月球軌道交會對接微波雷達系統設計

孫 武，賀中琴，姚元福，王一格

(北京遙感設備研究所，北京 100854)

0 引言

月球是地球的天然衛星，也是距離地球最近的天體，是人類開展深空探測的首選目標。第一次探月高潮始于1958年，止于1976年，以美、蘇兩國空間競賽為標志，其中俄羅斯完成了3次無人月球采樣返回，美國實現了6次載人登月。月球探測的再度興起是在20世紀90年代以后，主要航天國家紛紛啟動并實施了月球探測活動[1]。

2004年，中國正式開啟探月工程，又稱為“嫦娥工程”，計劃分為“繞、落、回”三個階段實施[2]。2020年12月17日1時59分，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內蒙古四子王旗預定區域安全著陸，探月工程嫦娥五號任務取得圓滿成功[3]。為了完成這次月球采樣返回任務，嫦娥五號實現了我國開展航天活動以來5個“首次”的突破：首次在月面自動采樣、首次從月面起飛、首次月球軌道無人交會對接、首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球、首次建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統[2]。其中，首次在距離地球38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接，無衛星導航信號支持，微波雷達是遠距離測量的唯一手段。同時，月球軌道交會對接過程中，地面測控支持能力受限，且受到對接機構大小的限制，對接精度的要求較高[4]。

月球軌道交會對接微波雷達在高精度測量的基礎上增加了通信功能，測量通信一體化是總體設計技術的關鍵，同時還需要解決小型化低功耗設計、月球軌道環境適應性設計、天地一致性性能驗證等技術難題。

1 雷達系統設計

1.1 測量通信一體化設計

月球軌道交會對接微波雷達系統采用二次測量雷達體制，由安裝在軌道器上的雷達和安裝在上升器上的應答機組成，系統組成框圖如圖1所示。

圖1 月球軌道交會對接微波雷達系統組成

雷達工作體制的選擇與具體的技術性能要求以及設備的復雜性等有關。從測距功能需求出發，工作體制可選擇：單脈沖體制、側音連續波體制或偽碼連續波體制；從測速功能需求出發，工作體制可選擇：微分測速或多普勒測速體制；從測角功能需求出發，工作體制可選擇：單脈沖測角或干涉儀測角體制；不同體制各有優缺點。

針對測量通信一體化功能需求，首次提出了一種集高速偽碼測距、雙程相干多普勒測速、相位干涉儀測角、擴頻通信于一體的交會對接微波雷達先進工作體制。

月球軌道交會對接微波雷達采用QPSK正交載波調制方式，即利用不含數據位的I支路偽碼進行載波跟蹤[5]、偽碼跟蹤從而實現測距、測速、測角功能，在Q支路偽碼上調制通信數據以完成通信功能，雷達發射的信號或應答機接收的信號為

Sup=Aup1·P1(t)·cos(2πfupt+φup)+

Aup2·P2(t)·Dup(t)·sin(2πfupt+φup)

(1)

式中：Aup1為雷達發射測量信號的幅度；P1(t)為雷達向應答機的發射的測量偽碼；fup為雷達發射/應答機接收信號頻率；φup為雷達發射信號的初始相位；Aup2為雷達發射通信信號的幅度；P2(t)為雷達向應答機的發射的通信偽碼；Dup(t)為雷達發射給應答機的上行數據流。

應答機轉發的信號或雷達接收的信號為

Sdown1=Adown1·P1(t)·cos(2πfdownt+φdown)+

Adown2·P2(t)·Ddown1(t)·

sin(2πfdownt+φdown)

(2)

式中：Adown1為應答機轉發測量信號的幅度；P1(t)為應答機向雷達轉發的測量偽碼；fdown為應答機發射/雷達接收信號頻率；φdown為應答機轉發信號的初始相位；Adown2為應答機轉發通信信號的幅度；P2(t)為應答機向雷達轉發的通信偽碼；Ddown(t)為應答機轉發下行數據流。

月球軌道交會對接微波雷達采用高速偽碼測距、雙程相干多普勒測速及相位干涉儀測角體制完成測量功能；通過數據調制與編碼完成擴頻通信功能；通過碼型設計優化解決了通信支路對測量支路影響的技術難題，并采用RS編譯碼技術進一步降低通信誤碼率；能夠在100 km內完成兩飛行器之間相對運動參數高精度測量的同時，實現兩飛行器間可靠雙向通信。

