基于GRAVES體制電子籬笆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于GRAVES體制電子籬笆系統(tǒng)設(shè)計(jì) 引言 “空間碎片”（亦稱太空垃圾）是人類航天活動(dòng)遺棄在空間的廢棄物，是空間環(huán)境的主要污染源。從年發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來(lái)，空間碎片總數(shù)已經(jīng)超過(guò)萬(wàn)個(gè)，總質(zhì)量已達(dá)數(shù)百萬(wàn)公斤，能觀測(cè)到的空間碎片平均每年增加大約個(gè)，大于的空間碎片現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了個(gè)?？臻g碎片主要分布在以下的低軌道區(qū)，它們對(duì)近地空間的航天器構(gòu)成嚴(yán)重威脅?？臻g碎片和航天器的平均撞擊速度是，厘米級(jí)以上的空間碎片可導(dǎo)致航天器徹底損壞，其破壞力之大幾乎無(wú)法防護(hù)，唯一的辦法是對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)施躲避。低地球軌道是指遠(yuǎn)地點(diǎn)低于的軌道，它占所有空間碎片數(shù)量的，運(yùn)行軌道偏心率低（小于）。法國(guó)的雷達(dá)是一種新型的“電子籬

2、笆”。年，法國(guó)航天研究所（）開(kāi)始研究專門(mén)用于空間監(jiān)視的法國(guó)電子籬笆系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱）。針對(duì)前面描述的空間目標(biāo)分布現(xiàn)狀，本文分析、設(shè)計(jì)了總體方案。 型雷達(dá)組成 雷達(dá)系統(tǒng)工作在頻段（），是連續(xù)波發(fā)射多普勒檢測(cè)的雷達(dá)，采用雙基地結(jié)構(gòu)，發(fā)射和接收相距，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使命是觀測(cè)低軌道（）空間目標(biāo)。系統(tǒng)發(fā)射陣地采用相控陣天線，由組的天線貼片陣列組成，每個(gè)陣列用寬波束發(fā)射連續(xù)波，用水平、垂直的波束在方、仰角的扇區(qū)內(nèi)進(jìn)行電子波束掃描，掃描時(shí)間為，方位覆蓋超過(guò)。接收天線陣地直徑為，由散布在其上的個(gè)接收天線陣元組成，每一個(gè)天線陣元和一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字化接收機(jī)相連，所有接收信號(hào)疊加可形成波束寬度為的垂直波束，如圖所示。雷達(dá)采用數(shù)字

3、波束形成技術(shù)，通過(guò)大天線孔徑形成的窄波束，能夠?qū)Πl(fā)射波束內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行精確定位，每路接收單元的回波信號(hào)經(jīng)后送入信號(hào)處理。圖雷達(dá)雙基地工作原理圖 系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題設(shè)計(jì) 工作頻率的選擇 （）目標(biāo)考慮地基空間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頻率選擇應(yīng)考慮不同頻段對(duì)目標(biāo)、多普勒頻率等的影響，進(jìn)行綜合分析。對(duì)于以上大小的目標(biāo)，從目標(biāo)特性上來(lái)說(shuō)性價(jià)比較高的頻率是，頻率繼續(xù)提高對(duì)沒(méi)有明顯的改善，并且還降低系統(tǒng)的威力且提高系統(tǒng)造價(jià)。此外必須防止系統(tǒng)對(duì)廣播、電視、通信等民用信號(hào)的干擾，國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定的雷達(dá)信號(hào)在之間。給出了尺寸估計(jì)模型（），對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真的數(shù)據(jù)，在諧振區(qū)進(jìn)行了平滑，繪出碎片與工作頻率的關(guān)系，如圖所示。（）頻率對(duì)相干積累時(shí)

4、間的影響假設(shè)光速為，工作頻率為，波長(zhǎng)為，相干積累時(shí)間為（），多普勒分辨率為（），衛(wèi)星加速度為（），故多普勒分辨率為。相干積累時(shí)間里的速度變化值：，對(duì)應(yīng)的多普勒變化范圍：，令，則速度分辨率槡槡。由上面推導(dǎo)可得，在加速度最大值確定的情況下，隨著工作頻段的提高，相干處理時(shí)間降低，圖模型與尺寸大小的關(guān)系速度分辨率的值變小，即速度分辨能力提高。然而，當(dāng)頻段升高時(shí)，將會(huì)造成更大的多普勒頻移，從而使得回波信號(hào)能量跨多普勒門(mén)現(xiàn)象將更加嚴(yán)重，如圖所示。法國(guó)在相干積累時(shí)間取，資料表明在處理速度的時(shí)候跨越幾個(gè)多普勒門(mén)，當(dāng)頻段升高時(shí)，在多普勒分辨能力相同的情況下，回波信號(hào)能量跨越多普勒門(mén)現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。對(duì)于空間目標(biāo)的

