CN106507959B - 空间碎片的地基雷达二维稀疏阵探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种空间碎片的地基雷达二维稀疏阵探测系统及方法，它结合了机械跟踪雷达、相控阵雷达和电子篱笆的优点，同时又在一定程度上弥补了其各自存在的不足。在保持高精度定位和多目标捕获能力的基础上，发射采用单轴扫描的环形抛物面(Torus)天线，其为扁平波束天线，有一定的空域覆盖范围；接收采用二维稀疏天线阵，在保留一维碎片搜索篱笆的基础上，增大了天线可接收范围，并改善了碎片的定位精度。本发明，所用系统构建科学合理，建造成本低，可冷启动，具备发现新碎片能力；发射站可移动，机动灵活，拆装方便，有很好的应急能力。本发明能较好满足我国日益紧迫的空间碎片探测任务要求，有较强的可实施性、应用价值和重要的现实意义。

Description

空间碎片的地基雷达二维稀疏阵探测系统及方法

技术领域

本发明涉及空间技术领域，属于空间目标探测技术，是空间碎片的地基雷达二维稀疏阵探测系统及方法。

背景技术

空间碎片问题已引起国际空间界，特别是国际空间站的成员国(或组织)的密切关注。美国、俄罗斯、欧空局、日本以及德、法等国都进行了大量相关研究。

空间碎片地基雷达探测设备主要分为机械跟踪雷达、相控阵雷达和电子篱笆三种。

典型的机械跟踪雷达有美国的Haystack、HAX(Haystack Auxiliary)和Goldstone(金石)，德国的TIRA(跟踪成像)雷达。Haystack雷达注视固定点的空域，发射右旋极化波，接收所有的左旋和右旋极化波，当接收的信号超过某个预先设定的门限，便可认为发现碎片，它可以探测1000km处尺寸为10mm的碎片；HAX为Haystack辅助雷达；Goldstone雷达的探测距离为740km～1020km，可测碎片最小尺寸约2mm～6mm。

德国的TIRA(跟踪成像)雷达，包括三个主要部分：34m口径抛物面碟形天线，L波段跟踪雷达和ku波段成像雷达。L波段跟踪雷达采用4喇叭单脉冲馈源，接收信号处理采用相关技术；成像雷达包括波纹偏振馈源，对于800MHz带宽的线性频率调制脉冲，距离分辨率为18cm。

具有代表性的相控阵雷达为美国的AN/FPS85相控阵雷达，其发射面有5928个天线单元，接收面有19500天线单元。1962年10月建设时的用途是探测海上发射的弹道导弹，从1988年开始成为空间监测的专用设备。它每天可探测10000个空间碎片，可以同时跟踪200个近地目标，探测距离最远可达地球同步轨道。

电子篱笆是空间碎片探测所需要的主要专用设备之一。它本质上是一种多基地雷达系统，多个发射站的大张角发射波束在某一方向上形成一道大范围空域监视屏，多组接收站实现对目标的干涉定位，利用目标的多次连续过屏进行多圈数据关联、定轨。现有的电子篱笆为美国的AFSSS和法国的GRAVES。

美国海军空间监测系统(NSSS)由3台发射机和6台接收机组成，系统在2004年移交空军航天司令部后称为AFSSS。3台发射机垂直向上发射连续波束，形成扇形电子篱笆。相控阵天线沿垂直于纬线方向排列，“篱笆”长约8052km，向上空间延伸24155km，它在2000海里(3704km)距离上的探测极限是雷达反射截面(RCS)为0.1平方米的物体，位置测量精度是200米。电子篱笆在2002年到达设计寿命，计划在2008年开始进行升级改造，在2013到2014年间投入使用。

法国航空航天研究所(ONERA)研制的GRAVES，第一期产品于2005年底交付使用。GRAVES采用连续波相控阵发射，发射天线由4个面板组成，每个覆盖45°方位角；接收采用数字波束成型技术，接收天线阵由100面天线组成，分布在直径为60m的金属圆盘上，每面天线分别连接一个单独的接收机，接收到的信号被数字化，所有信号按相位叠加，形成等效于单一天线、天线面积相当于圆盘面积、瓣宽约2°的垂直波束。根据收、发的频率偏移可测得径向速度。

