丁宗華,楊嵩,江海,代連東,唐志美,許正文,吳健

(1.中國電波傳播研究所,青島266107;2.中國科學(xué)院國家天文臺,北京100012)

1 引言

非相干散射雷達(dá)是目前地面監(jiān)測研究電離層空間環(huán)境的強(qiáng)大手段,在空間碎片等空間硬目標(biāo)探測方面具有重要應(yīng)用價值。國外自上世紀(jì)90年代就開展了基于非相干散射雷達(dá)的空間碎片探測研究[1-3]。由于電離層在空間分布上具有一定的球面分層均勻性,不需要像空間硬目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測軌,因此非相干散射雷達(dá)主要以波束駐留方式進(jìn)行探測。實際上,非相干散射雷達(dá)在電離層模式下的回波數(shù)據(jù) (如功率譜等)也可用于空間碎片檢測和分析,但存在時空分辨率與測量精度低等不足[4-6],因此國外學(xué)者主要從非相干散射雷達(dá)原始采樣數(shù)據(jù)出發(fā),采用相干積累方法進(jìn)行空間碎片目標(biāo)檢測和參數(shù)提取。丁宗華等[7-9]對利用EISCAT非相干散射雷達(dá)的原始采樣數(shù)據(jù)開展空間碎片目標(biāo)檢測、參數(shù)提取和統(tǒng)計特征分析等開展了較深入研究。

在國家 “子午工程”等支持下,中國電波傳播研究所于2012年在云南曲靖建成了我國首套非相干散射雷達(dá)[10],2014年12月在該雷達(dá)中頻回波接口上加裝了原始數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)[11],為開展自主的空間碎片探測實驗研究提供了條件。

本文介紹了曲靖非相干散射雷達(dá)空間碎片數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng),結(jié)合實測數(shù)據(jù)探討了不同條件下的空間碎片參數(shù) (距離、速度、RCS、流量等)的統(tǒng)計變化特征,分析了測量誤差,評估了其探測威力,對我國的空間碎片監(jiān)測預(yù)警具有重要參考意義。

2 曲靖非相干散射雷達(dá)空間碎片數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)

曲靖非相干散射雷達(dá)空間碎片探測系統(tǒng)由天饋伺、發(fā)射、接收、監(jiān)控、頻率源、激勵源、冷切、電源以及新增的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)組成。其中數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與控制器、數(shù)據(jù)存儲與處理終端、信號處理與分析軟件等,主要完成中頻模擬信號(30MHz)的采集、存儲、數(shù)據(jù)處理分析、空間碎片參數(shù)提取等,其主要技術(shù)指標(biāo)如下[11]:

√ADC采樣位數(shù):16位

√中頻數(shù)據(jù)采樣率:6.25MHz

√終端CPU處理能力:8GHz

√終端數(shù)據(jù)存儲容量:＞8TB

采集的原始數(shù)據(jù)以64MB固定大小數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲,每個文件包含256或512幀,每幀大小為32768或65536個復(fù)采樣數(shù)據(jù)點。圖1為數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)實物圖。

圖1 曲靖非相干散射雷達(dá)空間碎片數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)Fig.1 Space debris data acquisition and signal process system of QJISR

曲靖非相干散射雷達(dá)空間碎片信號處理方法簡介如下:采用大步長 (步長為脈寬對應(yīng)的數(shù)據(jù)點長度)初步搜索和小步長 (1個數(shù)據(jù)采樣點,對6.25MHz的中頻采樣率,1個采樣點對應(yīng)0.16μs)精細(xì)搜索相結(jié)合,滿足快速數(shù)據(jù)處理和高可靠性檢測的需要,同時結(jié)合空間碎片距離、速度等動力學(xué)參數(shù)緩慢連續(xù)變化的特征,對空間碎片目標(biāo)檢測施加約束條件。圖2為空間碎片目標(biāo)穿越雷達(dá)波束期間的回波信號強(qiáng)度與距離變化,橫坐標(biāo)對應(yīng)脈沖重復(fù)周期數(shù)目 (以10為基本單位),可見空間碎片目標(biāo)從雷達(dá)旁瓣逐漸進(jìn)入波束中心最后離開波束的完整過程 (持續(xù)時間約200個脈沖重復(fù)周期,即2.4秒),回波信號強(qiáng)度先逐漸增加隨后減小,在此期間空間碎片距離變化較小,表明空間碎片相對雷達(dá)的徑向速度很小,即目標(biāo)運動軌跡與雷達(dá)波束指向夾角較小。圖3為該雷達(dá)實測的空間碎片參數(shù)文件,包括時間、方位、仰角、距離、速度、信噪比和RCS等。

