深空微波著陸雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢①

賀亞鵬，劉麗霞，張愛軍，黨紅杏，譚小敏

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

20世紀(jì)的50年代末至70年代是深空探測開展的密集區(qū)，人類已相繼實現(xiàn)月球和火星的軟著陸探測。蘇聯(lián)1966年1月發(fā)射的月球9號是世界上第一個在月球上實現(xiàn)軟著陸的月球探測器。首次在火星上實現(xiàn)軟著陸的探測器是1971年12月2日蘇聯(lián)的火星3號探測器[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類對資源、能源需求日益加劇，全球再次掀起深空探測高潮，探測目的由冷戰(zhàn)時期的政治和科學(xué)需要，轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)研究、資源探索和拓展生存空間為主要目的。美國、中國、日本、印度、和俄羅斯、歐洲等國家或組織均紛紛制定深空探測計劃，并著手實施[2-6]。

地外星體軟著陸和采樣返回是地外星體探測的重要方式，而安全精準(zhǔn)星體著陸需要著陸器的高度、距離和速度信息，特別情況下還需要具備著陸區(qū)主動避障功能。微波著陸雷達(dá)作為著陸探測器GNC分系統(tǒng)的敏感器之一，能夠穿透灰塵和發(fā)動機(jī)羽流全天時工作，在著陸下降段同時提供精確的測距和測速信息，通過精心設(shè)計還可同時具備成像避障功能，是確保著陸精度和安全的重要載荷。

文章主要圍繞21世紀(jì)深空探測著陸雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢展開論述。第2節(jié)論述了國外深空探測著陸雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀；第3節(jié)對國內(nèi)深空著陸雷達(dá)進(jìn)行簡要論述；第4節(jié)對國內(nèi)外深空著陸雷達(dá)進(jìn)行歸納分析并對發(fā)展趨勢進(jìn)行探討；第5節(jié)總結(jié)全文。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

表1列出國外近20年裝備有著陸雷達(dá)的典型深空著陸器型號。其中包括美國的6次著陸探測任務(wù)，歐空局的1次著陸探測任務(wù)。2020年美國火星探測項目在此未列出，依據(jù)報道將以NASA的好奇號火星車為基礎(chǔ)，采用已驗證的著陸系統(tǒng)和巡視器底盤設(shè)計方案，開展新的火星試驗。

1.1 歐空局ExoMars著陸雷達(dá)

Exomars著陸雷達(dá)(RDA)由TAS-I(Thales Alenia Space Italy)為歐空局火星探測計劃負(fù)責(zé)研制。Exomars著陸雷達(dá)工作在Ka頻段，測量配備4個波束(如圖1所示)，0號波束延高度線指向，其他3個波束方位向等角度間隔分布，高度線離軸角為20°，如圖1所示。

圖1 EXOMARS觀測幾何Fig.1 EXOMARS illuminating geometry

RDA系統(tǒng)由電子設(shè)備(REA)、天線模塊和雷達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)(RMF)組成，電子設(shè)備包含雷達(dá)主電子(RME)單元和波束切換單元(BRsA)組成。天線模塊包含4個波導(dǎo)縫隙天線。通過開關(guān)矩陣將分時復(fù)用的單一收發(fā)通道連接至4個天線，RDA系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 RDA系統(tǒng)組成Fig.2 RDA system components

RDA在著陸器上的安裝布局示意如圖3所示：

圖3 RDA安裝布局示意Fig.3 RDA system configuration

RDA設(shè)計技術(shù)參數(shù)由表2列出。

表2 RDA設(shè)計技術(shù)參數(shù)Table 2 RDA key parameters

1.2 好奇號著陸雷達(dá)

好奇號火星著陸雷達(dá)(Radar terminal descent sensor，TDS)是NASA/JPL為火星實驗室計劃專門設(shè)計的一部火星著陸雷達(dá)，較NASA前期火星計劃采用的著陸雷達(dá)性能指標(biāo)更為先進(jìn)。在設(shè)計過程中，JPL好奇號著陸雷達(dá)設(shè)計人員充分繼承了海盜號、鳳凰號等設(shè)計方案，其最終優(yōu)化方案更接近海盜號著陸雷達(dá)設(shè)計[7-9]。

