，并以美俄兩國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)為代表[7-8]。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的大范圍監(jiān)測(cè)和編目管理，以美國(guó)為代表的航天大國(guó)研制建設(shè)了“太空籬笆”(Space fence,又稱“電磁籬笆”)系統(tǒng)，利用雷達(dá)向天空發(fā)射和構(gòu)造一個(gè)薄面狀波束，通過觀測(cè)反射信號(hào)對(duì)穿過波束面的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)[9-14]。“太空籬笆”發(fā)現(xiàn)和普測(cè)能力強(qiáng)，但為構(gòu)建大范圍監(jiān)視屏，需要廣闊的地域資源，是一項(xiàng)耗資巨大的系統(tǒng)工程；其次，為達(dá)到足夠探測(cè)距離，發(fā)射功率高達(dá)近千瓦，設(shè)備體積巨大，電磁輻射嚴(yán)重，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行也受到挑戰(zhàn)；且目標(biāo)單次穿越監(jiān)視屏只能獲得一個(gè)位置觀測(cè)量，而各接收站沿相同緯度方向分布，因此目標(biāo)需穿越3次以上才能確定初軌，定軌效率不高[15-17]。

近年來，我國(guó)空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)發(fā)展顯著[18]，初步建立了小空間碎片數(shù)據(jù)庫(kù)，掌握了發(fā)射和在軌運(yùn)行碰撞預(yù)警技術(shù)，自主研制了空間碎片初級(jí)預(yù)警系統(tǒng)。多次參加機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)組織的國(guó)際碎片聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)，積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[19-20]。但我國(guó)相關(guān)技術(shù)總體發(fā)展起步較晚，相比國(guó)外仍有較大差距，主要體現(xiàn)在大范圍監(jiān)控普測(cè)、多目標(biāo)跟蹤及高軌小尺寸目標(biāo)探測(cè)識(shí)別等能力方面。

空間探測(cè)技術(shù)與天文學(xué)之間存在著不可分割的姻緣關(guān)系，許多天文學(xué)技術(shù)與方法已良好應(yīng)用于空間探測(cè)領(lǐng)域。近年來，我國(guó)在天文領(lǐng)域相繼取得重要成果，觀測(cè)水平取得長(zhǎng)足進(jìn)步，為加快建設(shè)我國(guó)自主空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)、追趕國(guó)外先進(jìn)水平提供了寶貴借鑒。射電天文觀測(cè)是當(dāng)前國(guó)際天文科學(xué)領(lǐng)域重要與熱點(diǎn)研究方向。2016年9月，我國(guó)在貴州省平塘縣“大窩凼”洼地建設(shè)完成500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”，這是世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，意味著我國(guó)已經(jīng)掌握世界領(lǐng)先的天文射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)和建造技術(shù)[21-22]。2012年4月立項(xiàng)啟動(dòng)“天籟”計(jì)劃，研制高靈敏度射電望遠(yuǎn)鏡陣列，基于紅移中性氫產(chǎn)生的21 cm輻射信號(hào)對(duì)極微弱的宇宙暗能量進(jìn)行射電探測(cè)和研究[23]。目前已在新疆建設(shè)完成天線陣列系統(tǒng)，并開始進(jìn)行暗能量觀測(cè)和宇宙三維物質(zhì)分布圖勾繪。射電觀測(cè)手段能夠工作在很寬的頻段范圍，覆蓋面廣、分辨率和靈敏度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，通過天線陣列設(shè)計(jì)，能夠在指定方向獲得大范圍巡天視場(chǎng)；綜合孔徑技術(shù)則使得望遠(yuǎn)鏡具備了快速成像能力，相當(dāng)于工作在射電波段的照相機(jī)。因此，尤其適合作為地基固定系統(tǒng)對(duì)大空域范圍的多空間目標(biāo)開展監(jiān)測(cè)和捕獲。

上述系列重大射電天文研究項(xiàng)目已充分驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)原理的正確性，提供了寶貴建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)施也能支持相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)開展。因此，提出利用具有相似陣列結(jié)構(gòu)的“天籟”系統(tǒng)開展空間目標(biāo)射電探測(cè)新技術(shù)體制的試驗(yàn)驗(yàn)證。一方面，“天籟”已有陣列系統(tǒng)能夠滿足原理試驗(yàn)要求；另一方面，其良好的研究基礎(chǔ)也能夠幫助縮短關(guān)鍵技術(shù)研究周期，減少科研成本投入。

