天基連續(xù)毫米波空間碎片探測雷達(dá)方案設(shè)想

尹建鳳 李志 李懷鋒 林親（中國空間技術(shù)研究院）

1 空間碎片的尺寸和分布特性

空間碎片是指除正常工作的航天器外所有在軌的人造物體，包括失效載荷、火箭殘骸、操作性碎片、由爆炸和碰撞產(chǎn)生的殘碎片、固體火箭的燃燒剩余物、核動力衛(wèi)星泄露的冷卻劑以及航天器老化而脫落的表面材料和組件等。據(jù)統(tǒng)計，目前已經(jīng)有約6000t太空垃圾在繞地球飛速運轉(zhuǎn)。目前能夠編目跟蹤的尺寸在10cm以上的空間碎片約有1.8萬個，1～10cm以下的空間碎片據(jù)估計有70萬個。

空間碎片主要分布在距離地面2000km高度以下的低地球軌道、20000km中地球軌道和36000km的地球靜止軌道區(qū)域。根據(jù)對空間碎片已有數(shù)據(jù)和建模仿真分析結(jié)果，在低軌空間碎片分布中，1～10cm的空間碎片、大于10 c m的空間碎片在800 k m和1400km軌道上分布最為密集。根據(jù)美國航空航天局的統(tǒng)計目錄，近地點1000km以下的碎片數(shù)量占空間碎片總數(shù)量的54%，近地點2000km以下占77%。而且，目前空間碎片數(shù)量以每年2%～5%的速度增加，進(jìn)行編目管理的空間物體數(shù)量也以每年200多個的速度迅速增長。可見空間碎片的探測需求極為迫切，尤其是尺寸介于1～10cm的危險碎片，1cm是為保證航天器安全需要監(jiān)測預(yù)警的最小空間碎片尺寸。

不同尺寸的空間碎片分類及特性

2 基于雷達(dá)的空間碎片探測手段概述

對于不同尺寸的空間碎片，可采用不同的觀測手段進(jìn)行探測。一般來說，大尺寸空間碎片探測主要依靠地基光電望遠(yuǎn)鏡和地基雷達(dá)進(jìn)行探測；中尺寸（危險）碎片可以通過天基手段（包括雷達(dá)或光學(xué)）進(jìn)行探測，小尺寸空間碎片主要通過對在軌飛行過的航天器表面采樣分析進(jìn)行探測。本文主要對基于雷達(dá)的空間碎片探測手段進(jìn)行介紹。

空間碎片探測途徑分類

地基雷達(dá)空間碎片探測

地基雷達(dá)是目前空間碎片探測的主要手段。國外在空間碎片的地基雷達(dá)探測方面表現(xiàn)為兩種思路：一是對較大目標(biāo)的跟蹤與編目，一般采用由多部大型相控陣?yán)走_(dá)、電子籬笆和機械跟蹤雷達(dá)等組成的傳感器網(wǎng)來實現(xiàn)，其典型代表是美國的空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）和俄羅斯的空間監(jiān)視系統(tǒng)（SSS）。這種探測方式的優(yōu)點是可獲取目標(biāo)的詳細(xì)信息，包括軌道根數(shù)、姿態(tài)、尺寸、形狀、軌道壽命、彈道系數(shù)、質(zhì)量、材料屬性、雷達(dá)散射截面積（RCS）等。

美國空間監(jiān)視網(wǎng)的地基雷達(dá)（相控陣?yán)走_(dá)）和光學(xué)傳感器/望遠(yuǎn)鏡（深空和近地）分布在全世界20個站點，其中北美的“太空籬笆”（Space Fence）久負(fù)盛名。當(dāng)前，利用空間監(jiān)視網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，對尺寸大于10cm的低軌目標(biāo)以及尺寸超過30cm的地球同步軌道目標(biāo)進(jìn)行了完善的編目。

俄羅斯的空間監(jiān)視系統(tǒng)包括“沃羅涅日”DM遠(yuǎn)程導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)等組成的雷達(dá)探測網(wǎng)、“天窗”系統(tǒng)等組成的光學(xué)探測網(wǎng)和空間監(jiān)視中心（SSC）。由于布站位置的限制，空間監(jiān)視系統(tǒng)雷達(dá)對小傾角軌道和大偏心率軌道目標(biāo)的觀測能力有限，對低軌50cm以上目標(biāo)的編目能力與空間監(jiān)視網(wǎng)基本一致，但對10～50cm目標(biāo)的編目不如后者完備。不過，俄羅斯在利用光電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間目標(biāo)監(jiān)視方面水平很高，某些方面超過了美國。另一種是對無法跟蹤的中小尺寸碎片的統(tǒng)計采樣，一般利用窄波束雷達(dá)，如美國的Haystack-HAX、Goldstone和Cobra Dane雷達(dá)、德國的TIRA雷達(dá)等。采用這種方式可獲得碎片數(shù)量隨軌道高度、傾角和尺寸的分布等信息。

