时间:2024-07-28
贺亚鹏,刘丽霞,张爱军,党红杏,谭小敏
(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)
20世纪的50年代末至70年代是深空探测开展的密集区,人类已相继实现月球和火星的软着陆探测。苏联1966年1月发射的月球9号是世界上第一个在月球上实现软着陆的月球探测器。首次在火星上实现软着陆的探测器是1971年12月2日苏联的火星3号探测器[1]。进入21世纪以来,人类对资源、能源需求日益加剧,全球再次掀起深空探测高潮,探测目的由冷战时期的政治和科学需要,转变为科学研究、资源探索和拓展生存空间为主要目的。美国、中国、日本、印度、和俄罗斯、欧洲等国家或组织均纷纷制定深空探测计划,并着手实施[2-6]。
地外星体软着陆和采样返回是地外星体探测的重要方式,而安全精准星体着陆需要着陆器的高度、距离和速度信息,特别情况下还需要具备着陆区主动避障功能。微波着陆雷达作为着陆探测器GNC分系统的敏感器之一,能够穿透灰尘和发动机羽流全天时工作,在着陆下降段同时提供精确的测距和测速信息,通过精心设计还可同时具备成像避障功能,是确保着陆精度和安全的重要载荷。
文章主要围绕21世纪深空探测着陆雷达技术的发展现状和趋势展开论述。第2节论述了国外深空探测着陆雷达的发展现状;第3节对国内深空着陆雷达进行简要论述;第4节对国内外深空着陆雷达进行归纳分析并对发展趋势进行探讨;第5节总结全文。
表1列出国外近20年装备有着陆雷达的典型深空着陆器型号。其中包括美国的6次着陆探测任务,欧空局的1次着陆探测任务。2020年美国火星探测项目在此未列出,依据报道将以NASA的好奇号火星车为基础,采用已验证的着陆系统和巡视器底盘设计方案,开展新的火星试验。
Exomars着陆雷达(RDA)由TAS-I(Thales Alenia Space Italy)为欧空局火星探测计划负责研制。Exomars着陆雷达工作在Ka频段,测量配备4个波束(如图1所示),0号波束延高度线指向,其他3个波束方位向等角度间隔分布,高度线离轴角为20°,如图1所示。
图1 EXOMARS观测几何Fig.1 EXOMARS illuminating geometry
RDA系统由电子设备(REA)、天线模块和雷达机械结构(RMF)组成,电子设备包含雷达主电子(RME)单元和波束切换单元(BRsA)组成。天线模块包含4个波导缝隙天线。通过开关矩阵将分时复用的单一收发通道连接至4个天线,RDA系统组成如图2所示。
图2 RDA系统组成Fig.2 RDA system components
RDA在着陆器上的安装布局示意如图3所示:
图3 RDA安装布局示意Fig.3 RDA system configuration
RDA设计技术参数由表2列出。
表2 RDA设计技术参数Table 2 RDA key parameters
好奇号火星着陆雷达(Radar terminal descent sensor,TDS)是NASA/JPL为火星实验室计划专门设计的一部火星着陆雷达,较NASA前期火星计划采用的着陆雷达性能指标更为先进。在设计过程中,JPL好奇号着陆雷达设计人员充分继承了海盗号、凤凰号等设计方案,其最终优化方案更接近海盗号着陆雷达设计[7-9]。
TDS提供独立的6个波束进行测距测速,其中3个波束高度线离轴角为20°,1个波束延高度线指向,其它两个波束高度线离轴角为50°。雷达工作在Ka频段,工作中心频率35.75GHz,雷达着陆过程中工作约2分钟,体制选择为简单脉冲多普勒雷达,工作距离范围为3.5Km~10m,波束数据更新率50ms,110V直流供电,总重量35Kg。雷达实物如图4所示。
好奇号着陆雷达任务要求技术参数如表3所示。
表3 好奇号着陆雷达参数Table 3 Curiosity landing radar key parameters
TDS由数字电子模块(DEA)、数字电源配电器(DPDU)、RF电源配电器(RPDU)、频综(FSA)、上下变频通道(UDA)、天线、前端滤波器组(FFA)、收发组件(TRM)、射频功分器(RPDM)及射频合路器(RPCM)组成,如图5所示。
图5 好奇号着陆雷达组成Fig.5 Curiosity landing radar components