1 “天籟”計(jì)劃介紹與分析

1.1“天籟”計(jì)劃

“天籟”旨在以射電手段對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密測(cè)量，利用空間功率譜中的重子聲學(xué)振蕩特征測(cè)定不同紅移處的宇宙膨脹速度，開展對(duì)當(dāng)代天文科學(xué)中“暗能量”重大前沿問題的本質(zhì)研究。測(cè)量重子聲波振蕩需要觀測(cè)大天區(qū)面積，現(xiàn)有射電望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)較小，且一般承擔(dān)了不同的觀測(cè)任務(wù)，難以持續(xù)進(jìn)行大天區(qū)、高靈敏度巡天觀測(cè)。為此，“天籟”在新疆紅柳峽地區(qū)設(shè)計(jì)建造了由大量單元組成的大規(guī)模射電干涉陣列，包括拋物柱形陣列與碟形陣列兩類,如圖1所示。其中，柱形陣列包括3臺(tái)南北向、相互平行的固定柱形拋物天線，每臺(tái)長(zhǎng)40 m、寬15 m，如圖2所示。饋源沿焦線方向安裝，每臺(tái)天線放置32個(gè)饋源，共96個(gè)雙極化饋源，192路信號(hào)?；诙嘟邮諉卧缮?柱形陣列構(gòu)成了南北方向120°、東西方向1°～2°附近可調(diào)的大視場(chǎng)范圍薄面狀波束,實(shí)現(xiàn)對(duì)可見天區(qū)的巡天觀測(cè)。

碟形陣列由16臺(tái)6 m口徑碟形拋物面天線組成,如圖3所示。采用全動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)式方位俯仰(Az/El)座架，使用自動(dòng)程序跟蹤方式，具有較強(qiáng)的定向探測(cè)能力。

接收機(jī)系統(tǒng)由饋源、射頻前端、數(shù)字基帶和大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等設(shè)備構(gòu)成。天線接收信號(hào)經(jīng)微波接收設(shè)備轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)，傳輸至數(shù)字基帶處理；本振分路設(shè)備為各個(gè)接收通道提供變頻所需的本振信號(hào)；接收控制設(shè)備控制前端設(shè)備的工作參數(shù)。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)首先根據(jù)時(shí)間、頻譜、關(guān)聯(lián)性等特征識(shí)別和剔除噪聲電磁信號(hào)干擾，然后進(jìn)行計(jì)算處理，解算系統(tǒng)響應(yīng)，利用綜合孔徑成像方法獲得觀測(cè)天圖及其他觀測(cè)結(jié)果。

1.2“天籟”計(jì)劃主要研究成果

目前，“天籟”已在新疆地區(qū)持續(xù)開展暗能量觀測(cè)，成功利用軟件去噪等手段從比目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)40～50 dB的前景輻射噪聲中分離出紅移中性氫21 cm信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微弱宇宙目標(biāo)信號(hào)的提取認(rèn)證。這一科學(xué)目標(biāo)的突破，意味著去噪相對(duì)精度已達(dá)到至少萬分之一的水平。

隨著地球自轉(zhuǎn)，“天籟”柱形陣列沿南北向延伸的窄條波束面會(huì)掃過天球可見部分，獲得10000平方度以上的宇宙觀測(cè)數(shù)據(jù)。從而，在暗能量研究這樣的前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)國(guó)外最高水平的追趕，為揭示暗能量神秘本質(zhì)提供最先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)。

2 一種大視場(chǎng)多波束特征的空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)

研究一種大視場(chǎng)、多波束多空間目標(biāo)射電探測(cè)技術(shù)及其系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由司職監(jiān)視捕獲的柱形陣列天線和司職跟蹤定位的碟形陣列天線組成，結(jié)合“天籟”陣列開展試驗(yàn)驗(yàn)證，完成多空間目標(biāo)成像捕獲、自適應(yīng)跟蹤、第三方輻射源無源定位、微弱信號(hào)提取認(rèn)證等關(guān)鍵技術(shù)的研究與攻關(guān)，在此基礎(chǔ)上開展技術(shù)創(chuàng)新、自主可控的射電探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案論證，豐富和促進(jìn)我國(guó)空間目標(biāo)探測(cè)與太空安全領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。

