利用“天籁”暗能量观测阵列开展空间目标探测新技术试验

刘 成，施浒立，陈学雷

(1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京100094；2. 中国科学院国家天文台，北京100190)

利用“天籁”暗能量观测阵列开展空间目标探测新技术试验

刘 成1，施浒立2，陈学雷2

(1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京100094；2. 中国科学院国家天文台，北京100190)

提出一种用于开展空间目标探测的大视场、多波束射电观测手段。通过柱形天线阵列，在特定方向获得大张角均匀巡天视场，实现对大空域范围的连续监视；基于综合孔径天图成像，实现对批量空间目标的实时捕获；利用小口径碟形天线之间的优化干涉组合，通过数字波束合成实现多目标精确跟踪测量。配合软件去噪与阵列定标校准手段，进一步提高微弱目标信号提取认证能力，降低系统功率与增益要求。提出利用具有相似阵列结构的“天籁”暗能量观测系统开展关键技术试验，以缩短研究周期、减少科研成本。从作用距离、信号特征、探测时间等方面对试验可行性进行了分析，结果表明“天籁”阵列具备支撑相关新技术试验的能力。

空间目标探测；射电天文；干涉阵列；综合孔径成像；数字多波束；软件去噪；暗能量

0 引 言

目前，直径大于10 cm、地面望远镜和雷达可观测到的空间目标总数超过10000个，并以平均每年约200个的速度增长；直径大于1 mm、天基探测器能够观测到的空间目标达3500万个以上[1-3]。这些空间目标有的带有特定军事任务，危害国土安全与太空权益；有的虽无明显军事目的，但随着航天活动的日益增多，也严重威胁太空轨道资源安全。因此，无论是从准确掌握空间态势、维护国家太空权益，还是从保护利用空间环境、安全开发空间资源出发，加强空间目标探测和防护研究都具有重要意义[4-6]。

由于便于长期监测、方便组网、探测范围广、建设维护成本相对较低等特点，地基探测仍是当前主要探测手段，并以美俄两国空间监视网为代表[7-8]。为进一步实现对空间目标的大范围监测和编目管理，以美国为代表的航天大国研制建设了“太空篱笆”(Space fence,又称“电磁篱笆”)系统，利用雷达向天空发射和构造一个薄面状波束，通过观测反射信号对穿过波束面的目标进行探测[9-14]。“太空篱笆”发现和普测能力强，但为构建大范围监视屏，需要广阔的地域资源，是一项耗资巨大的系统工程；其次，为达到足够探测距离，发射功率高达近千瓦，设备体积巨大，电磁辐射严重，系统稳定运行也受到挑战；且目标单次穿越监视屏只能获得一个位置观测量，而各接收站沿相同纬度方向分布，因此目标需穿越3次以上才能确定初轨，定轨效率不高[15-17]。

近年来，我国空间目标探测技术发展显著[18]，初步建立了小空间碎片数据库，掌握了发射和在轨运行碰撞预警技术，自主研制了空间碎片初级预警系统。多次参加机构间空间碎片协调委员会组织的国际碎片联测实验，积累了相关经验[19-20]。但我国相关技术总体发展起步较晚，相比国外仍有较大差距，主要体现在大范围监控普测、多目标跟踪及高轨小尺寸目标探测识别等能力方面。

空间探测技术与天文学之间存在着不可分割的姻缘关系，许多天文学技术与方法已良好应用于空间探测领域。近年来，我国在天文领域相继取得重要成果，观测水平取得长足进步，为加快建设我国自主空间目标探测系统、追赶国外先进水平提供了宝贵借鉴。射电天文观测是当前国际天文科学领域重要与热点研究方向。2016年9月，我国在贵州省平塘县“大窝凼”洼地建设完成500米口径球面射电望远镜“FAST”，这是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，意味着我国已经掌握世界领先的天文射电望远镜设计和建造技术[21-22]。2012年4月立项启动“天籁”计划，研制高灵敏度射电望远镜阵列，基于红移中性氢产生的21 cm辐射信号对极微弱的宇宙暗能量进行射电探测和研究[23]。目前已在新疆建设完成天线阵列系统，并开始进行暗能量观测和宇宙三维物质分布图勾绘。射电观测手段能够工作在很宽的频段范围，覆盖面广、分辨率和灵敏度高、数据处理能力强，通过天线阵列设计，能够在指定方向获得大范围巡天视场；综合孔径技术则使得望远镜具备了快速成像能力，相当于工作在射电波段的照相机。因此，尤其适合作为地基固定系统对大空域范围的多空间目标开展监测和捕获。

