专利名称：基于天线组阵技术的空间碎片地基雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间技术领域，尤其涉及空间碎片地基探测技术。
背景技术：
从1957年世界第一颗人造卫星的发射至今，人类已向太空发射了近6000个航天 器。目前，被例行跟踪的直径超过10cm的地球轨道目标已超过10000个，其中只有约6% 是有效载荷，其余全是空间碎片。空间碎片是人类空间活动的产物，包括完成任务的火箭箭 体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生 的碎块等，是空间环境的主要污染源。空间碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安 全，它们和航天器的碰撞能直接改变航天器的表面性能，造成表面器件损伤，导致航天器系 统故障，对航天器的正常运行带来极大的�：�。随着航天活动的日益频繁，空间已成为国家及利益集团激烈争夺的领域，空间武 器化是这一领域争夺的必然结果。为应对来自太空的威胁，必须对包括空间碎片在内的所 有空间目标进行全面监测。对空间碎片的测量分为地基测量和天基测量。当前，中小尺度(小于10cm)空间 碎片主要用天基测量，大尺度空间碎片(大于10cm)则依靠地基测量方法。地基测量又分 为地基雷达探测和地基光学探测。光学探测只能在天空背景黑暗，目标受到太阳光照射的 条件下进行，且受气象条件的约束，视场较�。鲇胁饨悄芰Γ焕状镒魑鞫讲馍璞福晒� 测大的空域，具有全天候工作优点，是中低轨空间碎片探测的主要方式。对空间碎片探测数据的统计表明，尺寸大于1cm空间碎片的分布密度峰值都出现 在900km左右的轨道高度，这类碎片对航天器飞行安全的威胁最严重，同时这些碎片的尺 寸和轨道高度也刚好在地基雷达能够探测的大小和距离范围内。目前的技术主要对直径10 厘米以上的碎片进行跟踪监测，世界上只有美国和俄罗斯有能力对其进行全部监测。因此， 研究空间碎片——尤其是直径1至10厘米尺寸的空间碎片一一的地基雷达探测具有重要 的应用价值和现实意义。为了进一步研究空间碎片探测技术提供专用的地基雷达碎片探测设备，本发明提 出，以低地球区域为重点，建设由光学望远镜和精密跟踪雷达组成的主体设备，与其他协作 设备共同形成初步的地基监测网，初步形成10cm低地球轨道空间碎片的探测能力。根据上 述目标，将推进空间碎片的地基雷达探测，进行新型地基雷达探测技术的研究。目前国外空间碎片的观测主要采用大型相控阵雷达、电子篱笆和大型机械跟踪雷 达等，这些设备都需要很高的射频发射功率以及较高的建设和维护成本，并且很难同时实 现空间碎片——尤其是直径1至10厘米尺寸的空间碎片一的多目标普测和/或精确定 位能力。
发明内容
针对现有空间碎片传统地基雷达难以同时实现空间碎片的多目标普测和/或精确定位，并且需要很高的射频发射功率以及较高的建设和维护成本的缺点。本发明提出了 一种新的基于天线组阵技术的空间碎片地基雷达探测方案。本发明由信号发射和信号接收两大系统组成。基于天线组阵的空间碎片雷达系统 的接收和发射天线均采用大量中小天线组阵的方式。为了提高空间碎片的普测效率，发射 天线采用东西方向分布的一维天线阵，这种分布方式保证了发射信号具有南北宽、东西窄 的波束。接收天线采用近似圆形的平面二维天线阵，发射天线同时可作为接收天线进行数 据接收。当然，接收天线阵可以为任意形状的平面二维天线阵，近似圆形的平面二维天线阵 是最优选的。为扩大搜索范围，所有天线单元都具有机械扫描功能。本发明的信号发射采用天线组阵的方式。各天线数字波束信号发射前利用频率和 时统�？樘峁┑钠当旰拖辔煌降缏肥迪窒辔坏耐剑墒植ㄊ纬善魈峁└餍藕判枰� 调整的相位值。即，数字波束形成器计算为形成预期的天线阵波束所需要的各天线的相位 和幅值的加权值，从而得到预期的各天线数字波束信号。相位同步电路实现相位同步需要 对各天线数字波束信号之间的相位差进行校正，相位校正采用事前校正和实时校正相结合 的方法。事前校正主要利用已知精确轨道的卫星或较强的射电源作为信号源，通过信号相 关测量各天线的时延和相位差，确定天线的精确位置。校正时尽量选择不同方向的信号源， 同时要补偿信号源频率与雷达频率不一致造成的误差。由于单个天线的波瓣较宽，相位实 时校正可以利用可观测到已知精确轨道的的卫星或较大空间碎片的反射信号作为信标，通 过信号合成的SUMPLE相关算法计算相互之间的相位差，实时的对各天线数字波束信号进 行校正。