賀亞鵬,劉麗霞,張愛軍,黨紅杏,譚小敏
(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)
20世紀(jì)的50年代末至70年代是深空探測(cè)開展的密集區(qū),人類已相繼實(shí)現(xiàn)月球和火星的軟著陸探測(cè)。蘇聯(lián)1966年1月發(fā)射的月球9號(hào)是世界上第一個(gè)在月球上實(shí)現(xiàn)軟著陸的月球探測(cè)器。首次在火星上實(shí)現(xiàn)軟著陸的探測(cè)器是1971年12月2日蘇聯(lián)的火星3號(hào)探測(cè)器[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來,人類對(duì)資源、能源需求日益加劇,全球再次掀起深空探測(cè)高潮,探測(cè)目的由冷戰(zhàn)時(shí)期的政治和科學(xué)需要,轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)研究、資源探索和拓展生存空間為主要目的。美國(guó)、中國(guó)、日本、印度、和俄羅斯、歐洲等國(guó)家或組織均紛紛制定深空探測(cè)計(jì)劃,并著手實(shí)施[2-6]。
地外星體軟著陸和采樣返回是地外星體探測(cè)的重要方式,而安全精準(zhǔn)星體著陸需要著陸器的高度、距離和速度信息,特別情況下還需要具備著陸區(qū)主動(dòng)避障功能。微波著陸雷達(dá)作為著陸探測(cè)器GNC分系統(tǒng)的敏感器之一,能夠穿透灰塵和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流全天時(shí)工作,在著陸下降段同時(shí)提供精確的測(cè)距和測(cè)速信息,通過精心設(shè)計(jì)還可同時(shí)具備成像避障功能,是確保著陸精度和安全的重要載荷。
文章主要圍繞21世紀(jì)深空探測(cè)著陸雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)展開論述。第2節(jié)論述了國(guó)外深空探測(cè)著陸雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀;第3節(jié)對(duì)國(guó)內(nèi)深空著陸雷達(dá)進(jìn)行簡(jiǎn)要論述;第4節(jié)對(duì)國(guó)內(nèi)外深空著陸雷達(dá)進(jìn)行歸納分析并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討;第5節(jié)總結(jié)全文。
表1列出國(guó)外近20年裝備有著陸雷達(dá)的典型深空著陸器型號(hào)。其中包括美國(guó)的6次著陸探測(cè)任務(wù),歐空局的1次著陸探測(cè)任務(wù)。2020年美國(guó)火星探測(cè)項(xiàng)目在此未列出,依據(jù)報(bào)道將以NASA的好奇號(hào)火星車為基礎(chǔ),采用已驗(yàn)證的著陸系統(tǒng)和巡視器底盤設(shè)計(jì)方案,開展新的火星試驗(yàn)。
Exomars著陸雷達(dá)(RDA)由TAS-I(Thales Alenia Space Italy)為歐空局火星探測(cè)計(jì)劃負(fù)責(zé)研制。Exomars著陸雷達(dá)工作在Ka頻段,測(cè)量配備4個(gè)波束(如圖1所示),0號(hào)波束延高度線指向,其他3個(gè)波束方位向等角度間隔分布,高度線離軸角為20°,如圖1所示。
圖1 EXOMARS觀測(cè)幾何Fig.1 EXOMARS illuminating geometry
RDA系統(tǒng)由電子設(shè)備(REA)、天線模塊和雷達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)(RMF)組成,電子設(shè)備包含雷達(dá)主電子(RME)單元和波束切換單元(BRsA)組成。天線模塊包含4個(gè)波導(dǎo)縫隙天線。通過開關(guān)矩陣將分時(shí)復(fù)用的單一收發(fā)通道連接至4個(gè)天線,RDA系統(tǒng)組成如圖2所示。
圖2 RDA系統(tǒng)組成Fig.2 RDA system components
RDA在著陸器上的安裝布局示意如圖3所示:
圖3 RDA安裝布局示意Fig.3 RDA system configuration
RDA設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)由表2列出。
