CN105716891A - 一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，属于空间飞行器隐身性能测试技术领域。该方法包括如下步骤：将隐身卫星设置为非隐身状态和隐身状态，并对其隐身性能进行理论仿真计算；通过地面微波暗室试验设备，分别针对卫星的非隐身状态和隐身状态进行隐身性能测试；卫星入轨后，对卫星在轨非隐身状态和隐身状态的隐身性能进行在轨对比测量；依据卫星隐身设计的具体指标，通过分析卫星在轨测量数据，对卫星隐身性能进行定量评价；将卫星RCS序列值的理论仿真数据、地面测试数据与在轨测试数据进行对比分析。本发明为今后的卫星隐身性能测试提供了具体的技术方案和量化测试分析方法，可适用于雷达、光学和红外等多种隐身卫星平台。

Description

一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法

技术领域：

本发明涉及一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，属于空间飞行器隐身性能测试技术领域。

背景技术：

随着太空军事化程度的加深，作为高科技的卫星等空间资源，将日益面临“摧毁”、“致盲”以及“干扰”等威胁。隐身卫星作为一种重要的侦察工具和空间武器，它具有在轨隐蔽、侦察以及伺机攻击敌人的能力。因此，在未来的战争中，隐身卫星对空间的攻防将发挥着重要的作用。针对空间目标的探测设备主要包括用于低轨卫星探测的地基/海基雷达以及用于高轨卫星探测的地基/天基光学探测设备。因此对应的空间隐身措施主要分为雷达隐身和光学隐身两种。

目前，针对隐身卫星的研究处于起步阶段，对于卫星隐身性能的测试及验证方法更是没有深入研究。

发明内容：

本发明提出了一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，为今后的隐身卫星提供一种隐身性能的地面及在轨测试方法。

本发明采用如下技术方案：一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，包括如下步骤：

(1)将隐身卫星设置为非隐身状态和隐身状态，并对两种状态进行仿真，计算卫星不同横滚角度下的理论隐身性能仿真数据；

(2)通过地面微波暗室试验设备，分别针对卫星的非隐身状态和隐身状态进行测试，得到卫星隐身性能的地面测试数据；

(3)卫星入轨后，通过对卫星在轨非隐身状态和隐身状态进行6组对比测量，从而评估卫星隐身设计的实际效果；

(4)根据步骤(3)中得到的卫星在轨测量数据，依据卫星隐身设计的具体指标，对卫星隐身性能进行定量评价；

(5)将卫星隐身性能特征值的理论仿真数据、地面测试数据与在轨测试数据进行对比分析，通过一致性和重复性分析，对隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法进行进一步优化。

进一步地，卫星隐身性能地面测试方法，测试时根据不同波段内不同的中心频率，在360°姿态角范围内测试不同横滚状态下卫星的雷达散射面积，具体测试步骤如下：

(1)采用多目标射频仿真天线测试系统建立的雷达散射面积智能测试系统，测试系统开机准备，预热10min，接收机设定测试频率点和测量参数，接收机进入正常工作状态；

(2)在垂直极化状态下，测量标准平板反射电平；

(3)测量无标准平板时，微波暗室的背景反射电平；

(4)旋转转台，测量标准平板的电磁散射电平；

(5)测量卫星横滚角不同状态时的电磁散射电平；

(6)在水平极化状态下，测量标准平板反射电平；

(7)重复以上(3)～(5)步骤。

进一步地，在轨隐身试验步骤如下：

(1)隐身任务规划当前圈为N圈：注入隐身试验开始时间T1，隐身状态结束返回时间T2，隐身试验控制中心利用卫星轨道根数为各观测站制定实时任务观测计划、目标引导数据和理论弹道下达测站；

(2)T1时间：隐身卫星开始机动，卫星接收指令并根据预先设置的程序进行姿态调整；

(3)隐身任务圈为N+1圈：T1+1200s，开始试验；测站雷达根据引导计划搜索卫星，直至发现目标；

(4)T2时间：开始隐身状态返回，雷达测量卫星RCS数据，并向隐身试验控制中心准实时发送数据；

(5)隐身任务结束圈为N+2圈：观察卫星隐身返回情况，隐身试验控制中心进行RCS均值计算，分析隐身前后RCS序列变化情况。

本发明具有如下有益效果：

(1)、本发明首次提出了一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，为今后的卫星隐身性能测试提供了具体的技术方案和量化测试分析方法；