2.1一種大視場(chǎng)多波束特征的空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)

基于柱形反射面天線，通過近距排列多個(gè)接收單元構(gòu)成陣列，能夠獲得一個(gè)經(jīng)過天頂、沿陣列焦線方向延伸、具有大張角范圍的薄面狀扇形波束，如圖4所示。扇形波束面可以在一個(gè)特定的方向上不聚焦、提供大范圍均勻視場(chǎng)，只需少數(shù)幾個(gè)陣列基地即可實(shí)現(xiàn)對(duì)全部國(guó)土范圍的監(jiān)視覆蓋，建設(shè)效費(fèi)比高；同時(shí)在另一個(gè)方向上聚焦波束，降低噪聲干擾，保證高天線增益與空間分辨率，便于目標(biāo)信號(hào)接收。從而，形成具有“電磁籬笆”普測(cè)功能的空域監(jiān)視屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場(chǎng)范圍批量空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)捕獲。

通過信號(hào)與噪聲觀測(cè)，對(duì)系統(tǒng)誤差、噪聲來源、分布特性等影響陣列精度的主要因素分析建模，并據(jù)此優(yōu)化陣列設(shè)計(jì)。利用高靈敏度天線和接收機(jī)，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行非失真放大采樣，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。根據(jù)時(shí)間、頻譜、關(guān)聯(lián)性等特征，利用軟件去噪等方法識(shí)別和消除天空背景與電磁干擾，實(shí)現(xiàn)微弱回波信號(hào)提取和認(rèn)證。然后，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)解算，基于綜合孔徑成像獲得包含空間目標(biāo)信息的觀測(cè)天圖。最后，基于天圖成像結(jié)果及天空背景輻射源等信息，處理獲得空間目標(biāo)粗略方位及其他相關(guān)屬性信息，為精確跟蹤測(cè)量提供基礎(chǔ)。

前期工作中，我們已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)“天籟”視場(chǎng)內(nèi)輻射強(qiáng)度大于5央斯基(Jy)的射電源的合成孔徑成像(1 Jy=10-26Wm-2Hz)，如圖5所示(輻射源用圓圈進(jìn)行標(biāo)識(shí))。

成像結(jié)果顯示，NVSS射電源星表中在天線視場(chǎng)之內(nèi)的多數(shù)亮源可被觀測(cè)，驗(yàn)證了系統(tǒng)微弱信號(hào)處理與成像的能力。

2.2多目標(biāo)自適應(yīng)跟蹤關(guān)鍵技術(shù)

碟形反射面天線具有強(qiáng)定向探測(cè)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跟蹤和連續(xù)測(cè)量。采用多面小口徑碟形陣列方案，能夠?qū)崿F(xiàn)與大口徑單面天線相當(dāng)?shù)男阅?，并降低建設(shè)成本與難度。各陣列之間能夠根據(jù)觀測(cè)靈敏度與分辨率要求靈活構(gòu)成不同的優(yōu)化干涉組合，通過數(shù)字多波束合成實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)的精確測(cè)向、測(cè)距與測(cè)速。當(dāng)前國(guó)際射電天文界最重要的大型望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目——平方千米陣，在經(jīng)過十幾年的聯(lián)合論證與設(shè)計(jì)后，即采用了由大量小口徑反射面天線(從幾米到十幾米)進(jìn)行組陣的建設(shè)方案[23]。

碟形陣列與柱形陣列配合工作，如圖6所示。首先，利用柱形陣列成像獲得目標(biāo)粗略方位，并對(duì)目標(biāo)形狀、軌道、任務(wù)等屬性進(jìn)行初步分析，對(duì)威脅等級(jí)及優(yōu)先程度進(jìn)行判讀。在此基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換利用碟形陣列進(jìn)行精確搜索和跟蹤。利用碟形天線初級(jí)波束視場(chǎng)范圍快速鎖定目標(biāo)，通過多元陣列干涉組合，能夠提高角分辨率，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤測(cè)量。小口徑碟形天線可采用可裝卸式設(shè)計(jì),根據(jù)實(shí)際觀測(cè)要求靈活搬移和快速布設(shè)，是最優(yōu)的陣列組合接收方案之一。

