CN108061892A - 一种星载全空域防撞告警系统 - Google Patents

一种星载全空域防撞告警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载全空域防撞告警系统，包含：一对MIMO雷达，其分别对称安装在卫星的对天面和对地面，每部MIMO雷达产生覆盖半球空域90°俯仰范围的扇形波束；每部MIMO雷达设置在旋转机构上，旋转机构带动MIMO雷达方位360°转动，覆盖整个半球空域。本发明能够在体积、功耗、重量有限的卫星平台上，采用一维旋转MIMO雷达工作体制，在0°~90°的俯仰维实现多个正交波束宽发窄收，配合方位维旋转机构，实现空间非合作目标的全空域快速搜索和持续跟踪。

Description

一种星载全空域防撞告警系统
技术领域
本发明星载全空域防撞告警系统，属于雷达系统与信号处理技术领域。
背景技术
星载防撞告警系统针对航天器面临的空间碎片等空间非合作目标的碰撞威胁，在体积、功耗、重量有限的卫星平台上，实现全空域、远距离防撞告警。目前未检索到星载防撞告警系统的相关文献，现有的防撞告警系统包括倒车防撞告警系统、ADS-B航空器运行监视系统、激光告警雷达、毫米波车辆防撞告警系统等，但是现有的防撞告警系统均无法满足星载防撞告警系统的功能性能需求。
倒车防撞告警系统的工作原理是在车辆移动的过程中利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性(纵波)，通过接收自身发射的超声波信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。由于超声波只能在空气中传播，并不适用于真空环境。
广播式自动相关监视(ADS-B)是基于GPS卫星定位和地/空数据链通信的航空器运行监视系统。装备了ADS-B系统的飞机或车辆通过机（车）载设备获取卫星定位信息以及其它实时动态信息，并将这些信息按照一定的格式生成数据包，然后通过无线数据链以每秒1次的速率进行广播式发送。地面基站或其它机（车）载设备接收到数据后，能在以电子地图为背景的显示终端上将这些飞机或车辆的信息以图标和附注的形式显示出来。由于ADS-B系统是一种基于合作目标的监视系统，并且需要GPS卫星和数据链支持，无法完成空间非合作目标的防撞告警。
激光雷达告警系统采用半导体激光源，通过一个旋转镜使激光束在360°水平面内扫描，完成全方位测距。每旋转一周可连续提供障碍物的距离和角度值，数据更新率高。由于半导体激光雷达需要大尺寸光学镜头减小束散角实现远距离探测，而极窄的束散角又导致全空域搜索时间过长，无法兼顾全空域、远距离的防撞告警需求。
毫米波防撞告警雷达作为汽车主动安全系统的首选，采用收发分置天线发射和接收调频连续毫米波，利用多普特频移技术来获得前方车辆的速度、距离等各种行驶表征参数，并通过有效的识别和跟踪来判断是否给驾驶员发出报警信号或者主动干预驾驶。微波雷达波束宽度较宽，有利于实现全空域快速搜索，并且远距离探测对微波雷达发射功率的需求适中，是实现星载防撞告警系统较为合理的一种技术途径。由于毫米波防撞告警雷达采用调频连续波体制，需要收发分置的两部天线，在实现远距离探测时需要较大的天线尺寸，导致毫米波防撞告警雷达的体积、重量超过卫星平台约束。
发明内容
本发明的目的是提供一种星载全空域防撞告警系统，在体积、功耗、重量有限的卫星平台上，采用一维旋转MIMO雷达工作体制，在0°~90°的俯仰维实现多个正交波束宽发窄收，配合方位维旋转机构，实现空间非合作目标的全空域快速搜索和持续跟踪。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种星载全空域防撞告警系统，其特点是，包含：一对MIMO雷达，其分别对称安装在卫星的对天面和对地面，每部MIMO雷达产生覆盖半球空域90°俯仰范围的扇形波束；
每部所述的MIMO雷达设置在旋转机构上，所述的旋转机构带动MIMO雷达方位360°转动，覆盖整个半球空域。