综上所述，机械跟踪雷达的优点是结构简单，探测精度高，但是雷达采用大口径天线，发射针状波束，空域覆盖范围小，没有多目标捕获能力；相控阵雷达探测精度高，有一定的空域覆盖范围，探测精度高，也具有多目标捕获能力，但是其天线阵结构复杂，波束相移合成技术也增加了软硬件设计的难度；电子篱笆空域覆盖范围广，具有强大的碎片搜索、发现和管理功能，但是它的定位精度低、工程浩大、建造周期长、成本高。

现有空间碎片的地基雷达探测设备各自存在明显的不足。

发明内容

本发明的目的是针对现役探测设备探测能力上存在的不足，提出一种新型的空间碎片地基雷达探测系统，该系统结构相对简单，实现难度不高，具有一定的空域覆盖范围，兼有精确定位和多目标普查的功能；同时，它的硬件和软件实现相对容易，建造周期短，成本较低。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种空间碎片的地基雷达二维稀疏阵探测方法，其包括步骤：

a)设置具有扁平波束的环形抛物面发射天线，并用单轴扫描的方法有效解决了天线增益和波束之间的矛盾，在保持天线增益的同时，又有一定的空域覆盖范围；

b)协同源发射伪码扩频后的已调制载波信号，协同源发射伪码扩频信号；

c)设置采用二维稀疏天线阵的接收天线，接收和处理微弱的反射信号；

d)在探测过程中，使用程差测量技术，对空间碎片进行定位。

所述的探测方法，其特征在于，所述a)步中，发射采用单轴扫描的环形抛物面发射天线，单天线结构简单，又有一定的波束宽度；天线采用多馈源的偏馈结构，以进行功率叠加，有利于增大空间碎片反射信号的强度，偏馈结构降低副瓣电平。

所述的探测方法，其所述c)步中，二维稀疏天线阵的接收天线，相当于由十字形子阵组合而成，在东西方向保留电子篱笆的特点，天线单元呈“一”字形排列，在一维阵的南北两侧对称分布的天线单元数量是一维阵方向天线单元数量的1/2～1/3构成二维阵列，增大了天线的接收范围。

所述的探测方法，其所述c)步中，微弱反射信号的接收和处理，是经空间碎片反射的微弱信号，由于大气环境中存在各种噪声，导致反射信号深埋于噪声之中，要成功接收，需要接收机具有对信噪比极低、强度极弱的信号的检测能力；信号采用直接序列的伪码扩频技术发射、相关解扩技术接收，提高了信号的抗干扰能力；在接收端采用相干积分方法对信号进行捕获，大幅度提高了接收机灵敏度。

所述的探测方法，其所述d)步中，空间碎片定位，利用相关时差测量方法，求得某一空间碎片到接收天线阵中任意两天线单元间的时间差值；采用时延估计算法中的互谱插值法，该互谱插值法属于时延估计的频域分析方法，采用频域补零，细化相关函数的时域波形以提高时延估计精度；任意取四个接收天线单元，两两求信号时差，再利用时间差值求解坐标距离方程组，得到碎片的三维位置坐标。

所述的探测系统，其所述发射站，设有扁平波束的环形抛物面发射天线，为可拆装发射天线；采用车载发射机，具有好的应急能力，发射站的位置根据碎片观测任务的需要灵活移动。

所述的探测系统，其所述接收站，设有二维稀疏天线阵的接收天线，在一维阵的南北两侧对称分布的天线单元数量，是一维阵方向天线单元数量的1/2～1/3。

所述的探测系统，其协同源也用于发射其他形式的信号，其工作频段在C波段、S波段、或其他波段。

本发明创造性地提出空间碎片地基雷达二维稀疏阵探测系统及方法，结合了机械跟踪雷达、相控阵雷达和电子篱笆的优点，同时有效避免了它们的不足，是一种可以在较短时间内、以较低成本建造自主的空间碎片地基雷达探测系统，符合我国国情，具有重要的现实意义。

附图说明

图1本发明空间碎片地基雷达二维稀疏阵探测系统示意图；

图2本发明空间碎片地基雷达二维稀疏阵探测系统结构框图；

图3本发明发射Torus天线结构示意图；

图4本发明接收天线二维稀疏阵排列示意图；

图5本发明捕获概率实验仿真数据图；

图6本发明直接伪码扩频技术原理框图；

图7本发明相干积分法原理框图；

图8本发明相关解扩原理框图；

图9本发明相关时差测量原理方框图；

图10本发明空间碎片定位原理图。

具体实施方式

空间碎片地基雷达二维稀疏阵探测系统的示意图如图1所示。系统的总体框架为：协同源发射机、发射天线、接收天线阵、接收机、配套设备(包括供电设备、降温设备、数据分析和处理计算机、备用发射和接收机等)，系统结构框图如图2所示。