2.3第三方輻射源無源定位關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用基于第三方非協(xié)作輻射源的無源定位體制，可用輻射源包括周邊地區(qū)地面廣播、通訊、電視信號(hào)及已知頻率的商業(yè)通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等[24]。此時(shí)，陣列接收來自輻射源直射波，以及輻射源照射目標(biāo)后形成的反射波，處理消除雜波和噪聲干擾，得到載波相位差、多普勒頻率、方位角/俯仰角等觀測(cè)量，完成定位解算。

相位差變化率定位[25-26]是一種可行的定位方法。如圖7所示，觀測(cè)站O和目標(biāo)T的坐標(biāo)分別為(xO,yO,zO)、(xT,yT,zT)，三個(gè)天線單元Ea、Eb、Ec構(gòu)成兩兩正交的干涉陣列EaEb、EaEc，基線長(zhǎng)度分別為dx、dy。l1、l2、l3分別為Ea、Eb、Ec接收到的目標(biāo)來波方向，由于目標(biāo)與陣列之間距離遠(yuǎn)大于基線長(zhǎng)度，因此可認(rèn)為其相互平行。

(1)

其中，kx=2πdx/c，ky=2πdy/c，c為光速。

由幾何關(guān)系易知：

(2)

由于以陣列O為原點(diǎn)設(shè)置坐標(biāo)系，因此式(2)中xO、yO為零，對(duì)其兩邊求導(dǎo)可得目標(biāo)徑向距離r：

(3)

(4)

無源定位不發(fā)射信號(hào)，隱蔽性好、生存能力強(qiáng)。同時(shí)，地面廣播電視等照射源工作頻率較低，波長(zhǎng)在分米至米級(jí)，具有一定的反隱身能力，有利于隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)的探測(cè)。當(dāng)具有主動(dòng)發(fā)射基地時(shí)，系統(tǒng)也能夠擴(kuò)展成有源定位模式。此時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)的探測(cè)能力，探測(cè)模式和定位體制也更加多樣化。而得益于多陣元干涉陣列的高靈敏度及軟件去噪與陣列定標(biāo)技術(shù)，信號(hào)發(fā)射功率能夠大幅降低，減少系統(tǒng)電磁污染與運(yùn)行壓力。

2.4微弱信號(hào)提取與認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)

空間目標(biāo)距離遙遠(yuǎn)，反射信號(hào)微弱，受噪聲影響較大。因此除硬件設(shè)計(jì)上的必要措施外，軟件去噪是重要和有效的處理手段。根據(jù)信號(hào)特征，可在數(shù)據(jù)處理中采用先進(jìn)的去噪算法，提高信號(hào)信噪比與觀測(cè)靈敏度。針對(duì)已知信號(hào)源的頻率、時(shí)間、相位等特征，可采用自適應(yīng)波束調(diào)整、匹配濾波、KL(Karhunen-Loeve)變換等方法，獲得更高信號(hào)質(zhì)量。對(duì)于未知信號(hào)可采用獨(dú)立成分分析、魯棒主成分分析等盲分析法，提升信噪比。此外，通過長(zhǎng)時(shí)間射電天圖觀測(cè)累積得到的高精度天空電磁背景信息，也可進(jìn)一步提高對(duì)微弱信號(hào)的分析降噪能力。

前期我們?cè)迷肼曋鞒煞址治龇椒▽?duì)世界最大可動(dòng)單天線望遠(yuǎn)鏡——美國(guó)110米口徑GBT望遠(yuǎn)鏡的21 cm巡天觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從比21 cm信號(hào)強(qiáng)40～50 dB的前景輻射噪聲中成功分離微弱目標(biāo)信號(hào)(如圖8所示)[27]。

圖8(a)中的GBT觀測(cè)天區(qū)去噪前的前景輻射噪聲量級(jí)為1000 mK。經(jīng)處理后得到圖8(b)中的天圖輻射強(qiáng)度，此時(shí)明亮的射電源及彌散的同步輻射已基本消除，剩余輻射強(qiáng)度僅約0.6 mK。