上述系列重大射电天文研究项目已充分验证相关技术原理的正确性，提供了宝贵建设经验，其设施也能支持相关关键技术的试验开展。因此，提出利用具有相似阵列结构的“天籁”系统开展空间目标射电探测新技术体制的试验验证。一方面，“天籁”已有阵列系统能够满足原理试验要求；另一方面，其良好的研究基础也能够帮助缩短关键技术研究周期，减少科研成本投入。

1 “天籁”计划介绍与分析

1.1“天籁”计划

“天籁”旨在以射电手段对宇宙大尺度结构进行精密测量，利用空间功率谱中的重子声学振荡特征测定不同红移处的宇宙膨胀速度，开展对当代天文科学中“暗能量”重大前沿问题的本质研究。测量重子声波振荡需要观测大天区面积，现有射电望远镜视场较小，且一般承担了不同的观测任务，难以持续进行大天区、高灵敏度巡天观测。为此，“天籁”在新疆红柳峡地区设计建造了由大量单元组成的大规模射电干涉阵列，包括抛物柱形阵列与碟形阵列两类,如图1所示。其中，柱形阵列包括3台南北向、相互平行的固定柱形抛物天线，每台长40 m、宽15 m，如图2所示。馈源沿焦线方向安装，每台天线放置32个馈源，共96个双极化馈源，192路信号。基于多接收单元干涉,柱形阵列构成了南北方向120°、东西方向1°～2°附近可调的大视场范围薄面状波束,实现对可见天区的巡天观测。

碟形阵列由16台6 m口径碟形抛物面天线组成,如图3所示。采用全动转台式方位俯仰(Az/El)座架，使用自动程序跟踪方式，具有较强的定向探测能力。

接收机系统由馈源、射频前端、数字基带和大容量数据存储等设备构成。天线接收信号经微波接收设备转换为模拟中频信号，传输至数字基带处理；本振分路设备为各个接收通道提供变频所需的本振信号；接收控制设备控制前端设备的工作参数。对观测数据首先根据时间、频谱、关联性等特征识别和剔除噪声电磁信号干扰，然后进行计算处理，解算系统响应，利用综合孔径成像方法获得观测天图及其他观测结果。

1.2“天籁”计划主要研究成果

目前，“天籁”已在新疆地区持续开展暗能量观测，成功利用软件去噪等手段从比目标信号强40～50 dB的前景辐射噪声中分离出红移中性氢21 cm信号，实现对极微弱宇宙目标信号的提取认证。这一科学目标的突破，意味着去噪相对精度已达到至少万分之一的水平。

随着地球自转，“天籁”柱形阵列沿南北向延伸的窄条波束面会扫过天球可见部分，获得10000平方度以上的宇宙观测数据。从而，在暗能量研究这样的前沿领域实现对国外最高水平的追赶，为揭示暗能量神秘本质提供最先进的观测技术。

2 一种大视场多波束特征的空间目标探测技术

研究一种大视场、多波束多空间目标射电探测技术及其系统。系统主要由司职监视捕获的柱形阵列天线和司职跟踪定位的碟形阵列天线组成，结合“天籁”阵列开展试验验证，完成多空间目标成像捕获、自适应跟踪、第三方辐射源无源定位、微弱信号提取认证等关键技术的研究与攻关，在此基础上开展技术创新、自主可控的射电探测系统技术方案论证，丰富和促进我国空间目标探测与太空安全领域技术发展。

2.1一种大视场多波束特征的空间目标探测技术

基于柱形反射面天线，通过近距排列多个接收单元构成阵列，能够获得一个经过天顶、沿阵列焦线方向延伸、具有大张角范围的薄面状扇形波束，如图4所示。扇形波束面可以在一个特定的方向上不聚焦、提供大范围均匀视场，只需少数几个阵列基地即可实现对全部国土范围的监视覆盖，建设效费比高；同时在另一个方向上聚焦波束，降低噪声干扰，保证高天线增益与空间分辨率，便于目标信号接收。从而，形成具有“电磁篱笆”普测功能的空域监视屏，实现对大视场范围批量空间目标的实时捕获。