典型空間碎片探測雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)

電磁籬笆是一種收發(fā)分置的地基雷達(dá)，是目前性價比較高的空間碎片監(jiān)測設(shè)備，電磁籬笆中雷達(dá)天線發(fā)出的電磁波不是一條細(xì)細(xì)的波束，而是一個薄薄的面。空間目標(biāo)穿越時，反射雷達(dá)的電磁波由接收機接收，將前后幾次穿越的數(shù)據(jù)集合起來就能確定目標(biāo)的軌道。電磁籬笆根據(jù)空間目標(biāo)的軌道特性設(shè)計，一般在東西向的波束寬度非常寬，而在南北向的波束寬度很窄。

美國電磁籬笆由3個發(fā)射站和6個接收站組成，空域監(jiān)視屏布局選擇在33°（N），經(jīng)度范圍為77.5°（W）～120°（W），設(shè)計的威力范圍軌道高度可以達(dá)到24000km。美國的電磁籬笆建設(shè)年代較早，它的布局設(shè)計充分利用了美國本土范圍寬廣的地理優(yōu)勢，探測范圍大；但它的屏很薄，不能測量多普勒頻移，至少3次穿越才能定軌，定軌效率不高。因此，美國正在進(jìn)行電磁籬笆的改造升級，計劃將原來中間的VHF頻段的屏保留，將兩邊的屏升級改造為S頻段，并將在澳大利亞和南大西洋各增加一個站點，進(jìn)一步提高地基監(jiān)視系統(tǒng)對整個空域的覆蓋率。升級后的電磁籬笆系統(tǒng)被稱為“太空籬笆”。

“太空籬笆”概念圖

天基雷達(dá)監(jiān)測是目前空間目標(biāo)監(jiān)測的發(fā)展方向之一，目前已有報道的空間碎片天基雷達(dá)觀測系統(tǒng)包括美國在“國際空間站”上搭載的用于監(jiān)視軌道目標(biāo)的雷達(dá)、法國國家空間研究中心小衛(wèi)星群上的微波雷達(dá)、俄羅斯的毫米波相控陣?yán)走_(dá)、加拿大的空間目標(biāo)監(jiān)測雷達(dá)，以及歐洲航天局研制的太空目標(biāo)跟蹤相控陣?yán)走_(dá)等。

美國改造升級后的電磁籬笆波段示意圖

美國曾深入論證過的在“國際空間站”上搭載、用于監(jiān)視軌道上危險目標(biāo)的雷達(dá)包括兩種：一個是德州農(nóng)工（A&M）大學(xué)負(fù)責(zé)的Ka頻段毫米波雷達(dá)，此雷達(dá)系統(tǒng)裝載在空間站或接近空間站的平臺上，先由紅外探測系統(tǒng)提供目標(biāo)的原始位置信息，然后采用各種先進(jìn)技術(shù)，包括相控陣、單脈沖跟蹤、脈沖壓縮、高功率發(fā)射機、低噪聲接收機、脈沖積累信號處理等技術(shù)，完成距離空間站最大25km處的4mm～8cm空間目標(biāo)的跟蹤與預(yù)測，并給美國航空航天局提供碰撞和預(yù)警信息；另一個是約翰遜航天中心與洛克菲勒工程科學(xué)公司合作的Ku頻段天基雷達(dá)，該系統(tǒng)利用地面雷達(dá)站（2～3個）提供低軌直徑2～10cm目標(biāo)的軌道預(yù)測信息，采用固定電子波束，在預(yù)測位置探測穿越軌道面的空間目標(biāo)，提供目標(biāo)穿越軌道面的時間、目標(biāo)俯仰角、目標(biāo)距離以及距離變化率，這些信息被傳送到地面站，經(jīng)地面大于30dB的處理增益，得到直徑大于2cm、距離400km處的空間目標(biāo)的最新精確軌道信息，判斷碰撞的可能性，然后給空間站發(fā)送機動規(guī)避信息。