表2 RDA設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)Table 2 RDA key parameters
好奇號(hào)火星著陸雷達(dá)(Radar terminal descent sensor,TDS)是NASA/JPL為火星實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃專門設(shè)計(jì)的一部火星著陸雷達(dá),較NASA前期火星計(jì)劃采用的著陸雷達(dá)性能指標(biāo)更為先進(jìn)。在設(shè)計(jì)過程中,JPL好奇號(hào)著陸雷達(dá)設(shè)計(jì)人員充分繼承了海盜號(hào)、鳳凰號(hào)等設(shè)計(jì)方案,其最終優(yōu)化方案更接近海盜號(hào)著陸雷達(dá)設(shè)計(jì)[7-9]。
TDS提供獨(dú)立的6個(gè)波束進(jìn)行測(cè)距測(cè)速,其中3個(gè)波束高度線離軸角為20°,1個(gè)波束延高度線指向,其它兩個(gè)波束高度線離軸角為50°。雷達(dá)工作在Ka頻段,工作中心頻率35.75GHz,雷達(dá)著陸過程中工作約2分鐘,體制選擇為簡(jiǎn)單脈沖多普勒雷達(dá),工作距離范圍為3.5Km~10m,波束數(shù)據(jù)更新率50ms,110V直流供電,總重量35Kg。雷達(dá)實(shí)物如圖4所示。
好奇號(hào)著陸雷達(dá)任務(wù)要求技術(shù)參數(shù)如表3所示。
表3 好奇號(hào)著陸雷達(dá)參數(shù)Table 3 Curiosity landing radar key parameters
TDS由數(shù)字電子模塊(DEA)、數(shù)字電源配電器(DPDU)、RF電源配電器(RPDU)、頻綜(FSA)、上下變頻通道(UDA)、天線、前端濾波器組(FFA)、收發(fā)組件(TRM)、射頻功分器(RPDM)及射頻合路器(RPCM)組成,如圖5所示。
圖5 好奇號(hào)著陸雷達(dá)組成Fig.5 Curiosity landing radar components
洞察號(hào)(InSight)繼承鳳凰號(hào)(Phoenix)著陸器設(shè)計(jì)。鳳凰號(hào)著陸雷達(dá)在任務(wù)初期即秉承項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)節(jié)約低成本、選用貨架式著陸產(chǎn)品、采用分析建模方法進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證的指導(dǎo)原則,著陸雷達(dá)基于Honeywell公司生產(chǎn)的給高性能飛機(jī)使用的改進(jìn)HG9550高度計(jì)進(jìn)行適應(yīng)性修改。舍棄了天線與收發(fā)通道間的高速開關(guān)設(shè)計(jì),使得最小探測(cè)高度從40m下降至理論的0m;收發(fā)分置設(shè)計(jì)由原來4波束4個(gè)天線修改為8個(gè)天線。波束指向?yàn)槠x高度線30°安裝。
鳳凰號(hào)著陸雷達(dá)在著陸器離火面12Km處上電進(jìn)入待機(jī)模式,約60s后BIT雷達(dá)自檢狀態(tài)反饋,在7.2Km高度處雷達(dá)進(jìn)入單一高度測(cè)量模式并進(jìn)行目標(biāo)搜索,在2359m處雷達(dá)捕獲目標(biāo),1647m處進(jìn)入高度/速度測(cè)量模式,310m高度處雷達(dá)進(jìn)入精細(xì)多普勒模式,29m處雷達(dá)再次進(jìn)入單一高度測(cè)量模式,著陸后0.3s雷達(dá)關(guān)機(jī),具體工作模式切換見圖6。
圖6 洞察號(hào)著陸雷達(dá)工作模式切換Fig.6 InSight landing radar operation modes switching sequence
美國(guó)下一代著陸雷達(dá)(NGR)主要針對(duì)行星著陸應(yīng)用,全天候、全天時(shí)、穿透塵埃和羽塵探測(cè),滿足未來深空著陸應(yīng)用的高精度距離、速度測(cè)量和成像避障需求[10]。NGR工作在G頻段,中心頻率為160GHz。高頻段帶來的好處是同等波束寬度下天線面積更小,采用的器件體積小型化,具有優(yōu)異的測(cè)速能力和測(cè)速精度保證要求,易產(chǎn)生寬帶信號(hào)獲得高分辨成像功能,進(jìn)行測(cè)距、測(cè)速、成像避障一體化。NGR工作示意如圖7所示。