通过信号与噪声观测，对系统误差、噪声来源、分布特性等影响阵列精度的主要因素分析建模，并据此优化阵列设计。利用高灵敏度天线和接收机，对目标信号进行非失真放大采样，并转化为数字信号。根据时间、频谱、关联性等特征，利用软件去噪等方法识别和消除天空背景与电磁干扰，实现微弱回波信号提取和认证。然后，进行实时数据处理与系统解算，基于综合孔径成像获得包含空间目标信息的观测天图。最后，基于天图成像结果及天空背景辐射源等信息，处理获得空间目标粗略方位及其他相关属性信息，为精确跟踪测量提供基础。

前期工作中，我们已成功实现对“天籁”视场内辐射强度大于5央斯基(Jy)的射电源的合成孔径成像(1 Jy=10-26Wm-2Hz)，如图5所示(辐射源用圆圈进行标识)。

成像结果显示，NVSS射电源星表中在天线视场之内的多数亮源可被观测，验证了系统微弱信号处理与成像的能力。

2.2多目标自适应跟踪关键技术

碟形反射面天线具有强定向探测能力，能够实现自动跟踪和连续测量。采用多面小口径碟形阵列方案，能够实现与大口径单面天线相当的性能，并降低建设成本与难度。各阵列之间能够根据观测灵敏度与分辨率要求灵活构成不同的优化干涉组合，通过数字多波束合成实现对多目标的精确测向、测距与测速。当前国际射电天文界最重要的大型望远镜项目——平方千米阵，在经过十几年的联合论证与设计后，即采用了由大量小口径反射面天线(从几米到十几米)进行组阵的建设方案[23]。

碟形阵列与柱形阵列配合工作，如图6所示。首先，利用柱形阵列成像获得目标粗略方位，并对目标形状、轨道、任务等属性进行初步分析，对威胁等级及优先程度进行判读。在此基础上，转换利用碟形阵列进行精确搜索和跟踪。利用碟形天线初级波束视场范围快速锁定目标，通过多元阵列干涉组合，能够提高角分辨率，实现精确跟踪测量。小口径碟形天线可采用可装卸式设计,根据实际观测要求灵活搬移和快速布设，是最优的阵列组合接收方案之一。

2.3第三方辐射源无源定位关键技术

系统采用基于第三方非协作辐射源的无源定位体制，可用辐射源包括周边地区地面广播、通讯、电视信号及已知频率的商业通信卫星、导航卫星等[24]。此时，阵列接收来自辐射源直射波，以及辐射源照射目标后形成的反射波，处理消除杂波和噪声干扰，得到载波相位差、多普勒频率、方位角/俯仰角等观测量，完成定位解算。

相位差变化率定位[25-26]是一种可行的定位方法。如图7所示，观测站O和目标T的坐标分别为(xO,yO,zO)、(xT,yT,zT)，三个天线单元Ea、Eb、Ec构成两两正交的干涉阵列EaEb、EaEc，基线长度分别为dx、dy。l1、l2、l3分别为Ea、Eb、Ec接收到的目标来波方向，由于目标与阵列之间距离远大于基线长度，因此可认为其相互平行。

(1)

其中，kx=2πdx/c，ky=2πdy/c，c为光速。

由几何关系易知：

(2)

由于以阵列O为原点设置坐标系，因此式(2)中xO、yO为零，对其两边求导可得目标径向距离r：

(3)

(4)

无源定位不发射信号，隐蔽性好、生存能力强。同时，地面广播电视等照射源工作频率较低，波长在分米至米级，具有一定的反隐身能力，有利于隐身飞机、巡航导弹等目标的探测。当具有主动发射基地时，系统也能够扩展成有源定位模式。此时能够实现更强的探测能力，探测模式和定位体制也更加多样化。而得益于多阵元干涉阵列的高灵敏度及软件去噪与阵列定标技术，信号发射功率能够大幅降低，减少系统电磁污染与运行压力。

