天基连续毫米波空间碎片探测雷达方案设想

2015-12-25尹建凤李志李怀锋林亲中国空间技术研究院

国际太空 2015年1期

尹建凤李志李怀锋林亲（中国空间技术研究院）

1 空间碎片的尺寸和分布特性

空间碎片是指除正常工作的航天器外所有在轨的人造物体，包括失效载荷、火箭残骸、操作性碎片、由爆炸和碰撞产生的残碎片、固体火箭的燃烧剩余物、核动力卫星泄露的冷却剂以及航天器老化而脱落的表面材料和组件等。据统计，目前已经有约6000t太空垃圾在绕地球飞速运转。目前能够编目跟踪的尺寸在10cm以上的空间碎片约有1.8万个，1～10cm以下的空间碎片据估计有70万个。

空间碎片主要分布在距离地面2000km高度以下的低地球轨道、20000km中地球轨道和36000km的地球静止轨道区域。根据对空间碎片已有数据和建模仿真分析结果，在低轨空间碎片分布中，1～10cm的空间碎片、大于10 c m的空间碎片在800 k m和1400km轨道上分布最为密集。根据美国航空航天局的统计目录，近地点1000km以下的碎片数量占空间碎片总数量的54%，近地点2000km以下占77%。而且，目前空间碎片数量以每年2%～5%的速度增加，进行编目管理的空间物体数量也以每年200多个的速度迅速增长。可见空间碎片的探测需求极为迫切，尤其是尺寸介于1～10cm的危险碎片，1cm是为保证航天器安全需要监测预警的最小空间碎片尺寸。

不同尺寸的空间碎片分类及特性

2 基于雷达的空间碎片探测手段概述

对于不同尺寸的空间碎片，可采用不同的观测手段进行探测。一般来说，大尺寸空间碎片探测主要依靠地基光电望远镜和地基雷达进行探测；中尺寸（危险）碎片可以通过天基手段（包括雷达或光学）进行探测，小尺寸空间碎片主要通过对在轨飞行过的航天器表面采样分析进行探测。本文主要对基于雷达的空间碎片探测手段进行介绍。

空间碎片探测途径分类

地基雷达空间碎片探测

地基雷达是目前空间碎片探测的主要手段。国外在空间碎片的地基雷达探测方面表现为两种思路：一是对较大目标的跟踪与编目，一般采用由多部大型相控阵雷达、电子篱笆和机械跟踪雷达等组成的传感器网来实现，其典型代表是美国的空间监视网（SSN）和俄罗斯的空间监视系统（SSS）。这种探测方式的优点是可获取目标的详细信息，包括轨道根数、姿态、尺寸、形状、轨道寿命、弹道系数、质量、材料属性、雷达散射截面积（RCS）等。

美国空间监视网的地基雷达（相控阵雷达）和光学传感器/望远镜（深空和近地）分布在全世界20个站点，其中北美的“太空篱笆”（Space Fence）久负盛名。当前，利用空间监视网的观测数据，对尺寸大于10cm的低轨目标以及尺寸超过30cm的地球同步轨道目标进行了完善的编目。

俄罗斯的空间监视系统包括“沃罗涅日”DM远程导弹预警雷达等组成的雷达探测网、“天窗”系统等组成的光学探测网和空间监视中心（SSC）。由于布站位置的限制，空间监视系统雷达对小倾角轨道和大偏心率轨道目标的观测能力有限，对低轨50cm以上目标的编目能力与空间监视网基本一致，但对10～50cm目标的编目不如后者完备。不过，俄罗斯在利用光电望远镜进行空间目标监视方面水平很高，某些方面超过了美国。另一种是对无法跟踪的中小尺寸碎片的统计采样，一般利用窄波束雷达，如美国的Haystack-HAX、Goldstone和Cobra Dane雷达、德国的TIRA雷达等。采用这种方式可获得碎片数量随轨道高度、倾角和尺寸的分布等信息。

典型空间碎片探测雷达系统主要参数

电磁篱笆是一种收发分置的地基雷达，是目前性价比较高的空间碎片监测设备，电磁篱笆中雷达天线发出的电磁波不是一条细细的波束，而是一个薄薄的面。空间目标穿越时，反射雷达的电磁波由接收机接收，将前后几次穿越的数据集合起来就能确定目标的轨道。电磁篱笆根据空间目标的轨道特性设计，一般在东西向的波束宽度非常宽，而在南北向的波束宽度很窄。