(2)、本发明具有一定通用性，可适用于雷达、光学和红外等多种隐身卫星平台。

附图说明：

图1(a)为隐身卫星非隐身状态示意图，图1(b)为隐身卫星隐身状态示意图。

图2为卫星隐身性能地面测试系统结构组成图。

图3为隐身试验中心、长期管理中心及地面雷达测控设备关系图。

图4(a)为卫星非隐身飞行状态示意图，图4(b)卫星隐身飞行状态示意图。

图5为在中心频率横滚角0度下理论仿真和暗室数据对比示意图。

具体实施方式：

本发明卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，包括如下步骤：

(1)将隐身卫星设置为非隐身状态和隐身状态，并对两种状态进行仿真，计算卫星不同横滚角度下的理论隐身性能仿真数据(如理论雷达散射截面积值等)；

(2)通过地面微波暗室试验设备，分别针对卫星的非隐身状态和隐身状态进行测试，得到卫星隐身性能的地面测试数据；

(3)卫星入轨后，通过对卫星在轨非隐身状态和隐身状态进行6组对比测量，从而评估卫星隐身设计的实际效果；

(4)根据步骤(3)中得到的卫星在轨测量数据，依据卫星隐身设计的具体指标，对卫星隐身性能进行定量评价；

(5)将卫星隐身性能特征值(如雷达散射截面积序列值等)的理论仿真数据、地面测试数据与在轨测试数据进行对比分析，通过一致性和重复性分析，对隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法进行进一步优化。

(1)卫星隐身试验方法设计

为了验证卫星隐身的有效性，卫星通常设置为两种状态，非隐身状态和隐身状态。隐身状态是指卫星通过隐身设计，使其具备雷达或光学隐身的能力。通过对卫星非隐身状态与隐身状态的对比测试，从而实现对卫星隐身效果的评估。

卫星的隐身试验可分为地面测试和在轨测试两部分，地面测试在地面试验室内完成，在轨测试在卫星入轨后，利用地面探测设备对卫星的隐身性能进行在轨一体化测试，即利用地面探测设备对卫星非隐身状态和隐身状态进行对比分析测量，从而对卫星隐身设计的实际效果进行评估。

以某种雷达隐身卫星为例，其非隐身状态、隐身状态示意图如图1所示，卫星的+Z方向对于雷达来波不具有隐身性能，当卫星+Z方向对向雷达时定义为非隐身状态，卫星的-Z方向对于雷达来波具有隐身性能，当卫星-Z方向对向雷达时定义为隐身状态。

(2)卫星隐身性能地面测试方法

1.地面测试系统

卫星的雷达散射面积(RCS)测试在微波暗室进行，微波暗室测试厅为24×8.5×8.5m³和控制室为5.8×4m²组成的大型全金属屏蔽室。测试频率范围可到18GHz，目标特性研究最大尺寸1m，暗室的固有背景RCS低于-45dBsm，反射电平优于-53dB，由HP.SA公司设备构成自动采集处理系统，测试精度±0.5dB，测量动态范围可达50dB。测试系统如图2所示，采用Agilent85301B多目标射频仿真天线测试系统建立的RCS智能测试系统。该系统具备高精度的点频和扫频RCS测试能力，且测试速度快、灵敏度高、动态范围大、可实现角域测量。

2.测试步骤

测试时根据不同波段内不同的中心频率，在360°姿态角范围内测试不同横滚状态(0°、15°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°)下卫星的RCS。具体测试步骤如下：