2.4微弱信号提取与认证关键技术

空间目标距离遥远，反射信号微弱，受噪声影响较大。因此除硬件设计上的必要措施外，软件去噪是重要和有效的处理手段。根据信号特征，可在数据处理中采用先进的去噪算法，提高信号信噪比与观测灵敏度。针对已知信号源的频率、时间、相位等特征，可采用自适应波束调整、匹配滤波、KL(Karhunen-Loeve)变换等方法，获得更高信号质量。对于未知信号可采用独立成分分析、鲁棒主成分分析等盲分析法，提升信噪比。此外，通过长时间射电天图观测累积得到的高精度天空电磁背景信息，也可进一步提高对微弱信号的分析降噪能力。

前期我们曾利用噪声主成分分析方法对世界最大可动单天线望远镜——美国110米口径GBT望远镜的21 cm巡天观测数据进行处理，从比21 cm信号强40～50 dB的前景辐射噪声中成功分离微弱目标信号(如图8所示)[27]。

图8(a)中的GBT观测天区去噪前的前景辐射噪声量级为1000 mK。经处理后得到图8(b)中的天图辐射强度，此时明亮的射电源及弥散的同步辐射已基本消除，剩余辐射强度仅约0.6 mK。

在此基础上，还需对阵列开展定标校准，主要涉及相位与幅度校准，以消除由设备链路造成的系统延时与增益变化。校准精度直接关系到目标捕获灵敏度、成像动态范围和跟踪定位精度，对干涉阵列而言十分重要。随着地球自转，一些已知空间位置和强度的天文强射电源会定期通过波束视场范围，通过对这些辐射源的反复观测可以不断提高系统绝对定标精度。同时，通过在阵列附近架设人工信号源，定期产生校准信号，可以有针对性地对系统增益和相位变化进行分析。

3 利用“天籁”阵列开展新技术试验的可行性

3.1基本试验方案

试验阶段主要利用已知空间目标，通过接收目标反射的地面广播电视信号开展过境时的探测实验，以验证方法原理和可行性，如图9所示。此时，“天籁”阵列实际已成为一套具有实时成像功能的电磁篱笆式无源探测雷达原型。

在试验对象方面，首先选择国际空间站(International space station, ISS)作为探测目标。这一是因为ISS雷达反射截面(Radar cross section, RCS)较大、轨道高度较低，在“天籁”探测范围之内；二是ISS轨道参数可公开下载，能够准确计算获得坐标位置，方便精度和性能分析。此外，在符合相关规定、不影响民航安全飞行的前提下，考虑利用民航飞机或小型无人机，配合ISS的过境，模拟多目标试验环境。

在成像捕获试验方面，采用两种数字多波束合成方案。首先，基于“天籁”现有干涉显示度方法，利用系统保存的干涉显示度数据经事后处理得到数字波束。此时无需硬件改动，便于分析不同的权重因子方案。在此基础上，利用电平数字化信号直接合成和产生多个不同指向的波束。这种方法可以实时合成波束，实现高时间分辨率，有利于探测辐射快速变化的高动态目标，并获得更多特征信息。为开展这一试验，需对“天籁”数据采集系统进行若干软硬件改造和升级。

在定位试验方面，利用方位角、载波相位差、多普勒频移等观测量，基于相位差变化率定位、多普勒变化率定位等模型，结合扩展卡尔曼滤波、修正增益扩展卡尔曼滤波等动态算法实现对目标的实时跟踪、定位与测速，并结合阵列特点进行优化。

3.2试验能力分析

根据前期调研，在距离“天籁”110 km的新疆巴里坤县城、170 km的木垒照壁山以及300 km的乌鲁木齐市均建有地面广播电视信号发射塔，三者距离分布适中，为试验开展提供了有利条件。

3.2.1 探测作用距离

探测试验中，“天籁”阵列与广播电视信号发射塔之间实际上构成了一个收发分离的双基地系统，有如式(5)所示雷达方程：

(5)

式中：σ为雷达散射截面RCS；Pt为辐射源有效辐射功率，木垒照壁山广播电视信号发射塔功率约100 kW，全波段有62个左右频道，“天籁”阵列在工作频段内可接收至少其中4个频道，因此可取Pt=100 kW×4/62=6.45 kW；Aant为天线有效面积，“天籁”柱形阵列有效面积约为实际口径面积的60%，因此单馈源单元取Aant=15 m×(40 m/96)×0.6=3.75 m2；Rt与Rr分别为发射塔、接收阵列与探测目标之间的距离；k=1.38×10-23为玻尔兹曼常数；n为馈源个数，“天籁”柱形阵列为96个；Tsys为阵列单信号通道系统温度，取500 K；δv为信号带宽，取δv=4×8 MHz=32 MHz；δt为系统积分处理时间，“天籁”系统根据不同观测对象在数秒内可调，取2 s。