在此基礎(chǔ)上，還需對(duì)陣列開展定標(biāo)校準(zhǔn)，主要涉及相位與幅度校準(zhǔn)，以消除由設(shè)備鏈路造成的系統(tǒng)延時(shí)與增益變化。校準(zhǔn)精度直接關(guān)系到目標(biāo)捕獲靈敏度、成像動(dòng)態(tài)范圍和跟蹤定位精度，對(duì)干涉陣列而言十分重要。隨著地球自轉(zhuǎn)，一些已知空間位置和強(qiáng)度的天文強(qiáng)射電源會(huì)定期通過波束視場(chǎng)范圍，通過對(duì)這些輻射源的反復(fù)觀測(cè)可以不斷提高系統(tǒng)絕對(duì)定標(biāo)精度。同時(shí)，通過在陣列附近架設(shè)人工信號(hào)源，定期產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)，可以有針對(duì)性地對(duì)系統(tǒng)增益和相位變化進(jìn)行分析。

3 利用“天籟”陣列開展新技術(shù)試驗(yàn)的可行性

3.1基本試驗(yàn)方案

試驗(yàn)階段主要利用已知空間目標(biāo)，通過接收目標(biāo)反射的地面廣播電視信號(hào)開展過境時(shí)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證方法原理和可行性，如圖9所示。此時(shí)，“天籟”陣列實(shí)際已成為一套具有實(shí)時(shí)成像功能的電磁籬笆式無源探測(cè)雷達(dá)原型。

在試驗(yàn)對(duì)象方面，首先選擇國(guó)際空間站(International space station, ISS)作為探測(cè)目標(biāo)。這一是因?yàn)镮SS雷達(dá)反射截面(Radar cross section, RCS)較大、軌道高度較低，在“天籟”探測(cè)范圍之內(nèi)；二是ISS軌道參數(shù)可公開下載，能夠準(zhǔn)確計(jì)算獲得坐標(biāo)位置，方便精度和性能分析。此外，在符合相關(guān)規(guī)定、不影響民航安全飛行的前提下，考慮利用民航飛機(jī)或小型無人機(jī)，配合ISS的過境，模擬多目標(biāo)試驗(yàn)環(huán)境。

在成像捕獲試驗(yàn)方面，采用兩種數(shù)字多波束合成方案。首先，基于“天籟”現(xiàn)有干涉顯示度方法，利用系統(tǒng)保存的干涉顯示度數(shù)據(jù)經(jīng)事后處理得到數(shù)字波束。此時(shí)無需硬件改動(dòng)，便于分析不同的權(quán)重因子方案。在此基礎(chǔ)上，利用電平數(shù)字化信號(hào)直接合成和產(chǎn)生多個(gè)不同指向的波束。這種方法可以實(shí)時(shí)合成波束，實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率，有利于探測(cè)輻射快速變化的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)，并獲得更多特征信息。為開展這一試驗(yàn)，需對(duì)“天籟”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行若干軟硬件改造和升級(jí)。

在定位試驗(yàn)方面，利用方位角、載波相位差、多普勒頻移等觀測(cè)量，基于相位差變化率定位、多普勒變化率定位等模型，結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波、修正增益擴(kuò)展卡爾曼濾波等動(dòng)態(tài)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤、定位與測(cè)速，并結(jié)合陣列特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2試驗(yàn)?zāi)芰Ψ治?/p>

根據(jù)前期調(diào)研，在距離“天籟”110 km的新疆巴里坤縣城、170 km的木壘照壁山以及300 km的烏魯木齊市均建有地面廣播電視信號(hào)發(fā)射塔，三者距離分布適中，為試驗(yàn)開展提供了有利條件。

3.2.1 探測(cè)作用距離

探測(cè)試驗(yàn)中，“天籟”陣列與廣播電視信號(hào)發(fā)射塔之間實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)收發(fā)分離的雙基地系統(tǒng)，有如式(5)所示雷達(dá)方程：

(5)