美国电磁篱笆由3个发射站和6个接收站组成，空域监视屏布局选择在33°（N），经度范围为77.5°（W）～120°（W），设计的威力范围轨道高度可以达到24000km。美国的电磁篱笆建设年代较早，它的布局设计充分利用了美国本土范围宽广的地理优势，探测范围大；但它的屏很薄，不能测量多普勒频移，至少3次穿越才能定轨，定轨效率不高。因此，美国正在进行电磁篱笆的改造升级，计划将原来中间的VHF频段的屏保留，将两边的屏升级改造为S频段，并将在澳大利亚和南大西洋各增加一个站点，进一步提高地基监视系统对整个空域的覆盖率。升级后的电磁篱笆系统被称为“太空篱笆”。

“太空篱笆”概念图

天基雷达监测是目前空间目标监测的发展方向之一，目前已有报道的空间碎片天基雷达观测系统包括美国在“国际空间站”上搭载的用于监视轨道目标的雷达、法国国家空间研究中心小卫星群上的微波雷达、俄罗斯的毫米波相控阵雷达、加拿大的空间目标监测雷达，以及欧洲航天局研制的太空目标跟踪相控阵雷达等。

美国改造升级后的电磁篱笆波段示意图

美国曾深入论证过的在“国际空间站”上搭载、用于监视轨道上危险目标的雷达包括两种：一个是德州农工（A&M）大学负责的Ka频段毫米波雷达，此雷达系统装载在空间站或接近空间站的平台上，先由红外探测系统提供目标的原始位置信息，然后采用各种先进技术，包括相控阵、单脉冲跟踪、脉冲压缩、高功率发射机、低噪声接收机、脉冲积累信号处理等技术，完成距离空间站最大25km处的4mm～8cm空间目标的跟踪与预测，并给美国航空航天局提供碰撞和预警信息；另一个是约翰逊航天中心与洛克菲勒工程科学公司合作的Ku频段天基雷达，该系统利用地面雷达站（2～3个）提供低轨直径2～10cm目标的轨道预测信息，采用固定电子波束，在预测位置探测穿越轨道面的空间目标，提供目标穿越轨道面的时间、目标俯仰角、目标距离以及距离变化率，这些信息被传送到地面站，经地面大于30dB的处理增益，得到直径大于2cm、距离400km处的空间目标的最新精确轨道信息，判断碰撞的可能性，然后给空间站发送机动规避信息。

俄罗斯的Vympel公司开展了探测小尺寸（毫米级）空间目标的低功耗天基雷达的概念研究，工作于95GHz，雷达采用7单元天线组成的相控阵阵列天线，每个扫描扇区的波束宽度为4mrad，天线扫描扇区与平台轨道垂直。

加拿大Davion系统有限公司开展了空间目标探测器的概念研究。该探测器可以放在航天器上作为其组成部分，或在航天器附近作为一个独立飞行体运行。该探测器可以建立交叉轨道上目标的数据库，由此数据库可以预测可能产生的碰撞。采用一个静止的波束矩阵，波束按车轮的轮辐排列，波束形状为扇形，波束在垂直于车轮面的俯仰角很宽，在平行于车轮面的方位角很窄。空间目标至少穿越两个波束，从穿越波束的两次回波中可以推导出径向速度和穿越两个波束的间隔时间，由此可以推算出目标穿越波束时的位置和速度。

通过对已有报道的天基空间碎片观测雷达系统可知，该类系统大都工作于毫米波段。事实上，由于外层空间不存在大气对毫米波的吸收效应，天基空间碎片观测雷达特别适合工作在毫米波段。毫米波段雷达波长较短，易于观测尺寸较小的空间碎片，容易实现较高的测量精度，而且容易以较小的体积和质量实现，适用于天基平台。然而，由于天基空间碎片观测雷达系统调度与标校、碎片观测资料与编目库的关联等问题较难解决，目前还未见明确报道已获得应用的天基空间碎片观测雷达系统。