圖7 NGR工作示意圖Fig.7 NGR operation scenario
JPL 2004年提出G波段(160GHz)測(cè)速雷達(dá),具備小于0.1mps測(cè)速精度;成像雷達(dá)具備28°視場(chǎng)、小于0.5°分辨力的能力。其關(guān)鍵技術(shù)包括高頻段TR組件、信號(hào)激勵(lì)分配以及一維頻掃天線陣等技術(shù)。選擇工作頻率在160GHz,孔徑27cm,陣元尺寸4.5mm,滿陣需約4000個(gè)陣元。高頻段采用了頻掃天線技術(shù)。頻掃天線的優(yōu)勢(shì)是可以提供一維電掃而不需要移相器及時(shí)延模塊。系統(tǒng)總共需要64個(gè)波位,波束寬度0.45°來覆蓋28°的視場(chǎng)。帶寬500MHz獲得距離分辨。系統(tǒng)總帶寬為32GHz,相對(duì)帶寬為20%。一維采用頻掃,另一維移相器數(shù)目可減少至大約64個(gè)。表4給出了NGR設(shè)計(jì)參數(shù)。
表4 NGR設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 NGR key parameters
JPL在這之前也曾嘗試設(shè)計(jì)過Ka和W頻段測(cè)距測(cè)速成像多功能一體化著陸雷達(dá),下降著陸時(shí),微波雷達(dá)在7Km~9Km開始探測(cè)工作,300m~500m降落發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作,選擇安全著陸區(qū)域,15s~30s后落地,500m處允許水平移動(dòng)100m進(jìn)行避障。安全著陸允許障礙物高度小于1m,斜坡坡度小于30°。在高度1m處關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),高度5m處允許水平速度需小于1mps。因此,雷達(dá)作用距離為7Km~9Km,最近探測(cè)距離1m,高程誤差為10%,即10cm。500m處最大平移100m,則視場(chǎng)為±11.3°。采用跳頻進(jìn)行多視,同過二維稀疏陣設(shè)計(jì)減重。1GHz帶寬獲得15cm的垂直分辨率。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了精度可達(dá)到5cm~7cm。波束寬度7.7mrad,水平速度分量測(cè)量精度優(yōu)于4cmps,垂直分量精度優(yōu)于8cmps。Ka、W參數(shù)表如表5、表6所示。
表5 W頻段著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 5 W-band landing radar key parameters
表6 Ka頻段著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 6 Ka-band landing radar key parameters
自2004年中國(guó)正式開展月球探測(cè)工程以來,嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)分別于2013年和2019年初成功在月面著陸。嫦娥三號(hào)成功著陸標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第三個(gè)有能力獨(dú)立自主實(shí)施月球軟著陸的國(guó)家。嫦娥四號(hào)探測(cè)器自主著陸實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次月背軟著陸。2016年1月,中國(guó)正式批復(fù)首次火星探測(cè)任務(wù),計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視探測(cè)。2019年1月,國(guó)家航天局表示中國(guó)探月工程四期和深空探測(cè)工程全面拉開序幕,探月工程四期初步規(guī)劃包括四次探測(cè)任務(wù),第一次即為嫦娥四號(hào)任務(wù),已成功實(shí)施,其余分別為嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào),任務(wù)將在2030年前完成。
