面向火星探测的新一代微波着陆雷达技术①

王振西，张爱军，李拴劳，贺亚鹏，刘瑞冬，牛文博

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

深空探测器若要在地外行星体上安全可靠着陆，距离和速度的测量基本都是通过微波着陆雷达来实现的。相比于光学系统来说，微波着陆雷达系统的优点是不受光照条件、尘埃和其它污染物的影响。

国内微波测距测速雷达最早应用于嫦娥三号探测器[1-2]，是由中国空间技术研究院西安分院攻关研制。在2013年12月14日嫦娥三号探测器成功软着陆于月球表面，微波测距测速雷达在月球着陆任务中表现出色。随后，2019年1月3日嫦娥四号和2020年12月1日嫦娥五号分别在月球表面安全软着陆，微波测距测速雷达非常完满地完成了这两次关键任务，为我国的探月三期“绕”、“落”、“回”任务做出了突出贡献。

在我国火星探测任务中，将面临更加复杂的火星环境，包括火星低气压、风沙尘暴、复杂地貌等的影响[3]，因此对火星着陆雷达的性能提出了更高的要求。在月球探测微波测距测速雷达基础上，非常迫切地需要探索出新一代火星着陆雷达，为探测器在火星进入、下降和着陆(Enter Descent Landing，EDL)期间提供高精度距离和速度测量数据。在探测器着陆至关重要的3 min内，火星着陆雷达必须稳定可靠地工作。

1 国外火星着陆雷达现状

美国1975年8月发射“海盗1号”和1975年9月发射“海盗2号”，分别于1976年7月和1976年9月在火星表面成功软着陆。随后，美国成功发射了“火星探路者”、“机遇号”、“勇气号”、“凤凰号”[4]、“好奇号”和“洞察号”等火星探测器，微波着陆雷达在美国火星任务中发挥着至关重要的作用。

美国作为火星探测的领先者，在火星科学实验室(Mars Science Laboratory，MSL)任务中，美国航空航天局(NASA)下属的喷气实验室(JPL)研制出了最新一代火星着陆雷达，表1是MSL微波着陆雷达的指标实现[5]。

表1 MSL微波着陆雷达指标要求

表2是美国MSL微波着陆雷达的设计参数，雷达中心频率为Ka波段，采用的是脉冲多普勒雷达体制。距离测量是由雷达脉冲在雷达天线与火星表面往返时间计算获得；速度是通过连续回波之间的相位偏移得到多普勒频移确定的。美国MSL微波着陆雷达，在任务过程中可以根据实施情况自适应地配置脉冲宽度和脉冲重复间隔等参数。

表2 MSL火星着陆雷达设计参数

MSL任务的微波着陆雷达天线波束分布探测器的下方，配有六个测量波束(图1)：一个波束指向探测器垂直轴的负向(即0°角波束)；三个波束与探测器垂直轴夹角20°平均分布在圆周面；其余两个波束与探测器垂直轴夹角50°，分布在前进轴的两侧，夹角为30°。

在文献[6]和文献[7]中对美国新一代MSL任务的微波着陆雷达性能进行了仿真验证，见图2～图5，分别为EDL过程中六个天线波束的距离、速度及精度仿真曲线。在近距离时有明显超差，而远距离精度较好。速度离散性较大，尤其在速度100 m/s附近有明显的超差情况。

图2 MSL微波着陆雷达距离测量曲线

图3 MSL微波着陆雷达速度测量曲线

图4 MSL微波着陆雷达距离精度统计

图5 MSL微波着陆雷达速度精度统计

2 国内火星着陆雷达研制

2.1 火星着陆雷达特点

火星探测在我国尚属首次，2016年在探月微波测距测速雷达基础上，开始火星着陆雷达的不断探索、研究与改进。

从火箭发射起飞、星箭分离、地球火星转移、火星环绕、进入火星大气层和火星表面着陆整个任务剖面分析，火星着陆雷达的关键特点大致有以下几个方面：

1)火星着陆雷达必须经受住火箭发射、进入火星大气阶段和7500N发动机工作等阶段产生的振动、过载冲击等恶劣力学环境影响的考验。产品结构采用比刚度较高的铝合金、镁合金和钛合金等材料，以适应力学环境影响。产品结构的优化设计中，采取了动态刚度高、减震效果强和特殊防松措施等。

2)火星着陆雷达需要采取措施以适应漫长的地火转移、火星环绕空间环境和复杂的进入火星大气工作环境。为了应对低气压放电环境，采取了放气孔设计等措施，以及在真空罐内多循环模拟低气压环境验证工作；针对空间温度变化深入分析和验证，开展主动温控设计，同时优化大功率器件布局和散热片设计；为了保障单机的高可靠性，在选用的元器件等级、元器件筛选和可靠性试验方面，开展了许多工作。

3)在单机体积、重量和功耗有严格限制的情况下，通过集成设计、MCM模块等各项措施有效实施控制，以满足小型化、轻量化和低功耗的要求。

4)空间环境中存在着来自宇宙射线、太阳耀斑等辐射源的大量高能带电粒子。针对空间单粒子影响，采取了FPGA的三模冗余(TMR)设计、定时刷新技术和动态重构技术等抗单粒子反转措施，提高了FPGA空间环境使用的可靠性。