(1)协同源

协同源发射伪码扩频后的已调制载波信号，它具有多址能力强、抗衰落能力强、信息传输可靠性高、可进行高分辨率测距等优点，可以大大提高信号的抗干扰能力，有利于空间碎片反射信号的捕获。

雷达探测距离与其工作频率密切相关，目标的RCS也与工作波长有关，并且，雷达的频率越高，生产成本也越大。另外，对频率的选择还涉及到该频段外部噪声环境、自由空间衰减、降雨衰减、电离层衰减等情况。需要对频率进行综合分析以选择适当的工作频率。

(2)发射天线

发射天线为Torus天线，天线反射面在垂直面内为抛物线形，在水平面内为圆环形，天线结构如图3所示。天线单方向扫描，可扩大搜索范围。馈电系统采用多个波纹圆喇叭馈源的偏馈结构。

Torus天线发射扁平波束，加上单轴扫描功能，适当增大了空域覆盖范围，这里有别于机械跟踪雷达的针状波束；发射天线有别于相控阵雷达和电子篱笆，大大降低了发射天线的复杂度，减小了发射端的设计制造成本。

天线采用多馈源，可以进行功率叠加，有利于增大碎片反射信号的强度，便于信号的接收和检测；使用偏馈结构可以降低副瓣电平。

(3)接收天线

接收为二维稀疏天线阵，如图4所示。多面天线组成的二维稀疏天线阵的排列在保留一维碎片搜索篱笆的基础上，在一维篱笆的南北两侧分布一定数量(天线单元数量大约为一维篱笆天线单元数量的1/2或1/3)的天线单元。一维篱笆所在的东西方向天线单元较密集，南北两侧对称放置少量天线单元，这样可以增大空域覆盖范围，使天线分布有较好的GDOP，从而有较高的定位精度；而且，天线阵有很好的扩展性，易于联合观测。

(4)接收端

用相干积分方法对信号进行捕获，再进行相关接收，用高精度时差测量方法求碎片到达各天线单元的程差，通过求解坐标距离方程组，得到碎片的三维位置坐标。

(5)配套设备

主要包括供电设备、冷却设备、数据分析和处理计算机、备用发射和接收机。

为保证系统全天候全天时正常工作，需要有专门的设备供电和备用发射、接收机；在大功率状态下，须采用冷却设备为发射端降温，以防止天线波导管击穿；终端计算机对接收机解调得到的数据进行时实分析和处理，将结果存入碎片数据库或进行轨道预警等用途。

可行性论证

(1)作用距离估算

设Torus发射天线到碎片的距离与碎片到接收天线的距离相近，均为R；或者因为发射天线与接收天线间的距离比天线到碎片的距离近很多，故可近似认为发射天线到碎片的距离与接收天线到碎片的距离相等。设协同源的发射功率为P_i，发射信号的载波波长为λ，发射天线的增益为G_i，空间碎片的散射截面为σ，接收功率为P_r，天线的增益为G_r，接收效率为η，接收机灵敏度为P_{S min}，L为各种损耗之和。

设作用距离为R，则

探测系统的设计参数可取值如下：

发射机(即协同源)发射功率为500kw；

Torus天线主瓣半功率瓣宽空域覆盖0.6°×1°，天线增益

接收机灵敏度取-160dBw；

对直径为10cm的碎片进行探测，其反射截面

接收天线效率取0.6，天线增益为：为61.1dB；

对于自由空间衰减外的各种损耗，通过估算或取其经验值，L≈6.1dB。

将已知量代入作用距离公式，得：

根据系统设计参数，对于等效直径为10cm的碎片，系统的探测距离为1094.6km；若接收端采用相干积分法对信号进行捕获，通过对信号进行长时间的积分累加，可进一步提高接收机的灵敏度，设置合适的积分时间(比如信号周期为1ms，可取积分时间为10ms)，可使接收机灵敏度提高10dB。使用高灵敏度接收机对空间碎片进行探测，作用距离R≈1946.5km。这达到了空间碎片探测“十一五”规划中“具备全天候探测1000km高度以下10cm空间碎片能力”的探测要求。