由此，可估算得到在利用地面广播数字电视信号作为第三方辐射源时“天籁”阵列的基本探测范围，见表1所示。可以看出，“天籁”阵列具有可观的探测能力，对于数公里高度，能够捕获反射截面直径约几厘米的飞行器；对于600 km轨道高度，能够捕获到ISS及部分电子和照相侦察卫星等目标。

表1 “天籁”阵列探测距离分析Table 1 Tianlai detection distance analysis

3.2.2 辐射源信号特性

信号有效辐射功率、频率、波束形状等电磁特性对目标探测而言尤其重要。模糊函数表征了信号的时域和频域特性，通常被用于分析雷达的测量和分辨性能[28]：

(6)

式中:τ为信号时延，ε为信号多普勒频移，u(t)为信号复包络。

对于带宽为8 MHz的广播电视信号，成形滤波滚降系数取0.35，符号率取6.9565 MSps，采样频率取20.8695 MHz，即一个符号采样3个点。由此可仿真得到广播电视信号模糊函数，见图10。可以看出，广播电视信号模糊函数主峰尖锐、呈现“图钉”状特征，具有良好的时域和频域特性，是较为理想的探测信号。

3.2.3 可探测时间

“天籁”大地坐标经度L=93.01°、纬度B=43.60°、海拔高h=1666 m。柱形阵列扇形波束南北方向视角120°，因此最低观测仰角为30°。由此可计算得到对于轨道高度H≈400 km的ISS，“天籁”柱形阵列在南北方向上的可观测纬度范围为7.00°(40.1°N～47.1°N)，见图11。

ISS轨道数据可利用公开的两行式轨道根数计算得到[24]，见表2。

表2 ISS两行式轨道根数Table 2 Two-line element set of ISS

根据ISS每次绕地星下点轨迹可获得ISS每日经过“天籁”扇形波束面的情况，见表3所示。

表3 ISS经过扇形波束面的时间与高度角Table 3 UTC and elevation of ISS crossing cylinder array

据统计分析，ISS每日经过“天籁”扇形波束面约1～4次，可择机开展探测试验。

3.2.4 直达波抑制

强直达波干扰是影响外辐射源雷达目标检测的关键因素之一。通常可利用直达波与回波入射角之差初步判断直达波影响程度，其几何关系如图12所示。其中，d为辐射源与接收阵列之间距离，H为目标轨道高度，α为直达波与目标回波角差。

由于“天籁”柱形阵列波束方向垂直向上，因此直达波与回波角差α接近90°，直达波干扰影响较小，有利于回波信号检测。对于碟形阵列，角差α的最小值可近似认为是目标探测的最小仰角δ并在实际试验中予以限制，从而避免造成明显影响。

3.2.5 成像能力分析

抛物面型天线的波束宽度θ近似有[29]：

(7)

式中:λ为波长，对于广播电视信号频率取值约0.45 m；D=15 m为“天籁”柱形阵列口径。由此可计算得到此时柱形阵列扇形波束面宽度θ=2.1°。

柱形阵列单次探测可持续时间取决于目标穿越波束面所经历的时间，如图13所示。图中v、Ds分别为目标穿越波束面时的平均速度和距离，H为目标轨道高度，R为阵列至目标距离。

阵列至目标距离R可近似等于目标轨道高度H，并由此计算得到目标穿越波束面所需时间T：

(8)

可知，空间站穿越扇形波束面的平均时间约2 s。

根据NASA所属机构Multi-Mission Data System公布的SSR(Satellite situation report)报告可知ISS的RCS约为400 m2，从而，可同样根据雷达方程(5)计算得知，ISS在积分处理时间δt=2 s时的信噪比达21 dB，能够满足ISS成像要求。

4 结 论

本文提出研究一种大视场、多波束空间目标探测系统，并利用“天籁”阵列开展新技术试验。探测系统主要由司职捕获的柱形抛物面天线阵列与司职跟踪的小口径碟形天线阵列构成。两者相互配合，形成具有“电磁篱笆”普测功能的监视屏，利用地面广播电视信号等第三方外部辐射源，实现对大视场范围批量空间目标的实时捕获、跟踪与定位。通过软件去噪与阵列定标校准方法研究，提高探测灵敏度与精度，降低硬件设备要求。对试验方案从探测距离、信号特征、探测时间、成像能力等方面进行了分析,结果表明“天籁”阵列能够支撑相关新技术试验任务开展。

[1] Heiner K. Space debris models and risk analysis[M]. Chichester, UK: Springer, 2006.