1.2 小型化低功耗設計

火箭的運載能力對嫦娥五號探測器的重量和功耗有嚴格的約束，根據任務需求，月球軌道交會對接微波雷達重量要求不大于11.26 kg，功耗要求不大于83 W，因此小型化、低功耗設計是月球軌道交會對接微波雷達工程實現的關鍵。

1) 小型化十字正交線陣天線設計

月球軌道交會對接微波雷達采用小型化十字正交線陣天線，圖2給出了其結構布局，它由兩個一維四元線陣天線組成，用一個四元線陣天線測量俯仰角，用另一個四元線陣天線測量方位角，從而在俯仰60°、方位60°二維空間內完成角度測量，省去伺服系統，有效降低系統重量和功耗。天線形狀設計為八角形，可以有效減重。

圖2 月球軌道交會對接微波雷達天線結構布局

圖2中R為測距測速接收天線，α1～α4為俯仰測角接收天線，β1～β4為方位測角接收天線，T為發射天線。月球軌道交會對接微波雷達天線采用波導實現，以提高空間環境的穩定性。在天線設計及測試過程中，通過在天線陣面間隙填充特殊吸波材料的方法，突破了多陣元間互耦、金屬面反射對角度測量性能影響的技術難題。

2) 多陣元測角通道合并設計

月球軌道交會對接微波雷達將部分射頻前端組件集成在雷達天線結構中，采用四選一波導開關實現多接收通道時分復用[6]，最大程度地實現了測角接收通道合并，相位穩定性得到有效保證，無需進行相位自校準，由此去除天線內部的校準網絡，測角通道射頻電纜數量由8根減少為2根。

3) 全數字相干轉發設計

將全數字相干轉發技術應用到月球軌道交會對接微波雷達中，使雷達接收到的應答機轉發信號與微波雷達自身參考源形成相干源，利用雙程相干多普勒完成速度測量；解決了傳統模擬轉發技術存在的轉發信噪比低、功耗大、可靠性低等難題。

4) 其他小型化、低功耗設計

月球軌道交會對接微波雷達對關鍵射頻元器件進行了小型化設計，盡量選用低功耗數字器件，同時進行多輪算法優化以進一步降低大規模邏輯器件的實際功耗；在結構設計方面，對關鍵結構件進行受力分析和優化設計，在保證結構強度和可靠性的前提下，最大限度地減小結構件本身的尺寸，并采用鎂鋁合金材料進一步減輕結構重量。

采取上述各項小型化低功耗設計措施后，月球軌道交會對接微波雷達重量小于10.5 kg，功耗小于80.6 W，相對國外同類交會對接微波雷達而言，小型化、低功耗優勢明顯。

1.3 月球軌道環境適應性設計

月球軌道交會對接微波雷達為提高月球空間環境下的工作可靠性，在傳統力、熱、真空等環境適應性設計基礎上，重點關注單粒子效應防護設計和抗月塵防護設計。

針對空間輻照應用環境，提出“軟硬結合”的全面抗單粒子翻轉設計技術，在采用抗輻照加固器件和看門狗復位電路的基礎上，采用軟件三模冗余結合配置信息部分重加載技術解決FPGA抗單粒子翻轉的技術難題，采用EDAC防護結合定時刷新技術解決DSP抗單粒子翻轉的技術難題。

在月球軌道交會對接任務中，微波應答機天線隨上升器降落月面，而月球表面存在肉眼難以看到的月塵。因此在設計時需考慮月塵對微波應答機天線可能造成的損害，設計中采用特殊材料給應答機天線設計了防塵罩，避免對微波雷達的測量功能和空空通信功能產生影響，并經過抗月塵試驗驗證，成功應用于我國首次月球軌道無人交會對接。

1.4 天地一致性性能驗證

月球軌道交會對接微波雷達提出并采用了高精度多傳感器相融合的交會對接微波雷達性能驗證技術，包括實驗室模擬飛行試驗、微波暗室試驗、直升機掛飛試驗等；同時針對月球軌道應用環境開展力、熱、真空、抗單粒子、抗月塵等環境適應性驗證，解決了天地一致性性能驗證的技術難題，確保了交會對接微波雷達在軌可靠工作。