5、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其徑向速度變化率大多數(shù)不超過(guò)，則頻率變化。對(duì)于雷達(dá)的相干積累而言，其在積累時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的多普勒頻率變化量不應(yīng)超越單個(gè)多普勒頻率窗口，即，則有，即槡。圖目標(biāo)跨多普勒門(mén)示意圖并且隨著工作頻率的提高，相干處理時(shí)間將減少，非相干處理數(shù)目將增大，隨之帶來(lái)積累損失的增大。通常積累損失是發(fā)現(xiàn)概率、虛警概率和積累脈沖數(shù)的函數(shù)。如果工作頻率從提升到波段的，相干積累時(shí)間減少，非相干積累數(shù)目從個(gè)增加到個(gè)，對(duì)應(yīng)的損失約為。綜上所述，對(duì)于大小的空間目標(biāo)，隨著工作頻率從往上提高時(shí)，目標(biāo)得益不高，同時(shí)帶來(lái)非相干積累損失，同時(shí)頻率的升高將使得空間目標(biāo)在積累長(zhǎng)時(shí)間里不能看作是平穩(wěn)信號(hào)，不利于積累。最為關(guān)鍵的是，隨著頻率

6、的升高，在相同覆蓋空域及接收波束數(shù)目的情況下，需要減少接收天線的尺寸，由于接收孔徑的減少，雷達(dá)若要達(dá)到相應(yīng)的威力，必須數(shù)倍增加發(fā)射功率，從而增加了整個(gè)設(shè)備的造價(jià)。綜合考慮性能、造價(jià)等方面的影響，工作頻率可以取在（目前歐洲（）正在論證的電子籬笆系統(tǒng)也擬采用此段頻率）。 雷達(dá)位置的選擇 雷達(dá)站位置的確定應(yīng)該從下面幾點(diǎn)考慮：（）由于衛(wèi)星軌道的特點(diǎn)，從觀測(cè)數(shù)目上說(shuō)，觀測(cè)點(diǎn)越靠近赤道越有利于觀測(cè)目標(biāo)，大多數(shù)衛(wèi)星的軌道傾角都大于，所以在緯度左右的位置布站將可以觀測(cè)到大多數(shù)空中目標(biāo)。但從觀測(cè)定軌的角度考慮，如果電子籬笆系統(tǒng)布站緯度變高，則可以增加系統(tǒng)對(duì)空間目標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的定軌性能。（）雷達(dá)站周

7、圍應(yīng)該地勢(shì)相對(duì)平坦，對(duì)雷達(dá)的波束不造成阻擋；交通相對(duì)便利，有利于雷達(dá)站的架設(shè)和補(bǔ)給。隨著觀測(cè)的衛(wèi)星高度的增加（系統(tǒng)仰角覆蓋），電子籬笆系統(tǒng)對(duì)其觀測(cè)時(shí)間將相應(yīng)變大。表是利用軟件做布站緯度和觀測(cè)性能的仿真?？梢?jiàn)隨著站址緯度的增大，雷達(dá)對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)間變大，但對(duì)低傾角的衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間變短、甚至無(wú)法觀測(cè)?？偟膩?lái)說(shuō)，電子籬笆對(duì)地勢(shì)要求相對(duì)寬松，綜合考慮目標(biāo)軌道特性、地理環(huán)境特性，我們可以選擇雷達(dá)。發(fā)射站、接收站位置可在北緯東經(jīng)附近。 雙站間距考慮 確定好觀測(cè)站的位置后，緊接著是確定兩站的間距，法國(guó)兩站間距，歐洲空間監(jiān)視系統(tǒng)的電子籬笆計(jì)劃兩站間距，此參數(shù)應(yīng)該從以下考慮：（）發(fā)射站和接收站隔離電子籬笆采用連續(xù)