TDS提供獨(dú)立的6個波束進(jìn)行測距測速，其中3個波束高度線離軸角為20°，1個波束延高度線指向，其它兩個波束高度線離軸角為50°。雷達(dá)工作在Ka頻段，工作中心頻率35.75GHz，雷達(dá)著陸過程中工作約2分鐘，體制選擇為簡單脈沖多普勒雷達(dá)，工作距離范圍為3.5Km～10m，波束數(shù)據(jù)更新率50ms，110V直流供電，總重量35Kg。雷達(dá)實物如圖4所示。

好奇號著陸雷達(dá)任務(wù)要求技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 好奇號著陸雷達(dá)參數(shù)Table 3 Curiosity landing radar key parameters

TDS由數(shù)字電子模塊(DEA)、數(shù)字電源配電器(DPDU)、RF電源配電器(RPDU)、頻綜(FSA)、上下變頻通道(UDA)、天線、前端濾波器組(FFA)、收發(fā)組件(TRM)、射頻功分器(RPDM)及射頻合路器(RPCM)組成，如圖5所示。

圖5 好奇號著陸雷達(dá)組成Fig.5 Curiosity landing radar components

1.3 洞察號/鳳凰號著陸雷達(dá)

洞察號(InSight)繼承鳳凰號(Phoenix)著陸器設(shè)計。鳳凰號著陸雷達(dá)在任務(wù)初期即秉承項目經(jīng)費(fèi)節(jié)約低成本、選用貨架式著陸產(chǎn)品、采用分析建模方法進(jìn)行系統(tǒng)測試驗證的指導(dǎo)原則，著陸雷達(dá)基于Honeywell公司生產(chǎn)的給高性能飛機(jī)使用的改進(jìn)HG9550高度計進(jìn)行適應(yīng)性修改。舍棄了天線與收發(fā)通道間的高速開關(guān)設(shè)計，使得最小探測高度從40m下降至理論的0m；收發(fā)分置設(shè)計由原來4波束4個天線修改為8個天線。波束指向為偏離高度線30°安裝。

鳳凰號著陸雷達(dá)在著陸器離火面12Km處上電進(jìn)入待機(jī)模式，約60s后BIT雷達(dá)自檢狀態(tài)反饋，在7.2Km高度處雷達(dá)進(jìn)入單一高度測量模式并進(jìn)行目標(biāo)搜索，在2359m處雷達(dá)捕獲目標(biāo)，1647m處進(jìn)入高度/速度測量模式，310m高度處雷達(dá)進(jìn)入精細(xì)多普勒模式，29m處雷達(dá)再次進(jìn)入單一高度測量模式，著陸后0.3s雷達(dá)關(guān)機(jī)，具體工作模式切換見圖6。

圖6 洞察號著陸雷達(dá)工作模式切換Fig.6 InSight landing radar operation modes switching sequence

1.4 美國下一代著陸雷達(dá)

美國下一代著陸雷達(dá)(NGR)主要針對行星著陸應(yīng)用，全天候、全天時、穿透塵埃和羽塵探測，滿足未來深空著陸應(yīng)用的高精度距離、速度測量和成像避障需求[10]。NGR工作在G頻段，中心頻率為160GHz。高頻段帶來的好處是同等波束寬度下天線面積更小，采用的器件體積小型化，具有優(yōu)異的測速能力和測速精度保證要求，易產(chǎn)生寬帶信號獲得高分辨成像功能，進(jìn)行測距、測速、成像避障一體化。NGR工作示意如圖7所示。

圖7 NGR工作示意圖Fig.7 NGR operation scenario

JPL 2004年提出G波段(160GHz)測速雷達(dá)，具備小于0.1mps測速精度；成像雷達(dá)具備28°視場、小于0.5°分辨力的能力。其關(guān)鍵技術(shù)包括高頻段TR組件、信號激勵分配以及一維頻掃天線陣等技術(shù)。選擇工作頻率在160GHz，孔徑27cm，陣元尺寸4.5mm，滿陣需約4000個陣元。高頻段采用了頻掃天線技術(shù)。頻掃天線的優(yōu)勢是可以提供一維電掃而不需要移相器及時延模塊。系統(tǒng)總共需要64個波位，波束寬度0.45°來覆蓋28°的視場。帶寬500MHz獲得距離分辨。系統(tǒng)總帶寬為32GHz，相對帶寬為20%。一維采用頻掃，另一維移相器數(shù)目可減少至大約64個。表4給出了NGR設(shè)計參數(shù)。