依據(jù)國(guó)內(nèi)深空著陸探測(cè)任務(wù)要求,航天五院西安分院承擔(dān)了已立項(xiàng)中國(guó)月球和火星探測(cè)微波著陸雷達(dá)型號(hào)任務(wù)。表7列出了國(guó)內(nèi)深空探測(cè)微波著陸雷達(dá)任務(wù)情況,其中嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)微波著陸雷達(dá)還未正式立項(xiàng)。
表7 國(guó)內(nèi)深空探測(cè)微波著陸雷達(dá)任務(wù)*注Table 7 Domestic landing radars for deep space missions
嫦娥著陸雷達(dá)為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕量小型化和較優(yōu)的測(cè)速精度,工作在Ka頻段,測(cè)量配備5個(gè)波束,其中兩個(gè)測(cè)距波束,3個(gè)測(cè)速波束。著陸雷達(dá)采用了連續(xù)波雷達(dá)體制,其優(yōu)點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)、測(cè)速精度高。嫦娥三號(hào)/四號(hào)著陸雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)在表8中列出。嫦娥5號(hào)/6號(hào)著陸雷達(dá)充分繼承和優(yōu)化了嫦娥三號(hào)/四號(hào)著陸雷達(dá),圍繞減重措施、系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕度和新的環(huán)境適應(yīng)要求,雷達(dá)整機(jī)重量較嫦娥3減小將近10Kg,功耗降低20W。
表8 嫦娥三號(hào)/四號(hào)著陸雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)Table 8 ChangE-3/4 landing radar key parameters
嫦娥系列微波著陸雷達(dá)的成功研制,突破了小型輕量化一體化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。毫米波測(cè)距測(cè)速著陸雷達(dá)在軌工作狀態(tài)良好,適用于月背崎嶇地形安全軟著陸。表9列出嫦娥著陸雷達(dá)與與國(guó)際同類產(chǎn)品對(duì)比表格,主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品,通過航天科技集團(tuán)公司鑒定,該型微波著陸雷達(dá)已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。
表9 嫦娥著陸雷達(dá)與國(guó)際同類產(chǎn)品對(duì)比Table 9 Comparison between ChangE-3/4 landing radars and foreign types
中國(guó)火星計(jì)劃裝載有微波著陸雷達(dá),著陸雷達(dá)繼承嫦娥系列著陸雷達(dá)設(shè)計(jì),具備多波束同時(shí)測(cè)距測(cè)速能力;火星計(jì)劃著陸雷達(dá)指標(biāo)如表10所示。
隨著電子技術(shù)發(fā)展,總結(jié)近20年著陸雷達(dá)發(fā)展,國(guó)外著陸雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)具備下述特點(diǎn):
(1)微波著陸雷達(dá)工作頻段逐步提升
從上世紀(jì)六七十年代俄美深空探測(cè)著陸雷達(dá)的X、Ku頻段,逐步被現(xiàn)有成熟的毫米波雷達(dá)取代,現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外微波著陸雷達(dá)幾乎全部工作在Ka頻段,工作頻率在35GHz左右;美國(guó)預(yù)研的NGR著陸雷達(dá)工作頻段更高,工作在G頻段(工作中心頻率為160GHz),期間也對(duì)W頻段著陸雷達(dá)進(jìn)行了充分研究。高頻段工作易于實(shí)現(xiàn)小體積、高增益、窄波束天線,降低發(fā)射功率要求;同樣相參積累時(shí)間,頻段越高,速度分辨率越高,有利于獲得高精度測(cè)速;高頻段也有利于實(shí)現(xiàn)距離大帶寬和微波射頻器件小型輕量化,易于測(cè)距、測(cè)速和高分辨成像一體化設(shè)計(jì)。美國(guó)NGR雷達(dá)Ka頻段需要1.3m口徑天線,提升至W頻段后,僅需要0.5m口徑天線。
(2)用戶需求牽引微波著陸雷達(dá)體制選擇