[2] 都亨, 张文祥, 庞宝君, 等. 空间碎片[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2007.

[3] 胡坤娇, 罗健. 我国空间监视地基雷达系统分析[J]. 雷达科学与技术, 2008, 6(2): 87-101.[Hu Kun-jiao, Luo Jian. Analysis of ground-based radar for space surveillance in China[J]. Radar Science and Technology, 2008, 6(2): 87-101.]

[4] James E O. Space power theory[M]. Colorado: U.S. Air Force Academy, 1999.

[5] Daniel O G. High frontier: a new national strategy[M]. Washington DC: High Frontier, 1982.

[6] Richard I A, Timothy P W. Decision support in space situational awareness[J]. Lincoln Laboratory Journal, 2007, 16(2): 297-331.

[7] Sridharan R, Pensa A F. U.S. Space surveillance network capabilities[C]. SPIE Conference on Characteristics and Consequences of Space Debris and Near-Earth Objects, San Diego, USA, July 23, 1998.

[8] 王国强, 陈涛, 王建立. 地基空间目标探测与识别技术[J]. 长春理工大学学报(自然科学版), 2009, 32(2): 197-199.[Wang Guo-qiang, Chen Tao, Wang Jian-li. The technology of detect and recognize space target using ground-based opt-electronic system[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2009, 32(2): 197-199.]

[9] 曹秀云. 美国空间监视系统的新发展[J]. 中国航天, 2010(4): 32-35.[Cao Xiu-yun. New developments in space surveillance system of the United States[J]. Aerospace China, 2010(4): 32-35.]

[10] 谢武. 美启动构建“太空篱笆”系统, 加强太空监视能力[EB/OL]. 2015[2017]. http://military. china.com.cn/2015-03/30/content_35196307.htm.[Xie Wu. The United States started building a space fence system to strengthen space surveillance capabilities[EB/OL]. 2015[2017]. http://military.china.com.cn/ 2015-03/30/content_35196307.htm.]

[11] 许红英. 美太空篱笆地基雷达完成关键设计评审[EB/OL]. 2015[2017].[Xu Hong-ying. US space fence ground radar completes critical design review[EB/OL]. 2015[2017]. http:// www.dsti.net/Infor- mation/News/96489.]

[12] 李晓东. 美建太空篱笆防备空间碎片, 可捕捉弹道导弹行踪[N]. 环球时报, 2014-04-29.[Li Xiao-dong. The United States builds space fence to prevent space debris and capture ballistic missiles[N]. Global Times, 2014-04-29.]

[13] Danial G. The changing role of the U.S. military in space[R]. Santa Monica, Canada, RAND, 1999.

[14] Allen T. A GRAVES sourcebook[EB/OL]. http:// www.onera.fr/news/2006-02.php.

[15] Donath T, Michal T, Vanwiick X, et al. Conceptual design of a European space surveillance system[C]. The 4th European Conference on Space Debris. Darmstadt, Germany, April 18-20, 2005.

[16] 郭伟, 崔海英. 国外电磁篱笆建设要素分析[J]. 现代遥感, 2010, 32(2): 31-34.[Guo Wei, Cui Hai-ying. Analysis of dominant construction factors of foreign electrum agentic fences[J]. Modern Radar, 2010, 32(2): 31-34.]

[17] Brook R R. Measuring NAVSPASUR sensor perfor-mance using logistic regression models[D]. Monterey: Naval Postgraduate School, 1992.

[18] 马林. 空间目标探测雷达技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.

[19] 李少敏, 牛威, 马鑫, 等. 空间目标探测技术研究[J]. 国防科技, 2009, 30(3): 6-13.[Li Shao-min, Niu Wei, Ma Xin, et al. Research on space target exploration technology[J]. National Defense Science and Technology, 2009, 30(3): 6-13.]