所述的MIMO雷达包含：
一MIMO雷达前端，其包含M个发射/接收模块，每个发射/接收模块产生一发射波形，各个发射波形彼此相互正交；
一信号处理模块，其与MIMO雷达前端相连。
所述的发射/接收模块的接收信道将目标回波信号混频至中频，再经过滤波、放大和数字采样后送至所述的信号处理模块处理。
所述的信号处理模块用于接收MIMO雷达前端输出的每一通道目标回波信号，通过时延和相位补偿进行数字波束合成，完成目标回波信号的相参积累，再依次完成恒虚警检测和目标跟踪。
所述的信号处理模块还用于控制旋转机构转动，使得所述的MIMO雷达实现360°转动和角度指向。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明采用一维MIMO雷达+一维旋转机构的系统方案，与现有专利的平面阵、球形阵、曲面阵相比，在保证全空域覆盖的基础上，实现了系统资源的优化配置，压缩了防撞告警系统的重量、体积、功耗；
2、本发明采用一维MIMO雷达产生直接覆盖半球空域90°俯仰范围的扇形波束，配合方位维旋转机构覆盖半球空域，与现有专利的一维旋转机扫一维相控阵扫描雷达相比，MIMO雷达有多个发射和接收孔径，各孔径具有独立选择信号的灵活性，有利于实现宽视场、多目标、弱目标探测和低截获概率；
3、本发明采用数字阵列雷达的通用开放架构，通过软件配置雷达的工作体制，实现全域告警雷达在广域搜索模式和目标跟踪模式之间的灵活切换，既能实现全空域范围的空间目标威胁告警，又能实现对感兴趣空间目标的持续跟踪，高数据率更新空间目标的运动状态信息。
附图说明
图1为本发明星载全空域防撞告警系统雷达的工作原理示意图；
图2为本发明星载全空域防撞告警系统雷达的结构示意图；
图3为本发明一种星载全空域防撞告警系统雷达的框图；
图4为MIMO雷达工作模式示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
一种星载全空域防撞告警系统，包含：一对MIMO雷达，其分别对称安装在卫星的对天面和对地面，每部MIMO雷达产生覆盖半球空域90°俯仰范围的扇形波束；每部所述的MIMO雷达设置在旋转机构上，所述的旋转机构带动MIMO雷达方位360°转动，覆盖整个半球空域（参见图2）。
上述的MIMO雷达包含：
一MIMO雷达前端，其包含M个发射/接收模块（T/R模块），每个发射/接收模块产生一发射波形，各个发射波形彼此相互正交；
一信号处理模块，其与MIMO雷达前端相连。
所述的发射/接收模块的接收信道将目标回波信号混频至中频，再经过滤波、放大和数字采样后送至所述的信号处理模块处理。
所述的信号处理模块用于接收MIMO雷达前端输出的每一通道目标回波信号，通过时延和相位补偿进行数字波束合成，完成目标回波信号的相参积累，再依次完成恒虚警检测和目标跟踪。
所述的信号处理模块还用于控制旋转机构转动，使得所述的MIMO雷达实现360°转动和角度指向。
图1为正交波形MIMO雷达的工作原理，发射时将雷达阵列分成M个子阵（或阵元），通过对数字收发单元的控制，使每个子阵发射相互正交的波形，该子阵即为上述的T/R模块。由于各子阵信号的正交性，在空间将不能同相位叠加合成高增益的窄波束，而是形成图1所示的低增益宽波束，探测范围更宽；由于阵面被分成M个子阵，波束主瓣增益将减小M倍，发射功率被分散到M个子阵，每个子阵发射功率为原发射总功率的1/M，抗截获性能明显提高。接收时采用匹配滤波技术恢复出M个子阵发射信号形成的回波，再利用数字波束形成技术同时产生N个窄波束覆盖整个视场范围。
图2为本发明星载全空域防撞告警系统雷达的结构示意图，星载防撞告警雷达采用一维旋转MIMO雷达工作体制，系统由两部相同的雷达组成，对称安装在卫星的对天面和对地面，各自覆盖半球空域。每部雷达采用一维MIMO雷达产生直接覆盖半球空域90°俯仰范围的扇形波束，再由一维旋转机构带动一维MIMO雷达实现360°方位维扫描，从而覆盖整个半球空域。当系统截获疑似目标时，MIMO雷达可切换成普通相控阵雷达，发射高增益窄波束对疑似目标进行智能识别和威胁确认。