对于事前校正实验，系统不发射信号，采用信号较强的同步通信卫星作为信号源对 天线时延和相位差进行测量。本发明的信号接收采用天线组阵的方式。各天线接收的空间碎片反射信号经功率 放大、下变频和模/数转换后，利用天线组阵技术对信号进行合成，通过测距和测角相结合 的方式实现空间碎片的普测和/或精测。天线阵的数据合成采用三种方法，一是直接利用 数字波束形成技术确定天线间的时延和相位差，对特定方向的信号进行接收。二是通过信 号相关的方法确定时延和相位差，信号对齐后再进行合成，这种方法应用最广的是SUMPLE 算法。三是通过MUSIC测向方法获得信号的到达方向，然在再利用数字波束形成技术进行 信号合成。上述三种方法各有优缺点，第一种方法是一种盲的探测方法，即利用已知的天线 位置和观测方向，通过计算的方法实现信号的时延和相位调整并进行信号合成，此方法不 需要进行相关运算，计算量最低，但需要进行扫描或并行运算才可以实现对信号的探测。第 二种方法利用SUMPLE相关算法时需要N(天线接收阵中的接收天线单元数)个相关器，可 以实时的获得各天线数字波束信号之间的时延和相位差。第三种方法可以较高精度的估计 多路信号的到达方向，但需要计算阵列信号的自相关矩阵，计算量最大。本发明针对空间碎 片不同的观测模式选择相应的方法，普测模式选择第一种方法，精测模式选择第二种方法 或第三种方法，其中优选第二种方法。本发明的有益效果本发明提出的基于天线组阵技术的空间碎片地基雷达，同时 具有多目标普测和/或精确定位能力；与传统的相控阵雷达和单天线雷达相比，具有更高 的探测精度(尤其是能够探测直径1至10厘米的空间碎片)、更大的灵活性和易扩展性、较 低的单天线发射功率以及更低的建设和维护费用。
图1是本发明基于天线组阵的空间碎片地基雷达系统结构示意图；图2是本发明基于天线组阵的空间碎片地基雷达系统的接收/发射天线阵示意 图；图3是本发明空间碎片普测天线阵波束示意图；图4是本发明的空间碎片精测�？橹械腟UMPLE信号合成系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是， 所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。图1是本发明基于天线组阵的空间碎片地基雷达系统结构示意图。雷达系统包括 信号发射和信号接收两大部分。信号发射部分由信号发生源、数字波束形成器、相位同步 电路、上变频器、功率放大器和发射天线阵等组成。信号接收部分由接收天线阵、隔离器、 LNA(低噪声放大器)、下变频器、ADC(模/数转换器)、空间碎片精测模块、空间碎片普测模 块和数据后处理交互�？榈茸槌伞Ｆ渲校藕欧⑸浜托藕沤邮樟酱蟛糠止灿闷德视胧蓖衬� 块。如图1所示，所述信号发射部分，包括信号发生源，用于产生信号；数字波束形成 器，用于计算为形成预期的天线阵波束所需要的各天线的相位和幅值的加权值，从而得到 预期的各天线数字波束信号；相位同步电路，对所述各天线的数字波束信号之间的相位差 进行校正以得到经校正的信号从而使信号的相位同步，通常这些相位差是由硬件设备的性 能、电缆长度以及电磁波传输路径的不一致造成的；多个上变频器，每个上变频器均用于使 经校正的信号变频为高频信号；多个功率放大器，每个功率放大器均对所得到的高频信号 进行功率放大；以及发射天线阵，其为多个发射天线单元沿东西方向分布的一维天线阵，每 一发射天线单元均用于将经过对应的功率放大器放大的信号发射到空间碎片。信号接收部 分包括接收天线阵，其为多个接收天线单元按平面排列的二维天线阵，用于接收空间碎片 反射回的信号；多个低噪声放大器，每个低噪声放大器均用于放大对应的接收天线单元接 收到的信号；多个下变频器，每个下变频器均用于将经过对应的低噪声放大器放大的信号 下变频为中频信号；多个模/数转换器，每个模/数转换器均用于将从对应的下变频器获得 的中频信号转换为数字信号；空间碎片精测�？椋捎肧UMPLE合成算法或在修正MUSIC测 向的基础上对从多个模/数转换器获得的数字信号进行信号合成以获得多路合成信号，并 利用所获得的多路合成信号进行多目标跟踪、精确测轨；空间碎片普测�？椋源佣喔瞿�/ 数转换器获得的数字信号进行数字波束形成和信号合成处理以获得多路合成信号，并利用 所获得的多路合成信号进行多目标多普勒测速、测角；以及数据后处理交互模块，用于对空 间碎片普测�？楹�/或空间碎片精测�？槭涑龅氖萁泻蟠聿⒂胨龅鼗状锵低� 以外的设备进行交互。频率和时统�？