式中：σ為雷達(dá)散射截面RCS；Pt為輻射源有效輻射功率，木壘照壁山廣播電視信號(hào)發(fā)射塔功率約100 kW，全波段有62個(gè)左右頻道，“天籟”陣列在工作頻段內(nèi)可接收至少其中4個(gè)頻道，因此可取Pt=100 kW×4/62=6.45 kW；Aant為天線有效面積，“天籟”柱形陣列有效面積約為實(shí)際口徑面積的60%，因此單饋源單元取Aant=15 m×(40 m/96)×0.6=3.75 m2；Rt與Rr分別為發(fā)射塔、接收陣列與探測(cè)目標(biāo)之間的距離；k=1.38×10-23為玻爾茲曼常數(shù)；n為饋源個(gè)數(shù)，“天籟”柱形陣列為96個(gè)；Tsys為陣列單信號(hào)通道系統(tǒng)溫度，取500 K；δv為信號(hào)帶寬，取δv=4×8 MHz=32 MHz；δt為系統(tǒng)積分處理時(shí)間，“天籟”系統(tǒng)根據(jù)不同觀測(cè)對(duì)象在數(shù)秒內(nèi)可調(diào)，取2 s。

由此，可估算得到在利用地面廣播數(shù)字電視信號(hào)作為第三方輻射源時(shí)“天籟”陣列的基本探測(cè)范圍，見表1所示?？梢钥闯?，“天籟”陣列具有可觀的探測(cè)能力，對(duì)于數(shù)公里高度，能夠捕獲反射截面直徑約幾厘米的飛行器；對(duì)于600 km軌道高度，能夠捕獲到ISS及部分電子和照相偵察衛(wèi)星等目標(biāo)。

表1 “天籟”陣列探測(cè)距離分析Table 1 Tianlai detection distance analysis

3.2.2 輻射源信號(hào)特性

信號(hào)有效輻射功率、頻率、波束形狀等電磁特性對(duì)目標(biāo)探測(cè)而言尤其重要。模糊函數(shù)表征了信號(hào)的時(shí)域和頻域特性，通常被用于分析雷達(dá)的測(cè)量和分辨性能[28]：

(6)

式中:τ為信號(hào)時(shí)延，ε為信號(hào)多普勒頻移，u(t)為信號(hào)復(fù)包絡(luò)。

對(duì)于帶寬為8 MHz的廣播電視信號(hào)，成形濾波滾降系數(shù)取0.35，符號(hào)率取6.9565 MSps，采樣頻率取20.8695 MHz，即一個(gè)符號(hào)采樣3個(gè)點(diǎn)。由此可仿真得到廣播電視信號(hào)模糊函數(shù)，見圖10。可以看出，廣播電視信號(hào)模糊函數(shù)主峰尖銳、呈現(xiàn)“圖釘”狀特征，具有良好的時(shí)域和頻域特性，是較為理想的探測(cè)信號(hào)。

3.2.3 可探測(cè)時(shí)間

“天籟”大地坐標(biāo)經(jīng)度L=93.01°、緯度B=43.60°、海拔高h(yuǎn)=1666 m。柱形陣列扇形波束南北方向視角120°，因此最低觀測(cè)仰角為30°。由此可計(jì)算得到對(duì)于軌道高度H≈400 km的ISS，“天籟”柱形陣列在南北方向上的可觀測(cè)緯度范圍為7.00°(40.1°N～47.1°N)，見圖11。

ISS軌道數(shù)據(jù)可利用公開的兩行式軌道根數(shù)計(jì)算得到[24]，見表2。

表2 ISS兩行式軌道根數(shù)Table 2 Two-line element set of ISS

根據(jù)ISS每次繞地星下點(diǎn)軌跡可獲得ISS每日經(jīng)過“天籟”扇形波束面的情況，見表3所示。

表3 ISS經(jīng)過扇形波束面的時(shí)間與高度角Table 3 UTC and elevation of ISS crossing cylinder array

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，ISS每日經(jīng)過“天籟”扇形波束面約1～4次，可擇機(jī)開展探測(cè)試驗(yàn)。

3.2.4 直達(dá)波抑制

強(qiáng)直達(dá)波干擾是影響外輻射源雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)的關(guān)鍵因素之一。通?？衫弥边_(dá)波與回波入射角之差初步判斷直達(dá)波影響程度，其幾何關(guān)系如圖12所示。其中，d為輻射源與接收陣列之間距離，H為目標(biāo)軌道高度，α為直達(dá)波與目標(biāo)回波角差。

由于“天籟”柱形陣列波束方向垂直向上，因此直達(dá)波與回波角差α接近90°，直達(dá)波干擾影響較小，有利于回波信號(hào)檢測(cè)。對(duì)于碟形陣列，角差α的最小值可近似認(rèn)為是目標(biāo)探測(cè)的最小仰角δ并在實(shí)際試驗(yàn)中予以限制，從而避免造成明顯影響。