3 小型连续毫米波空间碎片探测雷达初步方案设想

天基毫米波空间碎片探测雷达需求

如前所述，天基毫米波雷达是小的空间碎片探测的一种重要手段，如何在质量、功耗、体积有限的搭载平台上实现高分辨率、高灵敏度的毫米波雷达，成为天基探测关键技术之一。据统计，低轨道的危险碎片数量最多，主要存在于800km和1400km的轨道高度，这对正常在轨运行的卫星是很大的威胁。对位于低轨道的高价值卫星，为避免受到1～10cm空间碎片的碰撞带来的巨大损失，可在其上搭载小型毫米波空间碎片探测雷达，实现对其周围主要碎片来源方向的全天时、全天候探测，为卫星提供相应的预警规避信息。

通过对低轨卫星与空间碎片的相对运动分析，得出可能与低轨卫星相遇的空间碎片的到达方位角范围主要在迎风面及其左右两侧，暂时取垂直于轨道面内以卫星飞行方向为轴两侧各45°的范围，而俯仰角（即沿轨道半长轴的方向）的范围则较小。对于这样的探测范围，可采用同时多波束天线，并利用波束时分扫描的方式覆盖整个观测区。

雷达体制选择及主要参数分析

利用天基雷达对空间碎片探测，可采用脉冲多普勒体制或连续波体制，这两种体制的速度测量和角度测量原理相同，即都是采用多普勒测速、单脉冲测角原理，它们的距离测量原理不同，脉冲体制的雷达是利用回波信号的时延实现距离测量，连续波雷达是利用回波信号与发射信号的相位差实现距离测量。对连续波雷达，为了解决测距模糊问题，一般要设置多频或双频信号进行解模糊，将增加收发系统的复杂度。但总体而言，与脉冲体制雷达相比，连续波体制雷达具有体积小、质量轻、峰值功率低、探测目标无盲区，速度测量精度高等优点，适合于天基平台的空间小碎片探测，因此建议选用多频连续波雷达实现目标探测。

（1）工作频率选择

假设探测对象的尺寸是8cm，为了使雷达工作在光学区获得更大的目标雷达散射截面积，应该采用较高的工作频率（波长应小于1.5cm），目前在这个频率范围内，选用35GHz的雷达或通信系统较多，这个频率微波器件的技术成熟度相对较高，因此空间碎片探测雷达的中心频率也选择在35GHz。

（2）采样率分析

考虑到在低轨情况下，空间碎片与航天器之间的最大相对速度可达15km/s，因此，为了保证对进入和离开雷达波束的目标不产生速度模糊，采样率必须不小于最大多普勒频率的2倍，再考虑一定余量，最大采样率按8MHz设计。

（3）发射信号波形分析

为了获得探测距离范围内无模糊高精度测距，需要根据所采取的测距方案对发射波形进行设计。本文中的雷达测距采用多频连续波雷达测距中的二次频差法测距，经过分析，需要设置以下5种一次频差、4种二次频差，其中频差增大倍数N=4，考虑一定的余量，不模糊距离按15km设计，所选取的一次和二次频差如下表所示。

连续波测距的双频频差设计

由于每组双频信号工作一段时间，要几个工作周期才能获得无模糊高精度测距结果，这将使得系统的实时性下降，一方面可采取缩短单组信号工作周期的方法，另一方面可以对稍短（少数周期）时间内的目标回波进行处理。

天线和发射机形式分析

由于要求的方位和俯仰探测范围较宽，同时为了兼顾天线增益，天线瞬时波束不可能做得很大，因此需要采用具有二维扫描能力的天线，有源毫米波相控阵天线较为合适。天线形式为正方形阵列，由于采用连续波体制雷达，收发分置，发射天线和接受天线的面积相等，发射天线全孔径发射，接收天线分为4个子孔径，形成4个信号，由和差器对这4个信号进行矢量加减，分别获得和支路信号、俯仰差支路信号、方位差支路信号，其中和支路信号等效于全孔径接收用于实现目标的探测、测距和测速，俯仰差支路和方位差支路信号用于进行角度测量。另外，由于空间碎片和探测雷达平台的相对速度较快，对其进行跟踪的难度较大、意义也不大，因此不建议天线对目标进行跟踪，利用目标在天线波束内的时间进行积累探测。

近年Ka频段的功率放大器得到快速发展，利用功率合成和空间合成技术，固态功率放大器的功率已达到百瓦量级，但其效率仅有百分之十几，其空间应用还有一定的差距。与之相比较，空间行波管的效率已达到50%，输出功率也较大，因此现阶段可考虑使用高效空间行波管放大器。对于功率要求不高的情况，也可以采用固态放大器。