郭宇華，夏正歡，張 濤，趙志龍，石慧峰，岳富占，彭 濤

（1. 天地一體化信息技術國家重點實驗室； 2. 北京衛(wèi)星信息工程研究所：北京 100095）

0 引言

越來越多的空間碎片、失效航天器等太空垃圾給高價值衛(wèi)星的空間安全帶來威脅。為此，需要對空間非合作目標進行監(jiān)視與測量[1]。目前，空間目標探測基本可以分為地基探測和天基探測2 種途徑。我國的地基探測站大多分布在國內(nèi)，探測點和探測空域有限，不能實現(xiàn)對空間目標的全空域、全天時探測。而天基探測則可以擺脫此類限制，實現(xiàn)全空域空間目標的探測與跟蹤[2-5]。

天基空間目標探測是利用包括衛(wèi)星、飛船和空間站等天基平臺上的探測設備和探測期間對空間目標進行探測的方法，其中主要的探測設備包括光學望遠鏡、微波雷達和激光雷達等。光學設備進行探測時對光照條件有一定的要求，此外光學測量只能測角而難以高精度測距的限制增加了其對目標進行定位的難度。天基雷達通常搭載在衛(wèi)星平臺上，其特點是體積大、功耗高。其中激光雷達具有定位精度高、抗干擾能力強的特點，但目前空間大功率激光信號的產(chǎn)生與接收技術還不成熟，僅適合對中近距離空間目標的探測。天基雷達可以搭載于專用的觀測衛(wèi)星或者負責執(zhí)行其他任務的衛(wèi)星、飛船和空間站上，也可以采用小衛(wèi)星組網(wǎng)的方式搭載于多個小衛(wèi)星上，分布在所期望觀測的整個軌道層[6-9]。

目前國際上對空間目標實行天基觀測的雷達主要有：美國在國際空間站上搭載的專用空間目標監(jiān)視雷達；法國空間研究中心研制的小型衛(wèi)星群搭載的微波雷達；俄羅斯的毫米波相控陣雷達；加拿大的空間目標觀測雷達。我國于2000 年開始對天基雷達探測進行研究，并且提出了空間多波束測量雷達的思路，但是目前的雷達探測能力仍十分有限，需要對在軌測量系統(tǒng)進行深入研究[10-11]。

為對高價值航天器鄰域空間目標進行全時探測與跟蹤，本文提出基于伴隨微納衛(wèi)星的小型化相控陣雷達技術；分析不同波段雷達對大范圍空間目標搜索與精細跟蹤的性能，并綜合考慮系統(tǒng)復雜度與功耗等因素，最終選擇C 波段作為雷達工作頻段。下面詳細闡述小型化相控陣雷達的系統(tǒng)設計、目標搜索與跟蹤的信號處理方法、測距與測角誤差分析等。

1 雷達系統(tǒng)設計

1.1 工作波段選擇與分析

微納衛(wèi)星搭載的相控陣雷達需要同時滿足大范圍空間目標搜索與精細跟蹤等任務需求。根據(jù)搜索模式下的雷達方程可知，搜索性能取決于雷達的功率孔徑積，圖1 給出雷達的功率孔徑積為4 W·m2、1.5 s 內(nèi)搜索距離為25 km、空域覆蓋范圍為40°×40°時的信噪比（SNR）與RCS（雷達散射截面）關系曲線，可知X、C、S波段雷達的SNR 幾乎一致。根據(jù)目標跟蹤模式下的雷達方程可知，跟蹤性能取決于雷達的功率孔徑增益積，圖2 給出了相同雷達參數(shù)下，同時跟蹤3 個目標、目標跟蹤幀率為10 Hz 的SNR 與RCS 關系曲線，可以看出X 波段與C 波段雷達能基本滿足RCS 為0.5 m2以上目標的跟蹤SNR 要求（約20 dB）。

圖1 大范圍搜索模式下的SNR 與RCS 關系曲線Fig. 1 Relationship between SNR and RCS in large-scale search mode

圖2 目標跟蹤模式下的SNR 與RCS 關系曲線Fig. 2 Relationship between SNR and RCS in target tracking mode