微波著陸雷達(dá)體制選擇與用戶任務(wù)需求關(guān)系密切。國(guó)內(nèi)外著陸雷達(dá)體制大部分采用脈沖多普勒體制或連續(xù)波+脈沖多普勒混合體制,后者優(yōu)勢(shì)是更有利于實(shí)現(xiàn)距離大動(dòng)態(tài)、高精度測(cè)距-測(cè)速應(yīng)用;三維速度測(cè)量多波束實(shí)現(xiàn)大部分采用分立多個(gè)子天線實(shí)現(xiàn),非外力損傷情況下不會(huì)失效,可靠性極高;收發(fā)天線分置還是收發(fā)共用由著陸器著陸方式?jīng)Q定的最近作用距離相關(guān),收發(fā)天線分置的型號(hào)有洞察號(hào)、鳳凰號(hào)、嫦娥系列以及火星計(jì)劃,收發(fā)天線共用型號(hào)有Exomars、好奇號(hào),收發(fā)天線分置理論上可做到0m最近探測(cè)距離,實(shí)際要求的最近作用距離不小于1m,收發(fā)共用天線典型最近作用距離為10m,如Exomars、好奇號(hào)及美國(guó)2020火星計(jì)劃。
(3)半物理仿真系統(tǒng)進(jìn)行著陸雷達(dá)系統(tǒng)驗(yàn)證節(jié)約研制成本成為主流
美國(guó)在鳳凰號(hào)著陸雷達(dá)在任務(wù)初期即提出采用半物理分析建模仿真系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證的指導(dǎo)原則,以節(jié)約研制成本;歐空局也專門為ExoMars著陸雷達(dá)研制建立了全套的半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái);嫦娥系列著陸雷達(dá)研制也采用半物理仿真系統(tǒng)、校飛試驗(yàn)結(jié)合的驗(yàn)證模式,對(duì)微波著陸雷達(dá)的功能、性能進(jìn)行全面測(cè)試。驗(yàn)證手段方法推廣應(yīng)用在眾多在研著陸雷達(dá)型號(hào)任務(wù)。
(4)測(cè)距測(cè)速成像避障一體化設(shè)計(jì)
下一代著陸雷達(dá)主要向多功能一體化發(fā)展,頻段向W、G頻段提升,采用稀布陣、頻率電掃減少陣元個(gè)數(shù),降低重量和成本;同時(shí)具備測(cè)距、測(cè)速和成像避障功能。
(5)著陸多傳感器融合處理趨勢(shì)明顯
美國(guó)JPL對(duì)多傳感器障礙探測(cè)和安全著陸區(qū)域選擇進(jìn)行了研究,通過雷達(dá)、相機(jī)和激光雷達(dá)多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)安全著陸區(qū)域選擇,選擇因素包括區(qū)域安全性、科學(xué)數(shù)據(jù)回波以及工程實(shí)現(xiàn)約束等。提出了一種新穎的分層融合方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)主被動(dòng)多傳感器融合,綜合考慮了低層次著陸區(qū)特征(斜度、粗糙度等)和高層次著陸區(qū)特征(山區(qū)、火山口等)在非確定性因素下進(jìn)行安全區(qū)域著陸選擇實(shí)現(xiàn)。
我國(guó)積極推進(jìn)月球、火星、小行星等取樣返回深空探測(cè)任務(wù),在各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)用戶大力支持和著陸器GNC分系統(tǒng)任務(wù)的創(chuàng)新牽引下,微波著陸雷達(dá)突破了小型輕量化一體化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),首次采用國(guó)產(chǎn)化毫米波發(fā)射接收技術(shù),推動(dòng)了毫米波MMIC、MCM設(shè)計(jì)及國(guó)產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展,促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,推動(dòng)了空間事業(yè)發(fā)展。隨著我國(guó)深空探測(cè)需求的逐步發(fā)展,著陸雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速和成像避障一體化技術(shù)將是未來需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。