表4 NGR設(shè)計參數(shù)Table 4 NGR key parameters

JPL在這之前也曾嘗試設(shè)計過Ka和W頻段測距測速成像多功能一體化著陸雷達(dá)，下降著陸時，微波雷達(dá)在7Km～9Km開始探測工作，300m～500m降落發(fā)動機(jī)開始工作，選擇安全著陸區(qū)域，15s～30s后落地，500m處允許水平移動100m進(jìn)行避障。安全著陸允許障礙物高度小于1m，斜坡坡度小于30°。在高度1m處關(guān)閉發(fā)動機(jī)，高度5m處允許水平速度需小于1mps。因此，雷達(dá)作用距離為7Km～9Km，最近探測距離1m，高程誤差為10%，即10cm。500m處最大平移100m，則視場為±11.3°。采用跳頻進(jìn)行多視，同過二維稀疏陣設(shè)計減重。1GHz帶寬獲得15cm的垂直分辨率。通過仿真實驗驗證了精度可達(dá)到5cm～7cm。波束寬度7.7mrad，水平速度分量測量精度優(yōu)于4cmps，垂直分量精度優(yōu)于8cmps。Ka、W參數(shù)表如表5、表6所示。

表5 W頻段著陸系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Table 5 W-band landing radar key parameters

表6 Ka頻段著陸系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Table 6 Ka-band landing radar key parameters

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

自2004年中國正式開展月球探測工程以來，嫦娥三號、嫦娥四號分別于2013年和2019年初成功在月面著陸。嫦娥三號成功著陸標(biāo)志著中國成為世界上第三個有能力獨(dú)立自主實施月球軟著陸的國家。嫦娥四號探測器自主著陸實現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸。2016年1月，中國正式批復(fù)首次火星探測任務(wù)，計劃在2020年實現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視探測。2019年1月，國家航天局表示中國探月工程四期和深空探測工程全面拉開序幕，探月工程四期初步規(guī)劃包括四次探測任務(wù)，第一次即為嫦娥四號任務(wù)，已成功實施，其余分別為嫦娥六號、嫦娥七號和嫦娥八號，任務(wù)將在2030年前完成。

依據(jù)國內(nèi)深空著陸探測任務(wù)要求，航天五院西安分院承擔(dān)了已立項中國月球和火星探測微波著陸雷達(dá)型號任務(wù)。表7列出了國內(nèi)深空探測微波著陸雷達(dá)任務(wù)情況，其中嫦娥七號和嫦娥八號微波著陸雷達(dá)還未正式立項。

表7 國內(nèi)深空探測微波著陸雷達(dá)任務(wù)*注Table 7 Domestic landing radars for deep space missions

2.1 嫦娥著陸雷達(dá)

嫦娥著陸雷達(dá)為了實現(xiàn)設(shè)備輕量小型化和較優(yōu)的測速精度，工作在Ka頻段，測量配備5個波束，其中兩個測距波束，3個測速波束。著陸雷達(dá)采用了連續(xù)波雷達(dá)體制，其優(yōu)點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)、測速精度高。嫦娥三號/四號著陸雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)在表8中列出。嫦娥5號/6號著陸雷達(dá)充分繼承和優(yōu)化了嫦娥三號/四號著陸雷達(dá)，圍繞減重措施、系統(tǒng)設(shè)計裕度和新的環(huán)境適應(yīng)要求，雷達(dá)整機(jī)重量較嫦娥3減小將近10Kg，功耗降低20W。

表8 嫦娥三號/四號著陸雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)Table 8 ChangE-3/4 landing radar key parameters