(2)多目标监测能力估算

假设某一时刻在1000km内、1°×10°的空域覆盖范围内出现的碎片数为M，对于普测，一般空间碎片的角速度ω_SD≤1°/s，天线的扫描速度ω_SCAN≈5°/s。因为接收机定位碎片的时间为ms级，所以可以认为，在一个天线扫描周期中、在覆盖范围内存在2秒钟以上时间的碎片都可探测到。对碎片的各种运动情况取相同的平均概率，则可探测到的碎片数约为个。对于多目标跟踪，需分情况讨论，等效直径d＝10cm，距离R≈1000km的碎片，每次只能跟踪一个；d≥14.2cm，R≈1000km或d＝10cm，R≤840km的碎片，接收天线阵可分成两组，每组相当于一个大口径天线，可单独工作，每次可同时跟踪2个；d≥17.4cm，R≈1000km或d＝10cm，R≤760km的碎片，接收天线阵可分成三组，每次可同时跟踪3个，依次类推，对于更大的碎片或距离观测站更近的碎片，可同时跟踪的数量可进一步提高。

(3)捕获概率实验仿真估算

为了估算本发明方法对空间碎片的捕获能力，采用基于多圈Lambert匹配方法的碎片仿真软件对其捕获概率进行了仿真。

仿真取2006年9月19号0时到24时的空间碎片数据库数据作为输入源数据，假定发射站的位置位于国家天文台密云观测站，对观测站上空1°×10°的空域范围内经过的碎片进行统计，仿真数据如图5所示。

从仿真可得，在密云上空，1000km内、1°×10°的空域覆盖范围内，24小时内经过的碎片数总共为403个，其中有6个碎片为重复穿越；对碎片穿越时间的仿真显示，有374个碎片的穿越时间大于2秒，所以，系统对碎片的实际捕获概率为92.8％。

发明系统中的主要技术

(1)微弱信号处理技术。

经空间反射的信号非常微弱，并且大气环境中存在各种噪声，导致信号深埋于噪声之中，要成功接收，需要接收机具有对信噪比极低、强度极弱的信号的检测能力。这是地基雷达探测首先需要解决的问题。

本系统协同源发射直接伪码扩频信号，可在一定程度上提高信号的抗干扰性，在接收端采用相干积分方法和相关解扩，可提高接收机的灵敏度。伪码扩频技术、相干积分方法和相关解扩技术均是已有的信号处理技术。

直接伪码扩频技术原理框图如图6所示。伪码扩频是指待传输信息的频谱用某个特定的伪码扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，采用此技术后，扩频带宽甚至可能是信息带宽的几万倍。

相干积分法原理框图如图7所示。伪码扩频信号为周期信号，可任取一时间点，自此顺次截取一个周期长度的导航信号，分别与本地码作相关运算，并存储结果，然后将相关结果进行叠加运算。噪声信号没有相关性，相关处理后的幅度基本不发生变化，叠加后噪声幅度也不会有明显变化；寄生信号则有很好的相关性，寄生信号相关并相互累加后，信号明显增强。对寄生信号来说，相干累加是2π整数倍的移相器，在累加过程中是同相相加的，干扰分量只是能量相加，所以信噪比能显著提高。设置合适的积分时间，可大幅度提高接收机灵敏度。

相关解扩原理框图如图8所示。在直接扩频系统中，作为接收一方，要求在本机内产生一个和信息发送时使用伪随机码完全相同的伪随机序列(本地码)，并使其与外来随机码时序对齐，作相关运算，完成对所发送信号的跟踪、锁定和解调，这种接收方式称为相关接收。对于二进制信号而言，相关运算就是模二相加的过程。利用相关原理，将所需的信息恢复为原始的窄带数据信号，而不相关的信号仍保持为扩展的宽带信号。对此信号进行带通滤波，使有用信号通过，将无用信号滤除，可大幅度提高信噪比。

(2)空间碎片的精确定位。

根据导航的相关理论，要对空中物体进行定位，需要用多天线对信号进行接收，做好天线间的时间同步，进行快速相关接收，从而解决高精度的时差测量问题；再利用时差值求解坐标距离方程组，可得到碎片的三维位置坐标。对空间碎片的定位所使用的时差测量和坐标求解方法均为已有技术。

利用相关时差测量方法可求得某一空间碎片到接收天线阵中任意两天线单元间的高精度时间差值，相关时差测量原理方框图如图9所示。

以碎片到达天线A的时间为基准，求到达天线B的相对时延，表示为Δt，设碎片发射后的信号为s(t)，到达两接收天线时的噪声分别为n_A(t)和n_B(t)，它们互不相关，两天线接收到的信号分别为：