洞察号(InSight)继承凤凰号(Phoenix)着陆器设计。凤凰号着陆雷达在任务初期即秉承项目经费节约低成本、选用货架式着陆产品、采用分析建模方法进行系统测试验证的指导原则,着陆雷达基于Honeywell公司生产的给高性能飞机使用的改进HG9550高度计进行适应性修改。舍弃了天线与收发通道间的高速开关设计,使得最小探测高度从40m下降至理论的0m;收发分置设计由原来4波束4个天线修改为8个天线。波束指向为偏离高度线30°安装。
凤凰号着陆雷达在着陆器离火面12Km处上电进入待机模式,约60s后BIT雷达自检状态反馈,在7.2Km高度处雷达进入单一高度测量模式并进行目标搜索,在2359m处雷达捕获目标,1647m处进入高度/速度测量模式,310m高度处雷达进入精细多普勒模式,29m处雷达再次进入单一高度测量模式,着陆后0.3s雷达关机,具体工作模式切换见图6。
图6 洞察号着陆雷达工作模式切换Fig.6 InSight landing radar operation modes switching sequence
美国下一代着陆雷达(NGR)主要针对行星着陆应用,全天候、全天时、穿透尘埃和羽尘探测,满足未来深空着陆应用的高精度距离、速度测量和成像避障需求[10]。NGR工作在G频段,中心频率为160GHz。高频段带来的好处是同等波束宽度下天线面积更小,采用的器件体积小型化,具有优异的测速能力和测速精度保证要求,易产生宽带信号获得高分辨成像功能,进行测距、测速、成像避障一体化。NGR工作示意如图7所示。
图7 NGR工作示意图Fig.7 NGR operation scenario
JPL 2004年提出G波段(160GHz)测速雷达,具备小于0.1mps测速精度;成像雷达具备28°视场、小于0.5°分辨力的能力。其关键技术包括高频段TR组件、信号激励分配以及一维频扫天线阵等技术。选择工作频率在160GHz,孔径27cm,阵元尺寸4.5mm,满阵需约4000个阵元。高频段采用了频扫天线技术。频扫天线的优势是可以提供一维电扫而不需要移相器及时延模块。系统总共需要64个波位,波束宽度0.45°来覆盖28°的视场。带宽500MHz获得距离分辨。系统总带宽为32GHz,相对带宽为20%。一维采用频扫,另一维移相器数目可减少至大约64个。表4给出了NGR设计参数。
表4 NGR设计参数Table 4 NGR key parameters
JPL在这之前也曾尝试设计过Ka和W频段测距测速成像多功能一体化着陆雷达,下降着陆时,微波雷达在7Km~9Km开始探测工作,300m~500m降落发动机开始工作,选择安全着陆区域,15s~30s后落地,500m处允许水平移动100m进行避障。安全着陆允许障碍物高度小于1m,斜坡坡度小于30°。在高度1m处关闭发动机,高度5m处允许水平速度需小于1mps。因此,雷达作用距离为7Km~9Km,最近探测距离1m,高程误差为10%,即10cm。500m处最大平移100m,则视场为±11.3°。采用跳频进行多视,同过二维稀疏阵设计减重。1GHz带宽获得15cm的垂直分辨率。通过仿真实验验证了精度可达到5cm~7cm。波束宽度7.7mrad,水平速度分量测量精度优于4cmps,垂直分量精度优于8cmps。Ka、W参数表如表5、表6所示。
表5 W频段着陆系统设计参数Table 5 W-band landing radar key parameters
表6 Ka频段着陆系统设计参数Table 6 Ka-band landing radar key parameters
自2004年中国正式开展月球探测工程以来,嫦娥三号、嫦娥四号分别于2013年和2019年初成功在月面着陆。嫦娥三号成功着陆标志着中国成为世界上第三个有能力独立自主实施月球软着陆的国家。嫦娥四号探测器自主着陆实现了人类探测器首次月背软着陆。2016年1月,中国正式批复首次火星探测任务,计划在2020年实现火星环绕和着陆巡视探测。2019年1月,国家航天局表示中国探月工程四期和深空探测工程全面拉开序幕,探月工程四期初步规划包括四次探测任务,第一次即为嫦娥四号任务,已成功实施,其余分别为嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号,任务将在2030年前完成。
依据国内深空着陆探测任务要求,航天五院西安分院承担了已立项中国月球和火星探测微波着陆雷达型号任务。表7列出了国内深空探测微波着陆雷达任务情况,其中嫦娥七号和嫦娥八号微波着陆雷达还未正式立项。
表7 国内深空探测微波着陆雷达任务*注Table 7 Domestic landing radars for deep space missions
