星载微波跟瞄雷达系统设计特点_李雁斌

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｂｏｒｎｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄｉｏ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａ－ ｂｒｏａｄ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄａｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄａｒ ａｒｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｅａｒｃｈｉｎｇ， ｃａｐｔｕｒｉｎｇ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｅｓ－ ｅｎｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄａｒｓ．
第４期
李 雁 斌 ，等 ：星 载 微 波 跟 瞄 雷 达 系 统 设 计 特 点
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常规检测即单 脉 冲 搜 索 模 式，用 于 搜 索 近 距 离目 标，和 通 道 的 脉 冲 回 波 信 号 经 混 频、正 交 化、 低通 滤 波、Ａ／Ｄ 变 换 以 后 与 门 限 比 较，当 超 过 门 限若干次后（由发 现 概 率、虚 警 概 率 决 定）可 确 认 为 目 标 ，转 入 跟 踪 模 式 。
第 ３４ 卷 第 ４ 期 ２０１３ 年 １２ 月
制 导 与 引 信
ＧＵＩＤＡＮＣＥ ＆ ＦＵＺＥ
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１３

文 章 编 号 ：１６７１－０５７６（２０１３）０４－００３９－０７
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制 导 与 引 信
第 ３４ 卷
根据国内微波雷达发展水平和用户总体要 求 ，对 照 国 外 星 载 微 波 雷 达 的 发 展 状 况 ，本 文 提 出了星载 微 波 跟 瞄 雷 达 系 统 设 计 的 总 体 方 案， 重 点 分 析 了 工 作 体 制 、工 作 模 式 和 信 号 设 计 等 内 容 ，并 对 雷 达 的 探 测 性 能 和 指 标 进 行 了 分 析 和验证。
在接收时，微波雷 达 通 过 脉 冲 压 缩 将 宽 脉 冲 压 缩 成 窄 脉 冲 ，以 满 足 雷 达 测 距 精 度 要 求 。
（２）测 速 工 作 体 制 星载微波跟瞄雷达一般采用相参积累多普勒 测速工作体制，通 过 测 量 回 波 信 号 与 发 射 信 号 间 的多普勒频率实现对微波雷达目标相对运动速度 的直接精密测量。由于多个脉冲回波信号之间具 有很好的相参特 性，可 以 通 过 脉 冲 间 相 参 积 累 实 现对目标运动速 度 的 高 精 度 测 量，同 时 还 可 以 改 善 检 测 信 噪 比 ，获 得 更 远 的 作 用 距 离 ，并 具 有 良 好 的抗干扰能力。 （３）测 角 工 作 体 制 星载微波跟瞄 雷 达 采 用 单 脉 冲 天 线 测 角，由 于 天 线 波 束 宽 度 窄 ，空 域 滤 波 性 能 好 ，可 大 大 减 少 从主波束进入的 多 径 信 号，有 利 于 提 高 航 天 器 近 距离交会测量过程中抗体目标多径反射的能力， 保 证 微 波 雷 达 近 距 离 测 距 、测 角 精 度 。 角闪烁引起的跟踪误差是单脉冲测角误差的 主 要 来 源 ，它 和 目 标 的 距 离 成 反 比 ，对 近 距 离 跟 踪 的影响尤为严重。卫星在太空轨道的姿态调整对 近距离角度跟踪 精 度 要 求 较 高，建 议 采 用 频 率 捷 变体制来抑制角闪烁引起的角度跟踪误差 。 ［３］
关 键 词 ：星 载 ；微 波 雷 达 ；系 统 设 计 中 图 分 类 号 ：ＴＮ９５９．１５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ Ｒａｄａｒ