(1)测试系统开机准备，预热10min，接收机设定测试频率点和测量参数，接收机进入正常工作状态；

(2)在垂直极化状态下，测量标准平板(200×200mm)反射电平；

(3)测量无标准平板时，暗室的背景反射电平；

(4)旋转转台，测量标准平板的电磁散射电平；

(5)测量卫星横滚角0°、15°、30°等状态时的电磁散射电平；

(6)在水平极化状态下,测量标准平板(200×200mm)反射电平；

(7)重复以上(3)～(5)步骤；

最后，根据测试结果对数据进行处理，给出卫星微波暗室内RCS测试结果。

(3)卫星隐身性能在轨一体化验证方法

1.在轨一体化试验的总体要求

卫星入轨后，利用地面雷达对卫星隐身性能进行在轨一体化验证，通过对卫星在轨非隐身姿态和隐身姿态进行多次对比分析测量，从而评估卫星隐身设计的实际效果。

选择卫星在轨隐身对比测试的时间需考虑：

1)卫星的轨道在雷达有效跟踪距离范围内；

2)卫星机动至隐身姿态，并处于雷达观测的有效范围；

3)尽量为雷达跟踪测量实施提供有利条件。

2.在轨隐身试验内容

卫星隐身试验方法分非隐身状态和隐身状态试验。

卫星非隐身状态试验内容包括：在卫星非隐身姿态下，检查验证雷达的引导精度，以及测量设备对卫星的跟踪情况，测定卫星RCS值，记录非隐身姿态下卫星RCS序列值。

卫星隐身状态试验主要内容包括：

1)多处地面测控设备(雷达)接收隐身试验控制中心发送的卫星指令进行合作式跟踪测量，并向在轨航天器长期管理中心发送测轨数据。

2)在轨航天器长期管理中心对卫星进行测定轨并向隐身试验控制中心提供卫星轨道根数，注入隐身试验开始时间T1，隐身状态结束返回时间T2。

3)隐身试验控制中心利用卫星轨道根数为各观测站制定实时任务观测计划、目标引导数据和理论弹道，于卫星进站前下达测站；测站雷达进行搜索，直至发现目标。

4)多台雷达测量卫星隐身RCS数据，并向隐身试验控制中心准实时发送数据。

5)隐身试验控制中心对卫星轨道数据和RCS数据进行处理，分析隐身前后RCS序列变化情况。

隐身试验中心、在轨航天器长期管理中心和地面雷达测控设备关系图如图3所示。

3.在轨隐身试验步骤

在轨隐身试验按照以下步骤进行了实施：

1)N圈(隐身任务规划当前圈)：注入隐身试验开始时间T1，隐身状态结束返回时间T2；隐身试验控制中心利用卫星轨道根数为各观测站制定实时任务观测计划、目标引导数据和理论弹道下达测站。

2)T1时间：隐身卫星开始机动；卫星接收指令并根据预先设置的程序进行姿态调整。

3)N+1圈(隐身任务圈)：T1+1200s，开始试验；测站雷达根据引导计划搜索卫星，直至发现目标。

4)T2时间：开始隐身状态返回；雷达测量卫星RCS数据，并向隐身试验控制中心准实时发送数据。

5)N+2圈(隐身任务结束圈)：观察卫星隐身返回情况。隐身试验控制中心进行RCS均值计算，分析隐身前后RCS序列变化情况。

隐身试验中地面雷达测控系统完成以下工作：隐身试验前，测控系统进行测定轨并向隐身卫星提供轨道根数，根据隐身卫星需求注入轨道参数及进行星地校时，配合隐身卫星进行星上状态管理；测控系统提前一圈发送隐身试验指令。隐身卫星接收隐身指令后，程控进行卫星姿态、电源等自身状态检测。

4.在轨隐身测试评估方法

1.试验标准

在轨隐身试验通过在轨测量卫星的RCS数据来定量评价卫星的雷达隐身性能，评价标准如下：

1)卫星在规定的雷达波段照射下，以多圈次RCS均值为评价主要指标，要求在卫星在某观测角度范围内单站RCS小于规定指标；

2)卫星隐身状态的RCS要小于卫星正常状态下的RCS在20dB以上；

3)以在轨测试结果与地面仿真结果的RCS序列趋势拟合一致性程度评价卫星隐身设计实际效果和理论效果的吻合度。

2.试验项目

为有效验证卫星的隐身性能，需要完成卫星在轨隐身性能测试。卫星入轨后将建立和保持非隐身稳定姿态，如图4所示为卫星入轨后的两种姿态，其中尖端方向对天时为非隐身飞行姿态，如图4(a)所示；卫星尖端方向对地时为隐身飞行姿态，用于卫星在轨隐身性能测试，如图4(b)所示。