5)为了模拟火星风沙尘暴对火星着陆雷达测量的影响，增强系统的稳定性。在室内利用鼓风机吹动火山灰，模拟火星风暴扬尘环境，完成了微波着陆雷达的测量试验。随后，在敦煌戈壁滩沙漠中，利用直升机螺旋桨高速转动卷起的扬沙模拟风沙试验。在怀来地外天体着陆综合实验场，利用7500N发动机点火吹动铺满试验场地的碎石，模拟火星飞沙走石的环境影响，成功获得非常重要的试验数据。

6)在探测器抛大底后，微波着陆雷达便开机工作。该时刻探测器仍处于伞降阶段[8]，探测器将会以约20°/s的大角速度来回钟摆。为了验证该工况对火星着陆雷达的影响，在3 km高空中多次直升飞机以极限角速度的左右摆动火星着陆雷达捕获、跟踪和测量验证试验。

7)针对火星着陆区的地形影响，规划了各种不同的校飞试验航迹，用来验证复杂多变的地形条件对火星着陆雷达的影响，获取了关键的试验数据。图6是火星着陆雷达直升机校飞试验地形坡度图，图中三个圈是不同地形的试验选择地点。

图6 复杂地形试验坡度图(单位：度)

2.2 火星着陆雷达研制

火星表面有稀薄的大气，任何火星探测器在进入火星时都将经历EDL过程，如图7，在探测器抛大底后，火星着陆雷达便开始进入测量状态，发射机通过天线向火星表面发射雷达波，接收天线获取从火星表面返回的回波信号，经过下变频转为中频信号送入信号处理器进行数据处理，得到探测器高精度的距离和速度信息，为安全可靠着陆保障。

图7 火星探测器EDL过程

为了确保我国首次火星探测任务的成功，火星着陆雷达必须实现比美国MSL任务更加严苛的考核指标，详见表3。

表3 国内火星着陆雷达指标

火星着陆雷达采用线性调频连续波体制，使得最小测量距离达到1 m。远距离段波形设计为正负斜率调频的三角波，近距离段波形设计为正斜率调频的锯齿波，每个波束同时完成距离和速度测量。

为了解决连续波存在的收发信号之间隔离问题，创新性地研制了变张角喇叭天线，接收与发射天线之间隔离度可达110 dB以上。火星着陆雷达设计参数见表4，采取四个波束独立测量形式，中心频率相差1 GHz，避免了相互之间的信号干扰。火星着陆雷达中心频率为Ka波段，波长较小，可以提升多普勒分辨率，从而能够提高速度测量的精度。同时，也能够有效地减小波束宽度，进一步减小由于火星表面未知起伏引起测量的误差。

表4 火星着陆雷达关键设计参数

波束1指向探测器垂直轴的负向；波束1、2、3与探测器垂直轴负向夹角45°，均匀分布在方位圆周面。图8是火星着陆雷达四个波束在探测器底面的布局结构图，在火星探测器EDL过程中，抛大底后火星着陆雷达就开始工作，从四个不同方向测量得到探测器的距离和速度。

图8 波束指向在探测器底面布局结构图

图9是四波束在探测器本体坐标系下的指向，通过动态的仿真验证，在火星EDL阶段探测器处于任何飞行姿态情形下，火星着陆雷达的波束视场均不受影响，可以直接照射至火星的表面，散射作用形成雷达回波。

图9 波束在探测器坐标系下的指向

2.3 关键性能验证

在建立火星表面回波信号仿真验证模型中，包括了探测器的EDL轨迹、探测器姿态、波束照射倾角、波束照射范围、天线主瓣宽度和地面起伏等因素，获得了非常真实的火星着陆区域雷达回波信号。在综合仿真验证平台上，火星微波雷达算法经过不断的测试与改进，测距和测速指标能够满足任务的要求。图10、11为各波束在EDL过程中的测距和测速曲线，图12、13为火星着陆雷达在256次连续打靶测试中距离和速度的精度统计，由此可见相比美国MSL火星着陆雷达作用距离和测量精度[9-10]都要领先很多。

图10 火星着陆雷达EDL过程距离测量曲线

图11 火星着陆雷达EDL过程速度测量曲线

图12 火星着陆雷达256次打靶测试距离精度统计

图13 火星着陆雷达256次打靶测试速度精度统计

3 结论

火星探测是一项非常艰难挑战的任务，针对苛刻的任务指标要求和复杂的火星环境，研制团队敢于使用新的着陆雷达体制，历经数年的技术攻关、设计、生产和试验,研制出了国内新一代的火星着陆雷达。由图10～13可以看出在探测器EDL阶段距离与速度大范围高动态的变化过程中，新体制的线性调频连续波着陆雷达的测量精度是非常高的，满足了火星探测的任务需求。未来在探月四期、载人登月和小行星探测任务中，需要针对微波着陆雷达的小型化、轻量化和低功耗方面更进一步探索。