ＬＩ Ｙａｎ－ｂｉｎ， ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒａｄｉｏ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）
１．２ 工 作 频 率 工作频率的选择与雷达的功能有关。星载微
波跟瞄雷达用于 太 空 目 标 的 搜 索 和 跟 踪，为 降 低 系 统 的 质 量 、体 制 和 功 耗 ，应 首 先 选 择 较 高 的 工 作 频率，如 Ｘ 波段、Ｋｕ波段 以 及 毫 米 波 波 段。 考 虑 国内 Ｋｕ波段 微 波 器 件、组 件 的 引 进、开 发、设 计 较成熟，如低噪声放大 器 （ＬＮＡ）、功 率 放 大、接 收 模块等系列比较 齐 全，能 够 提 供 满 足 宇 航 级 要 求 的 产 品 ，对 比 其 他 频 段 器 件 的 发 展 水 平 ，建 议 星 载 微波跟瞄雷达工作频率优先选择 Ｋｕ波段。
（１）测 距 工 作 体 制 星载微波跟瞄雷达的测距工作体制主要有调 频 法 测 距 、脉 冲 法 测 距 和 脉 冲 压 缩 法 测 距 。 对于非合作目 标，星 载 微 波 跟 瞄 雷 达 的 接 收 功率与距 离 Ｒ４ 成 反 比，为 了 获 得 较 远 的 作 用 距 离以及较高的距 离 分 辨 率 和 测 距 精 度，可 以 选 择 脉 冲 压 缩 法 测 距 ，同 时 设 计 不 同 的 测 距 工 作 模 式 ， 完成 远、中、近 距 离 的 目 标 探 测 和 跟 踪，并 有 效 降 低雷达功耗。 例 如 ，在 远 距 工 作 模 式 下 ，微 波 雷 达 在 发 射 时 采用较大的脉冲宽度，以解决对小 ＲＣＳ目标的远 距探测问题，并降 低 对 发 射 机 和 馈 线 承 受 高 峰 值 功 率 的 要 求 ，便 于 工 程 实 现 。 在 近 距 模 式 下 ，采 用 较 小 的 脉 冲 宽 度 ，减 小 收 发 隔 离 引 起 的 盲 区 范 围 。
星载微波跟瞄雷达系统设计特点
李雁斌， 张 敏
（上海无线电设备研究所，上海 ２０００９０）
摘 要：针对星载微波跟瞄雷达国内外发展 现 状，分 析 了 星 载 微 波 跟 瞄 雷 达 的 工 作 特 点， 详细阐述了星载微波跟瞄雷达系统设计中搜索、捕 获、测 量 及 可 靠 性 设 计 等 关 键 问 题，并 针 对 不同类型的星载微波跟瞄雷达提出了相应的解决途径。
星载微波跟瞄雷达设计不仅要满足雷达探测 性能 指 标 要 求，还 要 满 足 总 体 对 雷 达 功 耗、质 量、 体积的严格 要 求。 同 时，由 于 星 载 微 波 跟 瞄 雷 达 工 作 在 外 太 空 环 境 下 ，面 对 冷 热 交 替 、真 空 以 及 辐 射环 境，需 要 进 行 专 门 的 热 设 计、力 学 环 境 设 计、 电 磁 兼 容 设 计 、防 静 电 设 计 和 抗 辐 照 加 固 设 计 ，以 保证星载微波跟瞄雷达的可靠性 。 ［１］
与常规雷达检 测 方 法 不 同，星 载 微 波 跟 瞄 雷 达通常采用预定 检 测，根 据 星 上 计 算 机 预 先 提 供 的 目 标 角 度 、距 离 和 速 度 的 装 订 数 据 ，在 相 应 的 空 域 、时 域 和 频 域 内 快 速 、有 效 地 检 测 目 标 。
信号积累检测 有 两 种 基 本 方 法：相 参 积 累 和 非相参积累。相参积 累 在 中 频 实 现，Ｎ 个 等 幅 中 频脉冲信号同 相 累 加，输 出 幅 度 增 加 Ｎ 倍，功 率 增大 Ｎ２ 倍，而 Ｎ 各 独 立 同 分 布 随 机 噪 声 脉 冲 相 加后的噪声功率增加 Ｎ 倍，故相参积累使信噪比 改善 Ｎ 倍。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄａｒ；ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ
０ 概述
星载微波跟瞄雷达技术经过近四十年的发展 已经 相 当 成 熟，先 后 被 美 国、俄 罗 斯、欧 空 局 应 用 在空间飞行器交 会 对 接、深 空 探 测 以 及 军 事 用 途 中 。 对 空 间 目 标 探 测 时 ，微 波 雷 达 安 装 在 “追 踪 飞 行 器 ”上 ，可 在 指 定 空 域 内 对 “目 标 飞 行 器 ”进 行 搜 索和跟踪，实 时 为 “追 踪 飞 行 器 ”提 供 “目 标 飞 行