8、波信號(hào)，必須考慮雙基地雷達(dá)發(fā)射站和接收站的隔離問(wèn)題。達(dá)到隔離的目的，雙站間距至少應(yīng)滿足槡（槡槡）式中，為地球半徑；，為天線架高。在發(fā)射接收站架高的情況下，等于，所以從隔離上來(lái)說(shuō)，雙站間隔至少約以上。（）系統(tǒng)威力范圍用極坐標(biāo)系表示電子籬笆的雙基地雷達(dá)威力圖等值線是較為方便的，卡西尼卵形線族確定了雙基地雷達(dá)的三個(gè)不同工作區(qū)，由于觀測(cè)空間碎片，所以和近似相等，即選擇共基區(qū)域。假定雙基地系統(tǒng)威力為，系統(tǒng)觀測(cè)仰角在，則系統(tǒng)威力范圍如圖陰影部分所示，可見(jiàn)雙站距離大于，系統(tǒng)探測(cè)高度降低明顯。（）發(fā)射站和接收站的間距增加可以在一定程度上提高系統(tǒng)的定軌精度，距離間隔過(guò)大則會(huì)影響定軌解算的收斂性，如圖所示。下面給

9、出定軌仿真。仿真條件：考慮到各種不同站坐標(biāo)、觀測(cè)視場(chǎng)和觀測(cè)誤差的組合，我們一共生成了組仿真觀測(cè)資料（測(cè)角精度誤差為），每一組都包含了上述個(gè)目標(biāo)在前后共天時(shí)間區(qū)間內(nèi)的全部可觀測(cè)弧段，如表所示。 照射視場(chǎng)的選擇 電子籬笆視場(chǎng)的選擇對(duì)系統(tǒng)的觀測(cè)性能有著極大的影響。觀測(cè)視場(chǎng)的大小需要考慮兩個(gè)因素：觀測(cè)視場(chǎng)范圍大將提高系統(tǒng)對(duì)空間目標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間，從而提高定軌精度；觀測(cè)范圍的增大將使得系統(tǒng)對(duì)功率的需求成倍增加。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要在兩者之間權(quán)衡。下面我們用軟件對(duì)其性能進(jìn)行分析。法國(guó)系統(tǒng)視場(chǎng)的方位覆蓋，心指向正南方，仰角覆蓋，中心指向。發(fā)射機(jī)位于法國(guó)第戎（），經(jīng)度，緯度。歐洲電子籬笆設(shè)計(jì)中心指向，比法國(guó)中心指向稍高

10、，這是因?yàn)闅W洲電子籬笆緯度選擇在，比法國(guó)更靠南，這樣將能夠觀測(cè)更多的空間目標(biāo)。雖然地面站位置越靠近赤道可以觀測(cè)到更多的目標(biāo)，同時(shí)也可以提高觀測(cè)視場(chǎng)的仰角，來(lái)提高電子籬笆對(duì)較高軌道的空間目標(biāo)的觀測(cè)；但隨著觀測(cè)視場(chǎng)的提高，衛(wèi)星穿越波束的弧段也變短，從而影響測(cè)角精度。綜合考慮，視場(chǎng)中心選擇在。系統(tǒng)為了能夠達(dá)到對(duì)空間目標(biāo)每天至少兩次觀測(cè)的目標(biāo)，視場(chǎng)范圍越廣越好，考慮到以最低設(shè)備量滿足系統(tǒng)觀測(cè)要求，選擇方位觀測(cè)范圍為、仰角觀測(cè)范圍為作為電子籬笆系統(tǒng)的照射視場(chǎng)。圖為用建立電子籬笆系統(tǒng)的威力范圍的三維模型。 系統(tǒng)仿真 下面利用和互聯(lián)分析電子籬笆系統(tǒng)觀測(cè)性能。仿真設(shè)定雷達(dá)緯度為，中心指向，方位波束寬度為，俯仰波束寬度為，對(duì)目標(biāo)作用距離為。下載半長(zhǎng)軸小于的空間目標(biāo)個(gè)，具體參數(shù)分布如圖所示，仿真結(jié)果如圖所示，可見(jiàn)天觀測(cè)到低軌空間目標(biāo)總數(shù)為個(gè)，占仿真總數(shù)目的，平均每次觀測(cè)時(shí)間，平均每天觀測(cè)次，滿足系統(tǒng)探測(cè)需求。 結(jié)束語(yǔ) 法國(guó)體制電子籬笆系統(tǒng)（）是一種新