嫦娥着陆雷达为了实现设备轻量小型化和较优的测速精度,工作在Ka频段,测量配备5个波束,其中两个测距波束,3个测速波束。着陆雷达采用了连续波雷达体制,其优点是作用距离远、测速精度高。嫦娥三号/四号着陆雷达技术指标在表8中列出。嫦娥5号/6号着陆雷达充分继承和优化了嫦娥三号/四号着陆雷达,围绕减重措施、系统设计裕度和新的环境适应要求,雷达整机重量较嫦娥3减小将近10Kg,功耗降低20W。
表8 嫦娥三号/四号着陆雷达技术指标Table 8 ChangE-3/4 landing radar key parameters
嫦娥系列微波着陆雷达的成功研制,突破了小型轻量化一体化设计等关键技术。毫米波测距测速着陆雷达在轨工作状态良好,适用于月背崎岖地形安全软着陆。表9列出嫦娥着陆雷达与与国际同类产品对比表格,主要技术指标优于国外同类产品,通过航天科技集团公司鉴定,该型微波着陆雷达已达到国际同类产品的领先水平。
表9 嫦娥着陆雷达与国际同类产品对比Table 9 Comparison between ChangE-3/4 landing radars and foreign types
中国火星计划装载有微波着陆雷达,着陆雷达继承嫦娥系列着陆雷达设计,具备多波束同时测距测速能力;火星计划着陆雷达指标如表10所示。
随着电子技术发展,总结近20年着陆雷达发展,国外着陆雷达发展趋势具备下述特点:
(1)微波着陆雷达工作频段逐步提升
从上世纪六七十年代俄美深空探测着陆雷达的X、Ku频段,逐步被现有成熟的毫米波雷达取代,现有国内外微波着陆雷达几乎全部工作在Ka频段,工作频率在35GHz左右;美国预研的NGR着陆雷达工作频段更高,工作在G频段(工作中心频率为160GHz),期间也对W频段着陆雷达进行了充分研究。高频段工作易于实现小体积、高增益、窄波束天线,降低发射功率要求;同样相参积累时间,频段越高,速度分辨率越高,有利于获得高精度测速;高频段也有利于实现距离大带宽和微波射频器件小型轻量化,易于测距、测速和高分辨成像一体化设计。美国NGR雷达Ka频段需要1.3m口径天线,提升至W频段后,仅需要0.5m口径天线。
(2)用户需求牵引微波着陆雷达体制选择
微波着陆雷达体制选择与用户任务需求关系密切。国内外着陆雷达体制大部分采用脉冲多普勒体制或连续波+脉冲多普勒混合体制,后者优势是更有利于实现距离大动态、高精度测距-测速应用;三维速度测量多波束实现大部分采用分立多个子天线实现,非外力损伤情况下不会失效,可靠性极高;收发天线分置还是收发共用由着陆器着陆方式决定的最近作用距离相关,收发天线分置的型号有洞察号、凤凰号、嫦娥系列以及火星计划,收发天线共用型号有Exomars、好奇号,收发天线分置理论上可做到0m最近探测距离,实际要求的最近作用距离不小于1m,收发共用天线典型最近作用距离为10m,如Exomars、好奇号及美国2020火星计划。
(3)半物理仿真系统进行着陆雷达系统验证节约研制成本成为主流
美国在凤凰号着陆雷达在任务初期即提出采用半物理分析建模仿真系统进行系统测试验证的指导原则,以节约研制成本;欧空局也专门为ExoMars着陆雷达研制建立了全套的半物理仿真验证平台;嫦娥系列着陆雷达研制也采用半物理仿真系统、校飞试验结合的验证模式,对微波着陆雷达的功能、性能进行全面测试。验证手段方法推广应用在众多在研着陆雷达型号任务。
(4)测距测速成像避障一体化设计
下一代着陆雷达主要向多功能一体化发展,频段向W、G频段提升,采用稀布阵、频率电扫减少阵元个数,降低重量和成本;同时具备测距、测速和成像避障功能。
(5)着陆多传感器融合处理趋势明显
美国JPL对多传感器障碍探测和安全着陆区域选择进行了研究,通过雷达、相机和激光雷达多种传感器数据进行自动安全着陆区域选择,选择因素包括区域安全性、科学数据回波以及工程实现约束等。提出了一种新颖的分层融合方法实现了实时主被动多传感器融合,综合考虑了低层次着陆区特征(斜度、粗糙度等)和高层次着陆区特征(山区、火山口等)在非确定性因素下进行安全区域着陆选择实现。
我国积极推进月球、火星、小行星等取样返回深空探测任务,在各级领导用户大力支持和着陆器GNC分系统任务的创新牵引下,微波着陆雷达突破了小型轻量化一体化设计等关键技术,首次采用国产化毫米波发射接收技术,推动了毫米波MMIC、MCM设计及国产化技术发展,促进了科学技术的进步,推动了空间事业发展。随着我国深空探测需求的逐步发展,着陆雷达测距、测速和成像避障一体化技术将是未来需要攻关的关键技术。
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