1) 實驗室模擬飛行試驗

實驗室模擬飛行試驗利用模擬器產生不同信號條件、不同位置和不同姿態工況下的射頻模擬信號，全面考核月球軌道交會對接微波雷達距離、速度、角度和角速度的測量范圍和測量精度；對通信數據進行誤碼率分析，考核通信功能及性能；檢查微波雷達電氣接口、機械接口、熱接口是否符合技術要求。

2) 微波暗室試驗

微波暗室試驗利用高精度三軸轉臺實現角度和角速度測試范圍覆蓋，通過光學精測手段結合高精度轉臺的實時角度輸出結果以獲得高精度標校數據，全面考核月球軌道交會對接微波雷達角度和角速度的測量范圍和測量精度，驗證月球軌道交會對接微波雷達在開場閉環測試環境下的性能。

3) 直升機掛飛試驗

直升機掛飛試驗利用直升機掛飛平臺實現動態測距、測速以及作用距離范圍覆蓋，通過光學精測手段結合GPS和慣導標校平臺測量數據以獲得高精度標校數據，考核月球軌道交會對接微波雷達的作用距離以及高動態、遠距離工況下的搜索、捕獲功能和測距、測速精度和通信性能。

4) 鑒定級/驗收級環境試驗

依據環境試驗規范和環境試驗大綱開展力學試驗(包含加速度、沖擊、正弦、隨機振動)、熱試驗(包含熱真空、熱循環、高溫存儲、低溫存儲、老煉試驗)、空間環境試驗(包含紫外、輻照試驗等)、電磁兼容性試驗，全面考核月球軌道交會對接微波雷達的環境適應性。

5) 抗單粒子專項驗證試驗

月球軌道交會對接微波雷達在抗單粒子效應防護方面采取了一系列新的設計措施，為了驗證其性能，采用軟件故障注入的方法進行測試，通過合理設計測試工況，全面測試其抗單粒子翻轉的能力。

6) 抗月塵試驗

月球軌道交會對接微波雷達設計中采用特殊材料給應答機天線設計了防塵罩，避免對微波雷達的測量功能和空空通信功能產生影響。為了驗證月塵對應答機天線的影響，采用火山灰代替月塵進行試驗，通過揚塵測試、靜電吸附測試以及堆積覆蓋測試等驗證抗月塵設計的有效性。

1.5 系統技術特點

月球軌道交會對接微波雷達采用了集成化、數字化和軟件化的設計方法，在保證高性能指標的同時，大大降低了體積、重量、功耗并提高系統的可靠性，具有測量通信一體化、測量參數全、測量精度高、小型化低功耗、使用方便可靠等特點。

2 技術水平比較

2020年12月6日，月球軌道交會對接微波雷達隨嫦娥五號探測器完成我國首次月球軌道無人自動交會對接任務，實現了全程高精度多元信息測量及可靠雙向通信，有力保障了我國首次月球無人采樣返回任務的順利進行。

國外同類產品主要包括美國、前蘇聯以及歐洲的交會對接用微波雷達，按照產品的應用年代依據各項技術指標與我國月球軌道交會對接微波雷達性能指標形成對比[7]，鑒于掌握材料有限，有的微波雷達部分技術指標無法查證，故針對現有技術指標進行比對，詳見表1。

作為我國首部月球軌道交會對接微波雷達，與國內外同類產品相比，其工作體制先進，無伺服驅動機構，無需第三方導航數據，完全自主測量，搜索、捕獲、跟蹤空域大，測量參數全，測量精度高，系統使用方便；在具備相同功能以及同等精度的雷達產品中，綜合技術達到國際先進水平，其中測距、測角性能達到國際領先水平，在小型化、低功耗方面優勢明顯。

表1 國內外微波雷達產品性能指標對比

3 結束語

嫦娥五號任務作為我國復雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程，首次實現了我國地外天體采樣返回[3]。嫦娥五號任務的圓滿完成，標志著我國探月工程重大科技專項“繞、落、回”三步走發展戰略完美收官，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎[2]。

月球軌道交會對接微波雷達隨嫦娥五號探測器完成我國首次月球軌道無人自動交會對接任務，實現了全程高精度多元信息測量及可靠雙向通信，綜合技術達到國際先進水平，可應用于后續載人航天工程和深空探測任務，提升我國自動交會對接技術能力。另外，航天器的相對定位測量和通信是軍民兩用航天領域的關鍵技術，該項目的相關技術可拓展用于小衛星編隊飛行的隊形保持、衛星星座自主定軌等領域。