槲鱿辔煌降缏�、所述上变频器、所述下变频器 和所述模/数转换器提供频标和时间信息，在各发射天线单元发射信号前和各接收天线单 元接收信号后，利用频率和时统�？樘峁┑钠当旰拖辔煌降缏肥迪中藕畔辔坏耐�。本领域技术人员应该理解，根据需要，本发明的地基雷达系统可以仅包括空间碎 片普测�？榛蚩占渌槠饽？椋部梢园ㄕ舛�。当不进行空间碎片普测时，发射天线单元不必排列为沿东西方向分布的一维天线阵，而可以是其它方向和形状的天线阵。而且， 所述信号发射部分和信号接收部分中的很多�？榭梢员惶娲蚴÷裕纾藕欧⑸纯� 以和数字波束形成器形成一个数字波束信号发生源，或者根据需要或实际情况，可以省略 低噪声放大器。而且，频率和时统�？榭梢越鑫鱿辔煌降缏�、所述上变频器、所述下 变频器和所述模/数转换器中的某一种或几种装置提供频标和时间信息，即，当某些装置 的本振具有足够高的频率稳定度时，不用为这些装置提供频标和时间信息。图1中还示出了隔离器，当发射天线单元还被用作接收天线单元时，隔离器被用 于将发送到发射天线单元的信号和发射天线单元接收到的信号隔离开。当然，隔离器并非 必要，本领域技术人员知道有多种方式来使发射天线单元收发的信号隔离。本系统接收和发射天线均采用大量中小天线(天线口径为5米至30米)组阵的方 式，采用这一技术的优势是(1)与传统的相控阵雷达和单天线雷达相比，基于天线组阵技 术的地基雷达能够具有更大的视角、很低的单天线发射功率、更好的可扩展性以及更低的 建设和维护成本；(2)可以大大提高探测距离和增强小空间碎片的探测能力；(3)采用中小 天线与大天线相比，具有更好的性能、更强的工作稳健性、更低的建造费用和更好的计划灵 活性；(4)具有更宽的波瓣，易于同时实现对空间碎片的多目标普测和/或精确定位能力。假设每个发射天线的发射功率为Ps，则垂直于发射方向，距离天线阵为d处的单位 面积接收到的信号功率为
权利要求
一种基于天线组阵的空间碎片地基雷达系统，包括信号发射部分，其包括发射天线阵，该发射天线阵为多个发射天线单元沿东西方向分布的一维天线阵，该信号发射部分将信号通过该发射天线阵发射到空间碎片；以及信号接收部分，其包括接收天线阵，该接收天线阵为多个接收天线单元按平面排列的二维天线阵，该信号接收部分通过该接收天线阵接收空间碎片反射回的信号并进行信号合成，其中，所述信号接收部分还包括空间碎片普测�？椋涠运鲂藕沤邮詹糠纸邮盏降男藕沤惺植ㄊ纬珊托藕藕铣纱硪曰竦枚嗦泛铣尚藕牛⒗盟竦玫亩嗦泛铣尚藕沤卸嗄勘甓嗥绽詹馑�、测角。
2.根据权利要求1所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述信号接收部分还包括空间 碎片精测�？椋洳捎肧UMPLE合成算法或在修正MUSIC测向的基础上对空间碎片反射回的 信号进行合成以获得多路合成信号，并利用所获得的多路合成信号进行多目标跟踪、精确 测轨。
3.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述信号发射部分还包括信号发生源，用于产生信号；数字波束形成器，用于计算为形成预期的天线阵波束所需要的各天线的相位和幅值的 加权值，从而得到预期的各天线数字波束信号；相位同步电路，对所述各天线数字波束信号之间的相位差进行校正以得到经校正的信 号从而使信号的相位同步；多个上变频器，每个上变频器均用于使经校正的信号变频为高频信号；以及 多个功率放大器，每个功率放大器均对所得到的高频信号进行功率放大并将经过功率 放大的信号提供到每个发射天线单元。
4.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述信号接收部分包括 多个低噪声放大器，每个低噪声放大器均用于放大对应的接收天线单元接收到的信号；多个下变频器，每个下变频器均用于将经过对应的低噪声放大器放大的信号下变频为 中频信号；多个模/数转换器，每个模/数转换器均用于将从对应的下变频器获得的中频信号转 换为数字信号，并将此数字信号提供给空间碎片普测�？楹�/或空间碎片精测�？椋灰约笆莺蟠斫换ツ？椋糜诙钥占渌槠詹饽？楹�/或空间碎片精测�？槭涑龅氖� 进行后处理并与所述地基雷达系统以外的设备进行交互。
5.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述信号接收部分包括频 率和时统�？椋湮鲂藕欧⑸洳糠趾退鲂藕沤邮詹糠痔峁┢当旰褪奔湫畔ⅲ诟鞣� 射天线单元发射信号前和各接收天线单元接收信号后，利用频率和时统�？樘峁┑钠当旰� 相位同步电路实现信号相位的同步。