俄羅斯的Vympel公司開展了探測小尺寸（毫米級）空間目標(biāo)的低功耗天基雷達(dá)的概念研究，工作于95GHz，雷達(dá)采用7單元天線組成的相控陣陣列天線，每個掃描扇區(qū)的波束寬度為4mrad，天線掃描扇區(qū)與平臺軌道垂直。

加拿大Davion系統(tǒng)有限公司開展了空間目標(biāo)探測器的概念研究。該探測器可以放在航天器上作為其組成部分，或在航天器附近作為一個獨立飛行體運行。該探測器可以建立交叉軌道上目標(biāo)的數(shù)據(jù)庫，由此數(shù)據(jù)庫可以預(yù)測可能產(chǎn)生的碰撞。采用一個靜止的波束矩陣，波束按車輪的輪輻排列，波束形狀為扇形，波束在垂直于車輪面的俯仰角很寬，在平行于車輪面的方位角很窄。空間目標(biāo)至少穿越兩個波束，從穿越波束的兩次回波中可以推導(dǎo)出徑向速度和穿越兩個波束的間隔時間，由此可以推算出目標(biāo)穿越波束時的位置和速度。

通過對已有報道的天基空間碎片觀測雷達(dá)系統(tǒng)可知，該類系統(tǒng)大都工作于毫米波段。事實上，由于外層空間不存在大氣對毫米波的吸收效應(yīng)，天基空間碎片觀測雷達(dá)特別適合工作在毫米波段。毫米波段雷達(dá)波長較短，易于觀測尺寸較小的空間碎片，容易實現(xiàn)較高的測量精度，而且容易以較小的體積和質(zhì)量實現(xiàn)，適用于天基平臺。然而，由于天基空間碎片觀測雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)度與標(biāo)校、碎片觀測資料與編目庫的關(guān)聯(lián)等問題較難解決，目前還未見明確報道已獲得應(yīng)用的天基空間碎片觀測雷達(dá)系統(tǒng)。

3 小型連續(xù)毫米波空間碎片探測雷達(dá)初步方案設(shè)想

天基毫米波空間碎片探測雷達(dá)需求

如前所述，天基毫米波雷達(dá)是小的空間碎片探測的一種重要手段，如何在質(zhì)量、功耗、體積有限的搭載平臺上實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度的毫米波雷達(dá)，成為天基探測關(guān)鍵技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，低軌道的危險碎片數(shù)量最多，主要存在于800km和1400km的軌道高度，這對正常在軌運行的衛(wèi)星是很大的威脅。對位于低軌道的高價值衛(wèi)星，為避免受到1～10cm空間碎片的碰撞帶來的巨大損失，可在其上搭載小型毫米波空間碎片探測雷達(dá)，實現(xiàn)對其周圍主要碎片來源方向的全天時、全天候探測，為衛(wèi)星提供相應(yīng)的預(yù)警規(guī)避信息。

通過對低軌衛(wèi)星與空間碎片的相對運動分析，得出可能與低軌衛(wèi)星相遇的空間碎片的到達(dá)方位角范圍主要在迎風(fēng)面及其左右兩側(cè)，暫時取垂直于軌道面內(nèi)以衛(wèi)星飛行方向為軸兩側(cè)各45°的范圍，而俯仰角（即沿軌道半長軸的方向）的范圍則較小。對于這樣的探測范圍，可采用同時多波束天線，并利用波束時分掃描的方式覆蓋整個觀測區(qū)。

雷達(dá)體制選擇及主要參數(shù)分析

利用天基雷達(dá)對空間碎片探測，可采用脈沖多普勒體制或連續(xù)波體制，這兩種體制的速度測量和角度測量原理相同，即都是采用多普勒測速、單脈沖測角原理，它們的距離測量原理不同，脈沖體制的雷達(dá)是利用回波信號的時延實現(xiàn)距離測量，連續(xù)波雷達(dá)是利用回波信號與發(fā)射信號的相位差實現(xiàn)距離測量。對連續(xù)波雷達(dá)，為了解決測距模糊問題，一般要設(shè)置多頻或雙頻信號進(jìn)行解模糊，將增加收發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜度。但總體而言，與脈沖體制雷達(dá)相比，連續(xù)波體制雷達(dá)具有體積小、質(zhì)量輕、峰值功率低、探測目標(biāo)無盲區(qū)，速度測量精度高等優(yōu)點，適合于天基平臺的空間小碎片探測，因此建議選用多頻連續(xù)波雷達(dá)實現(xiàn)目標(biāo)探測。