3.2.5 成像能力分析

拋物面型天線的波束寬度θ近似有[29]：

(7)

式中:λ為波長(zhǎng)，對(duì)于廣播電視信號(hào)頻率取值約0.45 m；D=15 m為“天籟”柱形陣列口徑。由此可計(jì)算得到此時(shí)柱形陣列扇形波束面寬度θ=2.1°。

柱形陣列單次探測(cè)可持續(xù)時(shí)間取決于目標(biāo)穿越波束面所經(jīng)歷的時(shí)間，如圖13所示。圖中v、Ds分別為目標(biāo)穿越波束面時(shí)的平均速度和距離，H為目標(biāo)軌道高度，R為陣列至目標(biāo)距離。

陣列至目標(biāo)距離R可近似等于目標(biāo)軌道高度H，并由此計(jì)算得到目標(biāo)穿越波束面所需時(shí)間T：

(8)

可知，空間站穿越扇形波束面的平均時(shí)間約2 s。

根據(jù)NASA所屬機(jī)構(gòu)Multi-Mission Data System公布的SSR(Satellite situation report)報(bào)告可知ISS的RCS約為400 m2，從而，可同樣根據(jù)雷達(dá)方程(5)計(jì)算得知，ISS在積分處理時(shí)間δt=2 s時(shí)的信噪比達(dá)21 dB，能夠滿足ISS成像要求。

4 結(jié) 論

本文提出研究一種大視場(chǎng)、多波束空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，并利用“天籟”陣列開展新技術(shù)試驗(yàn)。探測(cè)系統(tǒng)主要由司職捕獲的柱形拋物面天線陣列與司職跟蹤的小口徑碟形天線陣列構(gòu)成。兩者相互配合，形成具有“電磁籬笆”普測(cè)功能的監(jiān)視屏，利用地面廣播電視信號(hào)等第三方外部輻射源，實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場(chǎng)范圍批量空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)捕獲、跟蹤與定位。通過軟件去噪與陣列定標(biāo)校準(zhǔn)方法研究，提高探測(cè)靈敏度與精度，降低硬件設(shè)備要求。對(duì)試驗(yàn)方案從探測(cè)距離、信號(hào)特征、探測(cè)時(shí)間、成像能力等方面進(jìn)行了分析,結(jié)果表明“天籟”陣列能夠支撐相關(guān)新技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)開展。

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ANewSpaceTargetDetectionTechnologyandItsExperimentbyUsingTianlaiDarkEnergyRadioDetectionArray

LIU Cheng1, SHI Hu-li2, CHEN Xue-lei2

(1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100094, China; 2. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A radio observation method with large field of view and multi-beam technique is proposed to detect the space targets. The uniform survey field with large angle can be obtained at the specific direction by the cylinder antenna array, and realize continuous monitoring of the large airspace. Real-time acquisition of the multiple space targets can be achieved based on the synthetic aperture sky imaging. Through the optimal interference combination between the small-caliber dish antennas, the precise tracking and measurement of the multiple targets is realized by the digital beam synthesis. With the method of software de-noising and array calibration, it can further improve the extraction and authentication ability of the weak target signals, and reduce the power and gain requirements of the system. The key technical experiments by using the Tianlai dark energy observation system with similar array structure are put forward, so as to shorten the research duration and reduce the scientific research cost. The feasibility of the experiments is analyzed from the detection range, signal characteristics and detectable time, etc. Results show that the Tianlai array has ability to support the new technology experiments.

Space target detection; Radio astronomy; Interference array; Synthetic aperture imaging; Digital multi-beam; Software signal de-noising; Dark energy

P161

A

1000-1328(2017)11- 1243- 10

10.3873/j.issn.1000- 1328.2017.11.014

2017- 06- 24;

2017- 09- 19

國(guó)家自然科學(xué)基金(61601009)

劉成(1987-)，男，博士，助理研究員，主要從事空間與天文科學(xué)、導(dǎo)航與通信技術(shù)方面的研究。

通信地址：北京市5131信箱11號(hào)(100094)

電話：(010)66360764

E-mail:lcleo7@126.com