式中C₁和C₂分别为碎片至接收天线的传输损耗系数。两信号进行相关运算，有

r(τ)＝E{X_A(t)X_B(t+τ)} (2)

由式(1)、式(2)得

r(τ)＝Cr_S(τ-Δt) (3)

其中，C为常数，r_S(τ-Δt)为信号的自相关函数。由相关函数的性质

|r(τ)|≤|r(0)| (4)

可知，当τ＝Δt时，相关函数的模达到最大值，因此按|r_s(τ-Δt)|达到最大值时的τ值估计时差Δt。为了提高估计时差Δt的精度，采用时延估计算法中的互谱插值法，它属于时延估计的频域分析方法，采用频域补零，细化相关函数的时域波形以提高时延估计精度。

任意取四个接收天线单元，两两求信号时差，再联立坐标距离方程求解，就可确定碎片的位置，其定位原理图如图10所示。

设空间碎片的坐标为(x，y，z)，天线的坐标分别为(x_i，y_i，z_i)，i＝1，2，3，4，碎片到天线的距离为r1，i＝1，2，3，4，有

其中，Δt₂₁，Δt₃₁，Δt₄₁分别为天线2，3，4与天线1间的信号时差，它们可以用时差测量方法得到，为已知量；天线位置确定，其坐标(x_i，y_i，z_i)，i＝1，2，3，4也是已知的。在式(5)、(6)、(7)中，只有碎片的坐标(x，y，z)是未知数，联立三个方程，可唯一确定碎片的三个坐标分量。

(3)天线阵布局方案研究。

接收天线阵的结构将直接影响天线的接收效率和对信号接收的精度，如何使天线阵的布局最优化是提高系统探测能力需考虑的重要问题。本发明中的接收天线采用二维稀疏阵，在东西方向保留电子篱笆的特点，天线单元呈“一”字形排列，在一维阵的南北两侧对称分布一定数量的天线单元，构成二维阵列，可适当增大天线的接收范围。二维稀疏阵也可以看作由若干个十字形子阵组合而成，根据天线布阵理论，在天线单元比较少的情况下，十字排列也是比较理想的布阵方案。

Claims (8)

1.一种空间碎片的地基雷达二维稀疏阵探测方法，其特征在于，包括步骤：

a)设置具有扁平波束的环形抛物面发射天线，并采用单轴扫描的方法；

b)协同源发射伪码扩频后的已调制载波信号，协同源发射伪码扩频信号；

c)设置采用二维稀疏天线阵的接收天线，接收和处理反射信号；

d)在探测过程中，使用程差测量技术，对空间碎片进行定位。

2.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述a)步中，发射采用单轴扫描的环形抛物面发射天线，天线采用多馈源的偏馈结构。

3.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述c)步中，二维稀疏天线阵的接收天线，由十字形子阵组合而成，天线单元呈“一”字形排列，在一维阵的南北两侧对称分布的天线单元数量是一维阵方向天线单元数量的1/2～1/3构成二维阵列。

4.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述c)步中，反射信号的接收和处理，是经空间碎片反射的信号，信号采用直接序列的伪码扩频技术发射、相关解扩技术接收；在接收端采用相干积分方法对信号进行捕获。

5.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述d)步中，空间碎片定位，利用相关时差测量方法，求得某一空间碎片到接收天线阵中任意两天线单元间的时间差值；采用时延估计算法中的互谱插值法，该互谱插值法属于时延估计的频域分析方法，采用频域补零，细化相关函数的时域波形；任意取四个接收天线单元，两两求信号时差，再利用时间差值求解坐标距离方程组，得到碎片的三维位置坐标。

6.一种如权利要求1所述的方法使用的探测系统，包括发射站、接收站、辅助设备和计算机数据处理模块，其特征在于，所述发射站，设有扁平波束的环形抛物面发射天线，为可拆装发射天线；采用车载发射机，发射站的位置根据碎片观测任务的需要灵活移动。

7.如权利要求6所述的探测系统，其特征在于，所述接收站，设有二维稀疏天线阵的接收天线，在一维阵的南北两侧对称分布的天线单元数量，是一维阵方向天线单元数量的1/2～1/3。

8.如权利要求6所述的探测系统，其特征在于，协同源的工作频段在C波段或S波段。