（1）工作頻率選擇

假設(shè)探測對象的尺寸是8cm，為了使雷達(dá)工作在光學(xué)區(qū)獲得更大的目標(biāo)雷達(dá)散射截面積，應(yīng)該采用較高的工作頻率（波長應(yīng)小于1.5cm），目前在這個頻率范圍內(nèi)，選用35GHz的雷達(dá)或通信系統(tǒng)較多，這個頻率微波器件的技術(shù)成熟度相對較高，因此空間碎片探測雷達(dá)的中心頻率也選擇在35GHz。

（2）采樣率分析

考慮到在低軌情況下，空間碎片與航天器之間的最大相對速度可達(dá)15km/s，因此，為了保證對進(jìn)入和離開雷達(dá)波束的目標(biāo)不產(chǎn)生速度模糊，采樣率必須不小于最大多普勒頻率的2倍，再考慮一定余量，最大采樣率按8MHz設(shè)計。

（3）發(fā)射信號波形分析

為了獲得探測距離范圍內(nèi)無模糊高精度測距，需要根據(jù)所采取的測距方案對發(fā)射波形進(jìn)行設(shè)計。本文中的雷達(dá)測距采用多頻連續(xù)波雷達(dá)測距中的二次頻差法測距，經(jīng)過分析，需要設(shè)置以下5種一次頻差、4種二次頻差，其中頻差增大倍數(shù)N=4，考慮一定的余量，不模糊距離按15km設(shè)計，所選取的一次和二次頻差如下表所示。

連續(xù)波測距的雙頻頻差設(shè)計

由于每組雙頻信號工作一段時間，要幾個工作周期才能獲得無模糊高精度測距結(jié)果，這將使得系統(tǒng)的實時性下降，一方面可采取縮短單組信號工作周期的方法，另一方面可以對稍短（少數(shù)周期）時間內(nèi)的目標(biāo)回波進(jìn)行處理。

天線和發(fā)射機形式分析

由于要求的方位和俯仰探測范圍較寬，同時為了兼顧天線增益，天線瞬時波束不可能做得很大，因此需要采用具有二維掃描能力的天線，有源毫米波相控陣天線較為合適。天線形式為正方形陣列，由于采用連續(xù)波體制雷達(dá)，收發(fā)分置，發(fā)射天線和接受天線的面積相等，發(fā)射天線全孔徑發(fā)射，接收天線分為4個子孔徑，形成4個信號，由和差器對這4個信號進(jìn)行矢量加減，分別獲得和支路信號、俯仰差支路信號、方位差支路信號，其中和支路信號等效于全孔徑接收用于實現(xiàn)目標(biāo)的探測、測距和測速，俯仰差支路和方位差支路信號用于進(jìn)行角度測量。另外，由于空間碎片和探測雷達(dá)平臺的相對速度較快，對其進(jìn)行跟蹤的難度較大、意義也不大，因此不建議天線對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，利用目標(biāo)在天線波束內(nèi)的時間進(jìn)行積累探測。

近年Ka頻段的功率放大器得到快速發(fā)展，利用功率合成和空間合成技術(shù)，固態(tài)功率放大器的功率已達(dá)到百瓦量級，但其效率僅有百分之十幾，其空間應(yīng)用還有一定的差距。與之相比較，空間行波管的效率已達(dá)到50%，輸出功率也較大，因此現(xiàn)階段可考慮使用高效空間行波管放大器。對于功率要求不高的情況，也可以采用固態(tài)放大器。

連續(xù)毫米波碎片探測有源相控陣天線示意圖

探測能力分析

（1）探測距離分析

假設(shè)連續(xù)毫米波雷達(dá)探測系統(tǒng)的參數(shù)已設(shè)定（如連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)表所示），則對不同尺寸的空間碎片（等效為圓盤，從其法向方向入射的情況下）的探測距離存在不同，見空間碎片直徑和探測距離對比分析表。

連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

空間碎片直徑和探測距離對比分析表

（2）探測精度分析

通過設(shè)置一定的仿真條件（距離10km處檢測信噪比為18dB），針對所設(shè)計的頻率波形進(jìn)行仿真，得到不同距離處和不同信噪比時的測距精度變化曲線。

不同信噪比對測距精度的影響

不同距離處的測距精度

通過演算，可得隨機測速誤差為0.02m/s，同時考慮一定的系統(tǒng)誤差，連續(xù)波雷達(dá)的測速精度應(yīng)不低于0.05m/s。隨機誤差導(dǎo)致的單脈沖測角精度約為0.1°。