5.试验数据的分析方法

1.理论仿真计算与地面微波暗室RCS对比分析方法

为验证卫星隐身理论仿真的正确性，在地面试验室对全金属模拟星的隐身性能进行了测试，试验用垂直与水平两种极化方式，分别在不同波段对目标RCS进行了测试。以全金属模拟星RCS计算和测试结果(横滚角0°、水平极化)为例，如图5所示。图中实线代表微波暗室测试结果，虚线代表计算机仿真计算结果。

分别比较图中的实线与虚线所示的卫星RCS，由图可知，在隐身卫星在-Z方向±40°范围内，目标RCS较小。表明隐身状态具有隐身效果。

全金属星的RCS地面测试结果表明：通过设计、计算、分析与优化，最终设计出的隐身卫星满足能隐身设计指标。其他波段雷达也具有类似效果。

2.卫星在轨实测数据与微波暗室RCS对比分析方法

1)一致性分析

为了验证实测数据的有效性，选取在轨两套雷达实测数据进行一致性分析。分析过程与理论数据和暗室数据分析一致，以检验不同雷达、不同时间段检验下卫星雷达隐身的有效性、稳定性和重复性。

2)所有圈次试验数据分析

将所有圈次的试验数据进行处理、分析，验证全在轨时间段内卫星隐身试验数据和地面暗室数据的一致性、重复性和稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，其特征在于：包括如下步骤

(1)将隐身卫星设置为非隐身状态和隐身状态，并对两种状态进行仿真，计算卫星不同横滚角度下的理论隐身性能仿真数据；

(2)通过地面微波暗室试验设备，分别针对卫星的非隐身状态和隐身状态进行测试，得到卫星隐身性能的地面测试数据；

(3)卫星入轨后，通过对卫星在轨非隐身状态和隐身状态进行6组对比测量，从而评估卫星隐身设计的实际效果；

(4)根据步骤(3)中得到的卫星在轨测量数据，依据卫星隐身设计的具体指标，对卫星隐身性能进行定量评价；

(5)将卫星隐身性能特征值的理论仿真数据、地面测试数据与在轨测试数据进行对比分析，通过一致性和重复性分析，对隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法进行进一步优化。

2.如权利要求1所述的卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，其特征在于：卫星隐身性能地面测试方法，测试时根据不同波段内不同的中心频率，在360°姿态角范围内测试不同横滚状态下卫星的雷达散射面积，具体测试步骤如下

(1)采用多目标射频仿真天线测试系统建立的雷达散射面积智能测试系统，测试系统开机准备，预热10min，接收机设定测试频率点和测量参数，接收机进入正常工作状态；

(2)在垂直极化状态下，测量标准平板反射电平；

(3)测量无标准平板时，微波暗室的背景反射电平；

(4)旋转转台，测量标准平板的电磁散射电平；

(5)测量卫星横滚角不同状态时的电磁散射电平；

(6)在水平极化状态下，测量标准平板反射电平；

(7)重复以上(3)～(5)步骤。

3.如权利要求1所述的卫星隐身性能地面测试及在轨一体化验证方法，其特征在于：在轨隐身试验步骤如下

(1)隐身任务规划当前圈为N圈：注入隐身试验开始时间T1，隐身状态结束返回时间T2，隐身试验控制中心利用卫星轨道根数为各观测站制定实时任务观测计划、目标引导数据和理论弹道下达测站；

(2)T1时间：隐身卫星开始机动，卫星接收指令并根据预先设置的程序进行姿态调整；

(3)隐身任务圈为N+1圈：T1+1200s，开始试验；测站雷达根据引导计划搜索卫星，直至发现目标；

(4)T2时间：开始隐身状态返回，雷达测量卫星RCS数据，并向隐身试验控制中心准实时发送数据；

(5)隐身任务结束圈为N+2圈：观察卫星隐身返回情况，隐身试验控制中心进行RCS均值计算，分析隐身前后RCS序列变化情况。