相参积累也可以在零中频复包络实现。非相 参积累在包络检波后实施。由于检波器的非线性 处理使信号与噪 声 混 杂 在 仪 器 中，故 非 相 参 积 累 的信噪比改善要差些。
（２）跟 踪 模 式 在 跟 踪 模 式 下 ，系 统 同 时 要 处 理 和 、差 三 个 通 道的回波信号。跟踪时采用频率捷变方式来提高 测 角 精 度 ，可 同 时 在 距 离 和 角 度 上 进 行 跟 踪 。 卫星控制系统 对 雷 达 发 出 工 作 指 令，雷 达 根 据指令进行全域搜索或预订区域搜索。搜索时先 进行角度搜索，发 现 目 标 后 进 行 角 度 捕 获 和 距 离 捕获，目 标 确 认 后，雷 达 进 入 跟 踪 模 式，进 行 角 跟 踪 和 距 离 跟 踪 ，可 进 行 跟 踪 过 滤 波 ，按 照 数 据 率 要 求 提 供 距 离 、角 度 、速 度 和 角 速 度 信 息 。 如 果 出 现 目标丢失，微波雷 达 将 保 持 目 标 丢 失 时 刻 的 天 线 波束 指 向，在 保 持 时 间 内，若 目 标 重 新 出 现，微 波 雷 达 会 立 即 锁 定 目 标 并 重 新 进 入 跟 踪 状 态 ；否 则 ， 微波雷达将以目标丢失时刻的天线波束指向角度 为中心，启动角度搜索功能 。 ［４］
电扫描方式具 有 无 惯 性 快 速 扫 描 的 优 点，但 相控设备复杂、接 收 前 端 的 Ｔ／Ｒ 组 件 数 量 多；国 外星载微波跟瞄雷达大多数采用机械扫描方式， 优 点 是 结 构 简 单 、技 术 成 熟 ，缺 点 是 需 要 采 用 伺 服 系统，扫描速度不及电扫描方式 。 ［２］
综 合 考 虑 雷 达 系 统 的 可 靠 性 、质 量 、功 耗 和 体 积因素，建议星载 微 波 跟 瞄 雷 达 采 用 技 术 成 熟 的 机械扫描方 式，信 号 采 用 脉 冲 体 制。 测 距 采 用 脉 冲 压 缩 法 ，兼 顾 作 用 距 离 与 测 距 精 度 ；测 速 采 用 脉 冲多普勒雷达体 制，可 进 行 全 相 参 积 累 有 效 提 高 检测前信噪 比。 测 角 采 用 比 幅 单 脉 冲 方 式，可 避 免回波脉冲间起伏对跟踪精度的影响。
１ 系统方案设计
１．１ 雷 达 体 制 星载微波跟瞄雷达信号体制上一般采用连续
波或者脉冲信号，天 线 采 用 机 械 扫 描 或 者 电 扫 描 方式。连续波雷 达 优 点 是 峰 值 功 率 要 求 低，但 要 求收发天线分置，测 距 要 求 信 号 采 用 调 频 或 者 调 相 方 式 ；而 脉 冲 雷 达 收 发 天 线 可 以 共 用 ，并 可 采 用 简单脉冲测距。
收 稿 日 期 ：２０１３－０３－２０ 作者简介：李雁斌（１９８３－），男，博 士，主 要 从 事 雷 达 信 号 处 理的研究。
器”的 测 量 信 息，包 括 相 对 距 离、相 对 速 度、方 位 角 、俯 仰 角 以 及 角 速 度 信 息 。
根据这些信 息，“追 踪 航 天 器”在 空 间 轨 道 上 可实现与 “目 标 航 天 器 ”的 接 近、对 接 或 者 绕 飞。 “追踪飞行器”可 以 是 航 天 飞 机、小 型 卫 星 以 及 空 间飞行器等。
１．３ 工 作 模 式 星载微波跟瞄雷达的工作模式主要包括搜索
模式和跟踪 模 式。 搜 索 模 式 用 于 捕 获 目 标，跟 踪 模式用于目标跟踪和目标参数估计。
（１）搜 索 模 式 对于太空目标，按 照 目 标 检 测 方 式 可 分 为 常 规 检 测 、恒 虚 警 检 测 、预 定 检 测 和 积 累 检 测 等 搜 索 模式。
由于雷达回波 信 号 往 往 伴 随 着 噪 声、杂 波 和 干扰，固定门限的 检 测 系 统 难 以 获 得 恒 定 的 虚 警 概 率 ，基 于 自 适 应 门 限 的 恒 虚 警 检 测 ，尤 其 是 距 离 －频率二维恒虚警检测技术在星载微波跟瞄雷达 中得到了广泛应用。恒虚警检测主要通过直接计 算参考单 元 的 平 均 功 率 作 为 杂 波 背 景 的 均 值 估 计，再 乘 以 门 限 因 子 作 为 检 测 门 限，控 制 虚 警 概率。