圖2 空間碎片穿越曲靖雷達(dá)波束期間的回波 (上)及其距離 (下)變化Fig.2 Echo amplitude(upper)and range(down)variation of space debris passing through the QJISR beam

圖3 曲靖非相干散射雷達(dá)空間碎片參數(shù)數(shù)據(jù)文件Fig.3 Space debris parameter data file of QJISR

3 空間碎片實測數(shù)據(jù)分析

2015年以來,利用曲靖非相干散射雷達(dá)開展了多次空間碎片探測實驗。探測時的主要參數(shù)設(shè)置為:采用13位巴克碼,脈沖重復(fù)周期為12ms、脈沖寬度390us、起始距離可調(diào) (主要為600km)、距離門寬度780km、波束仰角為8～85度可調(diào) (主要利用75度)、波束方位角為0～360度可調(diào)。我們分析了其中40次探測 (約300小時)的原始數(shù)據(jù),提取了空間碎片距離、速度、RCS等參數(shù),分析了這些參數(shù)的統(tǒng)計特征。

3.1 高度和速度

由于不同實驗期間的起始距離、波束方位角和仰角都不同,為了便于統(tǒng)一分析,將距離轉(zhuǎn)化為高度。圖4為曲靖非相干散射雷達(dá)實測的空間碎片高度分布,圖中同時給出了北極 (EISCAT,69.6°N,19.2°E)非相干散射雷達(dá)空間碎片探測結(jié)果作為對比,EISCAT雷達(dá)位于北極區(qū)?？梢娗阜窍喔缮⑸淅走_(dá)實測的空間碎片主要分布在600～1100km、1400～1500km兩個高度區(qū)間,其中在800km和1000km出現(xiàn)兩個峰值,與EISCAT探測結(jié)果基本一致[12]。

圖5為曲靖非相干散射雷達(dá)實測的空間碎片徑向速度分布,圖中同時給出了EISCAT雷達(dá)的結(jié)果作為對比,從中可見曲靖雷達(dá)實測的空間碎片徑向速度分布在在-2～2km/s區(qū)間,與EISCAT觀測結(jié)果基本一致,曲靖雷達(dá)實測的正負(fù)值數(shù)目相近,表明觀測期間靠近或遠(yuǎn)離雷達(dá)的空間碎片數(shù)目相近。

圖4 曲靖 (左)與北極 (右)非相干散射雷達(dá)實測空間碎片高度變化Fig.4 Space debris height distribution of Qujing(left)and EISCAT ISR(right)

圖5 曲靖 (左)與北極 (右)非相干散射雷達(dá)實測空間碎片速度變化Fig.5 Space debris radial velocity distribution of Qujing(left)and EISCAT ISR(right)

3.2 不同波束指向

圖6上圖為曲靖非相干散射雷達(dá)仰角固定為75°, 方位角分別為 81.6°、 180°和 340°時觀測的空間碎片距離-RCS變化,實驗時觀測距離門為400km～1180km?？梢娫谘鼋?5°時不同方位時探測的空間碎片數(shù)目相近,在800km以下探測空間碎片數(shù)目較少,以小碎片為主,其RCS小于0.02m2,利用導(dǎo)體球散射模型估算的等效直徑約16cm;在800km～1000km探測的空間碎片數(shù)目相對更多,RCS變化范圍更大,表明以較大尺寸的空間碎片為主。圖6下圖為曲靖非相干散射雷達(dá)方位角固定為180°,仰角分別為60°和84°時觀測的空間碎片距離-RCS變化,實驗的距離門為500km～1680km,60°仰角探測的空間碎片數(shù)目比84°多,可見隨著仰角降低,探測的空間碎片數(shù)目增加。

圖7為利用空間碎片編目庫數(shù)據(jù)仿真預(yù)報的曲靖非相干散射雷達(dá)在24小時內(nèi)可探測的空間碎片數(shù)目。從該圖可知,隨著仰角降低曲靖非相干散射雷達(dá)可探測的空間碎片數(shù)目逐漸增加;在同樣仰角下,不同方位探測的空間碎片數(shù)目有所不同,比如對于70°仰角,方位角為100°、240°和340°時可探測數(shù)目更多;對于75°仰角,方位角為160°和340°時可探測數(shù)目相對更多。圖6的實測結(jié)果與圖7的模型預(yù)報結(jié)果基本一致,這一方面驗證了實測數(shù)據(jù)的可靠性,也為下一步觀測實驗時雷達(dá)波束指向設(shè)置提供了依據(jù)。

圖6 曲靖非相干散射雷達(dá)在不同方位 (上)和仰角(下)下實測空間碎片變化Fig.6 Space debris RCS vs range distribution in different azimuth(upper)and elevation(down)