對于相同口徑的X 波段與C 波段相控陣天線，X 波段天線陣元數(shù)更多；為了滿足同樣的空域搜索波束掃描能力，X 波段相控陣雷達的TR 組件數(shù)更多、結構更為復雜?？梢?，C 波段的TR 組件數(shù)相對較少、損耗較低，更容易滿足輕量化、低成本等設計要求。本文綜合考慮大范圍搜索、目標精細跟蹤、系統(tǒng)復雜度與成本等因素，最終選擇C 波段作為微納衛(wèi)星小型化相控陣雷達的工作波段。

1.2 雷達系統(tǒng)設計

本文提出的基于微納衛(wèi)星的小型相控陣雷達組成如圖3 所示，主要包括C 波段相控陣天線與電子學系統(tǒng)兩部分。C 波段相控陣天線包括100 個天線陣元與25 個TR 組件，每個TR 組件給2×2 的天線子陣進行饋電，每個TR 組件的發(fā)射信號峰值功率為10 W，信號占空比小于10%。相控陣天線可掃描覆蓋40°×40°空域范圍，實現(xiàn)大范圍空間的目標搜索。電子學系統(tǒng)主要包括信號發(fā)射器、中頻接收機、射頻電路、時鐘管理器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）與信號處理器等，其中，F(xiàn)PGA 主要完成系統(tǒng)的信號產(chǎn)生、回波接收、回波數(shù)據(jù)存儲等時序控制，信號處理器主要完成空間目標的檢測與參數(shù)估計等。相控陣雷達的主要參數(shù)如表1 所示。

圖3 相控陣雷達系統(tǒng)組成Fig. 3 The phased array radar system

表1 相控陣雷達主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the phased array radar

1.3 雷達工作模式

該相控陣雷達通過電掃描方式實現(xiàn)大范圍的空間目標搜索探測，根據(jù)天線波束寬度與搜索空域可知，相控陣天線在方位向與俯仰向分別掃描6 個波束；由于總搜索時間為1 s，則每個波束的駐留時間約為27.8 ms，如圖4 所示。搜索到目標后，調整波束對目標進行長時間跟蹤。為了滿足10 Hz 的跟蹤幀頻率需求，相比搜索模式下，相干積累時間為100 ms 時SNR 將提升5.5 dB。對于多個目標，為了保證SNR 要求，需要適當降低每個目標的跟蹤幀頻率，例如，若對3 個目標同時進行跟蹤，每個目標的跟蹤幀頻率約為3.3 Hz。此外，為了盡量縮小探測盲區(qū)，并降低信號之間的相互干擾，采用小時間帶寬積與時間帶寬積的時頻正交收發(fā)工作模式，其時序如圖5 所示。

圖4 目標搜索模式Fig. 4 Target search mode

圖5 目標搜索模式時序Fig. 5 Time sequence of the target search

2 信號處理流程

對高價值航天器鄰域空間目標進行全時探測與跟蹤，需要采取的步驟包括目標檢測、目標測量與目標跟蹤，流程如圖6 所示。在進行目標檢測時，首先進行測距分析，對目標回波進行距離向壓縮處理以及方位向FFT，然后進行恒虛警（CFAR）檢測。在進行目標方位測量時，首先進行波束掃描，再進行和差波束處理以及和差比幅度查找表查找，最終確定目標的位置。目標確定后開始進行目標跟蹤，即進行下一時間目標檢測（距離向壓縮、方位向FFT 和CFAR 檢測）以及目標軌跡關聯(lián)處理。

圖6 信號處理流程Fig. 6 The signal processing flowchart

3 實驗仿真

對C 波段雷達測距、測角誤差進行實驗仿真分析，包括測距精度分析和測角精度分析。假設衛(wèi)星和目標的幾何關系如圖7 所示，設衛(wèi)星的坐標為(104, 0, 0)，目標相對于衛(wèi)星的位置為(1.5×104,1.8×104, 1.5×104)、相對飛行速度為2 m/s。

圖7 衛(wèi)星與目標的幾何關系示意Fig. 7 The geometric relationship between the satellite and the target