6.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中接收天线阵为近似圆形的 平面二维天线阵。
7.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述多个发射天线单元还作为所述多个接收天线单元的一部分，用于接收空间碎片反射回的信号。
8.根据权利要求4所述的空间碎片地基雷达系统，其中空间碎片精测�？榛拱ǚ直� 与每一接收天线单元相对应的多个时延和相位调整�？�、多个相关器、多个减法器和一个 信号合成器，当所述空间碎片精测�？槔肧UMPLE合成算法进行信号合成时，每一时延和 相位调整�？榫杂诖酉嘤Φ哪�/数转换器接收到的数字信号进行时延和相位调整，并将 调整后的信号发送到信号合成器进行信号合成，从而信号合成器输出合成信号，同时将合 成信号作为参考信号输出到所述多个减法器；同时，将调整后的信号发送到所述多个减法 器，从而获得参考信号与每路调整后的信号的多个差值；通过相关器使每路调整后的信号 与每个差值分别进行互相关，获得下一时刻的时延和相位的调整值。
9.根据权利要求3所述的空间碎片地基雷达系统，其中当所述相位同步电路对各天线 数字波束信号之间的相位差进行事前校正时，所述空间碎片地基雷达系统利用已知精确轨 道的卫星或较强的射电源作为信号源，通过信号相关测量各天线的时延和相位差，以确定 天线的精确位置。
10.根据权利要求9所述的空间碎片地基雷达系统，当所述相位同步电路对各天线数 字波束信号之间的相位差进行事前校正时，所述空间碎片地基雷达系统尽量选择不同方向 的信号源，同时补偿信号源频率与所述发射天线单元频率不一致造成的误差。
11.根据权利要求9所述的空间碎片地基雷达系统，所述空间碎片地基雷达系统除了 对所述各天线数字波束信号之间的相位差进行事前校正，还对所述相位差进行实时校正， 当所述相位同步电路对数字波束信号之间的相位差进行实时校正时，所述空间碎片地基雷 达系统利用可观测到的已知精确轨道的的卫星或较大空间碎片的反射信号作为信标，通过 空间碎片精测模块的SUMPLE合成算法计算数字波束信号与所述信标之间的相位差，实时 地对各天线数字波束信号进行校正。
12.根据权利要求5所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述频率和时统�？槭乔庵� 设备。
13.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述多个发射天线单元和 所述多个接收天线单元都具有两自由度的机械转动功能。
14.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述多个发射天线单元和 所述多个接收天线单元都是非均勻分布的。
15.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述多个发射天线单元的 载波频率选择自UHF、L、S、C和X频段中的任一频段。
16.根据权利要求1或2所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述多个发射天线单元分 别采用两种载波频率，其中每一载波频率选择自UHF、L、S、C和X频段中的任一频段。
17.根据权利要求16所述的空间碎片地基雷达系统，其中所述两种载波频率的频距大 于 100MHz。
全文摘要
本发明提供了一种基于天线组阵的空间碎片地基雷达系统，包括信号发射部分、信号接收部分以及频率和时统�？�。信号发射部分包括信号发生源、数字波束形成器、相位同步电路、多个上变频器、多个功率放大器以及发射天线阵。发射天线阵为多个发射天线单元沿东西方向分布的一维天线阵，每一发射天线单元均用于将经过对应的功率放大器放大的信号发射到空间碎片。信号接收部分包括接收天线阵、多个低噪声放大器、多个下变频器、多个模/数转换器、空间碎片精测�？�、空间碎片普测�？橐约笆莺蟠斫换ツ？�。接收天线阵为多个接收天线单元按平面排列的二维天线阵，用于接收空间碎片反射回的信号。
文档编号G01S7/02GK101980048SQ20101029670
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者孔德庆, 张洪波, 朱新颖, 李春来, 苏彦, 郑磊 申请人:中国科学院国家天文台
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