圖7 不同指向時曲靖雷達(dá)探測目標(biāo)數(shù)量分布Fig.7 Space debris distribution in the different direction

3.3 探測流量

圖8為曲靖非相干散射雷達(dá)2017年4月30日連續(xù)12小時探測的空間碎片距離-RCS變化,仰角固定為75°,方位角固定為180°,距離門為400km～1180km,共檢測到約80個空間碎片,探測流量為7個/小時,這遠(yuǎn)低于北極地區(qū)的空間碎片流量[12],其中可能原因是北極緯度高,空間碎片密集,可探測的流量大;另外本次實驗期間觀測距離門為400km～1180km,未涵蓋整個低地球軌道范圍。

圖8 曲靖雷達(dá)連續(xù)12小時的探測數(shù)據(jù)Fig.8 Space debris count vs height distribution in the 12-hour experiment

圖9為利用軌道碎片工程模型 (ORDEM2000)計算的同樣波束指向時曲靖上空不同尺寸空間碎片的數(shù)密度分布,在近地軌道 (400km～2000km),1cm以上空間碎片數(shù)密度約為5×10-6個/m2/年,曲靖非相干散射雷達(dá)3dB波束寬度為1.3°,圓錐形波束,則400km～2000km距離內(nèi)的圓錐波束橫截面積為4.35×1010m2,取1cm以上平均空間碎片數(shù)密度為5×10-6/年/m2,則每年穿過曲靖雷達(dá)波束的空間碎片數(shù)目約2.1×105個,相當(dāng)于24個/小時。實測結(jié)果與模型計算值在同一量級但小于模型計算結(jié)果,主要原因可能是目前曲靖非相干散射雷達(dá)實測的主要是數(shù)厘米較大尺寸的空間碎片,對于1～5cm的小空間碎片探測能力不足,需要進(jìn)一步改造雷達(dá)性能、完善信號處理與數(shù)據(jù)分析方法。

圖9 利用ORDEM模型計算的空間碎片數(shù)密度分布Fig.9 Space debris density distribution calculated from the ORDEM model

3.4 探測精度

對曲靖非相干散射雷達(dá)2015年7次實驗的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)大部分探測數(shù)據(jù)的距離誤差在±3km以內(nèi),統(tǒng)計均值約為-1.47km。仰角誤差在±0.75度范圍內(nèi),這與現(xiàn)在的波束寬度1.3度是基本一致的,而方位角誤差則比較大,大部分分布在±4度范圍內(nèi),探測的空間碎片目標(biāo)位置誤差大部分都小于15km?？梢娗咐走_(dá)實測的誤差較大,主要與方位角、仰角有關(guān)。一方面雷達(dá)自身的角度指向誤差較大,需要進(jìn)一步修正;另一方面由于雷達(dá)波束較寬,同時進(jìn)行凝視探測,不能進(jìn)行跟蹤測量,因此雷達(dá)在波束內(nèi)的具體位置存在較大不確定性,這也導(dǎo)致測量的誤差較大。

圖10 曲靖雷達(dá)實測數(shù)據(jù)精度分析Fig.10 Accuracy analysis of space debris parameters of QJISR

3.5 最小探測尺寸

將曲靖非相干散射雷達(dá)2015年7次實驗探測的空間碎片與TLE編目庫進(jìn)行匹配,由匹配的空間碎片的散射截面 (RCS)可估算空間碎片等效直徑。忽略共振區(qū)影響的理想導(dǎo)體球RCS與等效直徑d之間的近似關(guān)系為:

利用上述近似公式可計算出實測空間碎片目標(biāo)對應(yīng)的等效尺寸,并且基于這些數(shù)據(jù)還可估計出該雷達(dá)最小可探測1000公里處等效約18cm的空間碎片,相當(dāng)于可探測500km的5cm目標(biāo),見圖11。

3.6 對未知小尺寸空間碎片的發(fā)現(xiàn)能力

圖11 曲靖雷達(dá)最小可探測空間碎片尺寸Fig.11 Minimum detectable size of space debris of QJISR

對于低軌道空間碎片目標(biāo),目前美國空間監(jiān)測網(wǎng)僅能對大于10cm的目標(biāo)持續(xù)編目,編目目標(biāo)庫中包含少數(shù)小于10cm的目標(biāo)。實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),曲靖雷達(dá)實測數(shù)據(jù)中有一部分較小尺寸的目標(biāo)不能與美國編目庫中的目標(biāo)匹配,這一方面可能是曲靖雷達(dá)探測到了新的未編目小尺寸空間碎片目標(biāo),另一方面也可能是信號處理與數(shù)據(jù)處理引起的虛假目標(biāo),需要更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。圖12為2014年11月18日實驗觀測的數(shù)據(jù)結(jié)果,觀測時間為6小時,距離門寬為1180km,仰角為75,方位角為81.6度,圖中紅點表示不能與編目庫匹配的實測空間碎片,它們的雷達(dá)散射截面小于0.0015m2,對應(yīng)的等效尺寸為小于8.0cm,這表明曲靖雷達(dá)可能具備發(fā)現(xiàn)未知小空間碎片的能力。