[20] Inter-agency Space Debris Coordination Committee. IADC space debris mitigation guidelines[EB/OL].2007[2017].http://www.unoosa.org/documents/pdf/spacelaw/sd/IADC-2002-01-IADC-Space_Debris-Guidelines-Revision1.pdf.

[21] 南仁东. 国家大科学装置FAST望远镜工程进展汇报[C]. 中国天文学会学术年会, 临潼, 中国，2014年10月27-29日.[Nan Ren-dong. Progress report on FAST telescope project of national large science installation[C]. Annual conference of China Astronomical Society, Lintong, China, October 27-29, 2014.]

[22] 南仁东, 李会贤. FAST的进展——科学、技术与设备[J]. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2014, 44(10): 1063-1074.[Nan Ren-dong, Li Hui-xian. Progress of FAST in science, technique and instrument[J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica amp; Astronomica, 2014, 44(10): 1063-1074.]

[23] 陈学雷, 施浒立. 暗能量的射电探测及平方千米阵[J]. 物理, 2013, 42(1): 1-11.[Chen Xue-lei, Shi Hu-li. The Tianlai project: radio detection of dark energy and the square kilometer array[J]. Physics, 2013, 42(1): 1-11.]

[24] NASA. Human space flight[EB/OL]. 2009[2017]. https://spaceflight.nasa.gov/realdata/sightings/SSappl-ications/Post/JavaSSOP/orbit/ISS/SVPOST.html.

[25] 潘琳. 干涉仪测向与相位差变化率定位技术[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2009.[Pan Lin. Interferometer direction measurement and positioning technique of phase difference rate[D]. Xi’an: Xidian University, 2009.]

[26] 单月晖. 空中观测平台对海面慢速目标单站无源定位跟踪及其关键技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2002.[Shan Yue-hui. Study on single observer passive location and tracking of slow target on sea platform and its key technologies[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2002.]

[27] Kiyoshi M, Hsiu-Hsien L, Jonathan S, et al. Dense magnetized plasma associated with a fast radio burst[J]. Nature, 2015, 528(7583): 523-525.

[28] 蒋铁珍, 肖文书, 李大圣, 等. 基于星载机会源的空间目标外辐射源雷达探测技术可行性研究[J]. 雷达学报, 2014, 3(6): 711-719.[Jiang Tie-zhen, Xiao Wen-shu, Li Da-sheng, et al. Feasibility study on passive-radar detection of space targets using spaceborne illuminators of opportunity[J]. Journal of Radars, 2014, 3(6): 711-719.]

[29] Merrill S. Radar handbook (3rd Edition)[M]. New York: McGraw-Hill, 2008.

ANewSpaceTargetDetectionTechnologyandItsExperimentbyUsingTianlaiDarkEnergyRadioDetectionArray

LIU Cheng1, SHI Hu-li2, CHEN Xue-lei2

(1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100094, China; 2. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A radio observation method with large field of view and multi-beam technique is proposed to detect the space targets. The uniform survey field with large angle can be obtained at the specific direction by the cylinder antenna array, and realize continuous monitoring of the large airspace. Real-time acquisition of the multiple space targets can be achieved based on the synthetic aperture sky imaging. Through the optimal interference combination between the small-caliber dish antennas, the precise tracking and measurement of the multiple targets is realized by the digital beam synthesis. With the method of software de-noising and array calibration, it can further improve the extraction and authentication ability of the weak target signals, and reduce the power and gain requirements of the system. The key technical experiments by using the Tianlai dark energy observation system with similar array structure are put forward, so as to shorten the research duration and reduce the scientific research cost. The feasibility of the experiments is analyzed from the detection range, signal characteristics and detectable time, etc. Results show that the Tianlai array has ability to support the new technology experiments.

Space target detection; Radio astronomy; Interference array; Synthetic aperture imaging; Digital multi-beam; Software signal de-noising; Dark energy

P161

A

1000-1328(2017)11- 1243- 10

10.3873/j.issn.1000- 1328.2017.11.014

2017- 06- 24;

2017- 09- 19

国家自然科学基金(61601009)

刘成(1987-)，男，博士，助理研究员，主要从事空间与天文科学、导航与通信技术方面的研究。

通信地址：北京市5131信箱11号(100094)

电话：(010)66360764

E-mail:lcleo7@126.com