图3为星载防撞告警雷达系统框图。系统主要由MIMO雷达前端、一维旋转机构、信号处理模块构成。MIMO雷达前端由M个通道数字T/R组件构成。每个通道的T/R组件的发射信道采用DDS+混频方式产生彼此正交的发射波形，具有相噪低、分辨力高、体积小、跳频速度快、工作频带宽的特点。接收信道则将雷达回波信号混频至中频，再经过滤波、放大和数字采样后，通过高速数据接口送至后端的信号处理组件。信号处理组件负责实现雷达系统的时序控制、波形控制、信号处理、机构控制等功能。针对MIMO雷达前端输出的每一通道信号，通过M个匹配滤波器将正交接收信号分离开，通过时延和相位补偿进行数字波束合成，完成目标回波信号的相参积累以提高信噪比，再依次完成恒虚警检测、目标跟踪和机构控制。一维指向机构主要由机座、框架、轴承、驱动电机和传感器组成。其主要功能是在信号处理组件的控制下，驱动电机转动，使MIMO雷达前端实现方位维360°转动和指向控制，并送出天线方位维指向角度信息，完成天线方位维位置实时角度采集。
图4为星载防撞告警雷达工作模式示意图。星载防撞告警雷达具有广域搜索模式和目标跟踪模式两种工作模式。广域搜索模式主要实现空间非合作目标的全空域防撞告警功能，系统采用一维旋转MIMO雷达工作体制，一维MIMO雷达的每个T/R通道独立发射相互正交的90°波束，同步产生多个窄接收波束覆盖90°的视场范围，配合方位维旋转机构，实现空间非合作目标的全空域远距离快速搜索，并利用距离、速度、角度等信息完成多目标智能识别；目标跟踪模式主要实现广域搜索模式下截获目标的高更新率精密跟踪测量，针对广域搜索截获目标的小范围区域，系统由MIMO雷达切换成相控阵雷达模式，利用高增益窄波束进行目标确认，并配合方位维旋转机构实现空间非合作目标的持续稳定跟踪和运动状态测量。
采用数字阵列雷达的通用开放架构，通过软件改变雷达发射时的工作波形和接收时的数字波形合成方式，实现雷达在广域搜索模式和目标跟踪模式之间的灵活切换。既能实现4π全空域范围的空间目标威胁告警，又能实现对感兴趣空间目标的持续跟踪，高数据率更新空间目标的运动状态信息。
综上所述，本发明一种星载全空域防撞告警系统，在体积、功耗、重量有限的卫星平台上，采用一维旋转MIMO雷达工作体制，在0°~90°的俯仰维实现多个正交波束宽发窄收，配合方位维旋转机构，实现空间非合作目标的全空域快速搜索和持续跟踪。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种星载全空域防撞告警系统，其特征在于，包含：一对MIMO雷达，其分别对称安装在卫星的对天面和对地面，每部MIMO雷达产生覆盖半球空域90°俯仰范围的扇形波束；
每部所述的MIMO雷达设置在旋转机构上，所述的旋转机构带动MIMO雷达方位360°转动，覆盖整个半球空域。
2.如权利要求1所述的星载全空域防撞告警系统，其特征在于，所述的MIMO雷达包含：
一MIMO雷达前端，其包含M个发射/接收模块，每个发射/接收模块产生一发射波形，各个发射波形彼此相互正交；
一信号处理模块，其与MIMO雷达前端相连。
3.如权利要求2所述的星载全空域防撞告警系统，其特征在于，所述的发射/接收模块的接收信道将目标回波信号混频至中频，再经过滤波、放大和数字采样后送至所述的信号处理模块处理。
4.如权利要求3所述的星载全空域防撞告警系统，其特征在于，所述的信号处理模块用于接收MIMO雷达前端输出的每一通道目标回波信号，通过时延和相位补偿进行数字波束合成，完成目标回波信号的相参积累，再依次完成恒虚警检测和目标跟踪。
5.如权利要求2所述的星载全空域防撞告警系统，其特征在于，所述的信号处理模块还用于控制旋转机构转动，使得所述的MIMO雷达实现360°转动和角度指向。
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