圖12 曲靖雷達(dá)探測的空間碎片與編目庫目標(biāo)的比較Fig.12 Comparison of RCS vs range distribution of the measured and the catalogued objects

3.7 空間碎片運動特征識別

實際上,穿過非相干散射雷達(dá)波束的空間碎片可能處于不同的運動狀態(tài),從而導(dǎo)致散射回波強(qiáng)度顯示不同特征。圖13為實測的空間碎片散射回波信號強(qiáng)度變化曲線,橫坐標(biāo)對應(yīng)目標(biāo)檢測的序號 (1個單位對應(yīng)于10個脈沖重復(fù)周期即0.12秒)?？梢娍臻g碎片散射回波具有周期性振蕩現(xiàn)象,振蕩周期長短不一,圖14上圖的周期約0.24秒,中圖的周期約0.7秒,下圖的周期約1.2秒,這表明穿過雷達(dá)波束期間,空間碎片可能處于不同的周期性運動狀態(tài),周期長短不一。

圖13 空間碎片穿越曲靖雷達(dá)波束期間的回波變化Fig.13 The echo amplitude variations of space debris with different oscillation periods

3.8 對低傾角空間碎片的探測可能性

曲靖非相干散射雷達(dá)地理緯度較低 (25.6度),可探測40度以下較低傾角的低軌空間碎片目標(biāo),實測數(shù)據(jù)中已檢測出一些空間碎片目標(biāo),這表明該雷達(dá)對我國現(xiàn)有中緯度雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)具有一定補(bǔ)充作用。

4 討論與結(jié)論

以上數(shù)據(jù)分析表明曲靖非相干散射雷達(dá)具備對低軌道 (2000km以內(nèi))10cm量級較小尺寸空間碎片的探測能力,軌道越低,實際可探測的空間碎片尺寸越小,總的來看其探測能力優(yōu)于1000km的18cm目標(biāo)或者500km的5cm目標(biāo);距離測量平均誤差為1.47km;仰角誤差約±0.75,這與雷達(dá)的波束寬度緊密相關(guān);方位誤差較大,需要進(jìn)一步標(biāo)校。下一步將利用TLE編目庫數(shù)據(jù)和精軌數(shù)據(jù)對曲靖非相干散射雷達(dá)的方位俯仰角進(jìn)行標(biāo)校,同時研究改善信號處理與數(shù)據(jù)分析方法,提高對空間碎片參數(shù)的測量精度,從而為空間碎片軌道更新提供支持。

通過與北極非相干散射雷達(dá)實測數(shù)據(jù)以及空間碎片模型對比,驗證了測量數(shù)據(jù)的可靠性,同時也說明曲靖非相干散射雷達(dá)實測數(shù)據(jù)有可能用于空間碎片統(tǒng)計模型驗證等。

實測數(shù)據(jù)表明曲靖非相干散射雷達(dá)探測到一些編目庫未編目的空間碎片目標(biāo),表明該雷達(dá)可能具備發(fā)現(xiàn)未知小尺寸 (8cm以下)空間碎片的能力,這可為其他空間監(jiān)視雷達(dá)提供參考數(shù)據(jù),引導(dǎo)其它設(shè)備進(jìn)行搜索編目。此外,空間碎片穿越雷達(dá)波束期間的回波表現(xiàn)出周期性振蕩現(xiàn)象,表明空間碎片可能處于周期性運動狀態(tài)。

需要說明的是,本雷達(dá)主要是凝視探測,不具備跟蹤測軌能力,這限制了該雷達(dá)在空間碎片監(jiān)測預(yù)警中更大作用的發(fā)揮。我們近期已在該雷達(dá)伺服系統(tǒng)中增加了程序引導(dǎo)跟蹤模塊,使該雷達(dá)具備了對已知軌道目標(biāo)的程引跟蹤能力,這對已知編目目標(biāo)的軌道修正、空間目標(biāo)散射特性研究具有重要意義。另外,未來在條件允許下,還可對該雷達(dá)加裝差饋源與接收回路,可實現(xiàn)對空間碎片的跟蹤測量能力,從而使該雷達(dá)更好的服務(wù)于我國的空間碎片監(jiān)測預(yù)警。