3.1 測距精度

首先利用MATLAB 軟件對近距離（70～1000 m）目標探測進行仿真實驗，仿真參數(shù)見表2 所示。當目標與雷達相對距離為100 m 時，對接收到的原始回波（圖8(a)）進行距離向壓縮處理，結果如圖8(b)所示，從圖中橫坐標可以看出目標與衛(wèi)星的距離；然后進行方位向FFT，結果如圖9 所示。從點目標的距離與方位切片（圖10）可以看出，SNR 可以達到15 dB 以上。對目標進行500 次試驗，得到的測距均方根誤差都小于0.3 m，達到指標要求，如圖11 所示。

圖8 距離向壓縮處理Fig. 8 Range compressed data

圖9 方位向FFT 結果Fig. 9 FFT result in the azimuth

圖10 近距離目標點的距離和方位切片F(xiàn)ig. 10 Range and azimuth profiles of close range target

圖11 近距離目標測距的均方根誤差Fig. 11 RMS error of ranging of close range target

表2 近距離目標探測仿真試驗參數(shù)Table 2 Simulation parameters for close-range target detection

接著對遠距離（20～30 km）目標進行測距精度仿真實驗。以探測目標距離23 km 為例，對目標回波進行方位向FFT，結果如圖12 所示。從點目標的距離與方位切片（圖13）可以看出，SNR 可以達到10 dB 以上。對目標進行500 次試驗，得到的測距均方根誤差都小于0.4 m，達到指標要求，如圖14所示。

圖12 方位向FFT 結果Fig. 12 FFT result in the azimuth

圖13 遠距離目標點的距離和方位切片F(xiàn)ig. 13 Range and azimuth profiles of distant target

圖14 遠距離目標測距的均方根誤差Fig. 14 RMS error of ranging of distant target

3.2 測角精度

當發(fā)現(xiàn)目標時，我們需要對測角精度進行分析。以表3 所示的仿真參數(shù)對測角精度進行仿真分析。

表3 測角精度仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters of angle measurement

假設掃描波束方向如圖15 所示，波束寬度4.3°，掃描間隔4°，共15 個波束，覆蓋60°范圍。

圖15 掃描波束方向Fig. 15 Scanning wave number pattern

假定各波束的方向性函數(shù)完全相同，設為F(θ)，相鄰兩波束接收到的信號電壓振幅為E1、E2，則其和信號的振幅為E∑=|E1+E2|，差信號的振幅為EΔ=|E1-E2|。經(jīng)計算可以得到各個波束的差和比，圖16 給出部分相鄰波束的差和比。由圖可見，差和比在相應區(qū)間內(nèi)為近似線性的單調函數(shù)。

圖16 部分相鄰波束的差和比Fig. 16 Difference and ratio of part of the adjacent wave numbers

利用上述波束方向圖和表3 所示的仿真參數(shù)，對距離為15 km，方位角分別為-27°、-15°、0°、13°和25°的5 個點目標進行500 次重復測角仿真，5 個目標的距離壓縮信號如圖17 所示。

圖17 5 個目標的距離壓縮信號Fig. 17 Range compression signal of five targets

5 個目標的測角仿真分析結果如表4 所示，均方根誤差都＜0.031°。

表4 5 個目標的測角仿真分析結果Table 4 Simulation analysis results of angle measurement for five targets單位：(°)

4 結束語

本文針對空間目標的探測應用需求，提出基于伴隨微納衛(wèi)星的小型化相控陣雷達探測與測量技術，分析不同波段雷達對大范圍空域目標搜索與測量跟蹤的性能，綜合考慮系統(tǒng)復雜度與功耗等因素后選用C 波段雷達進行目標探測，并詳細闡述小型化相控陣雷達系統(tǒng)設計、遠近目標分時探測收發(fā)時序、目標搜索與測量的信號處理方法。仿真分析證明，該小型化相控陣雷達能對25 km 范圍內(nèi)的40°×40°的三維空間目標進行搜索與測量，實現(xiàn)0.4 m的測距精度與0.03°的測角精度，可以滿足空間目標大范圍搜索與跟蹤應用需求，為地基探測手段提供補充。