嫦娥系列微波著陸雷達(dá)的成功研制，突破了小型輕量化一體化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。毫米波測距測速著陸雷達(dá)在軌工作狀態(tài)良好，適用于月背崎嶇地形安全軟著陸。表9列出嫦娥著陸雷達(dá)與與國際同類產(chǎn)品對比表格，主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，通過航天科技集團(tuán)公司鑒定，該型微波著陸雷達(dá)已達(dá)到國際同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。

表9 嫦娥著陸雷達(dá)與國際同類產(chǎn)品對比Table 9 Comparison between ChangE-3/4 landing radars and foreign types

2.2 火星計劃著陸雷達(dá)

中國火星計劃裝載有微波著陸雷達(dá)，著陸雷達(dá)繼承嫦娥系列著陸雷達(dá)設(shè)計，具備多波束同時測距測速能力；火星計劃著陸雷達(dá)指標(biāo)如表10所示。

3 發(fā)展趨勢探討

隨著電子技術(shù)發(fā)展，總結(jié)近20年著陸雷達(dá)發(fā)展，國外著陸雷達(dá)發(fā)展趨勢具備下述特點(diǎn)：

(1)微波著陸雷達(dá)工作頻段逐步提升

從上世紀(jì)六七十年代俄美深空探測著陸雷達(dá)的X、Ku頻段，逐步被現(xiàn)有成熟的毫米波雷達(dá)取代，現(xiàn)有國內(nèi)外微波著陸雷達(dá)幾乎全部工作在Ka頻段，工作頻率在35GHz左右；美國預(yù)研的NGR著陸雷達(dá)工作頻段更高，工作在G頻段(工作中心頻率為160GHz)，期間也對W頻段著陸雷達(dá)進(jìn)行了充分研究。高頻段工作易于實現(xiàn)小體積、高增益、窄波束天線，降低發(fā)射功率要求；同樣相參積累時間，頻段越高，速度分辨率越高，有利于獲得高精度測速；高頻段也有利于實現(xiàn)距離大帶寬和微波射頻器件小型輕量化，易于測距、測速和高分辨成像一體化設(shè)計。美國NGR雷達(dá)Ka頻段需要1.3m口徑天線，提升至W頻段后，僅需要0.5m口徑天線。

(2)用戶需求牽引微波著陸雷達(dá)體制選擇

微波著陸雷達(dá)體制選擇與用戶任務(wù)需求關(guān)系密切。國內(nèi)外著陸雷達(dá)體制大部分采用脈沖多普勒體制或連續(xù)波+脈沖多普勒混合體制，后者優(yōu)勢是更有利于實現(xiàn)距離大動態(tài)、高精度測距-測速應(yīng)用；三維速度測量多波束實現(xiàn)大部分采用分立多個子天線實現(xiàn)，非外力損傷情況下不會失效，可靠性極高；收發(fā)天線分置還是收發(fā)共用由著陸器著陸方式?jīng)Q定的最近作用距離相關(guān)，收發(fā)天線分置的型號有洞察號、鳳凰號、嫦娥系列以及火星計劃，收發(fā)天線共用型號有Exomars、好奇號，收發(fā)天線分置理論上可做到0m最近探測距離，實際要求的最近作用距離不小于1m，收發(fā)共用天線典型最近作用距離為10m，如Exomars、好奇號及美國2020火星計劃。

(3)半物理仿真系統(tǒng)進(jìn)行著陸雷達(dá)系統(tǒng)驗證節(jié)約研制成本成為主流

美國在鳳凰號著陸雷達(dá)在任務(wù)初期即提出采用半物理分析建模仿真系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試驗證的指導(dǎo)原則，以節(jié)約研制成本；歐空局也專門為ExoMars著陸雷達(dá)研制建立了全套的半物理仿真驗證平臺；嫦娥系列著陸雷達(dá)研制也采用半物理仿真系統(tǒng)、校飛試驗結(jié)合的驗證模式，對微波著陸雷達(dá)的功能、性能進(jìn)行全面測試。驗證手段方法推廣應(yīng)用在眾多在研著陸雷達(dá)型號任務(wù)。

(4)測距測速成像避障一體化設(shè)計

下一代著陸雷達(dá)主要向多功能一體化發(fā)展，頻段向W、G頻段提升，采用稀布陣、頻率電掃減少陣元個數(shù)，降低重量和成本；同時具備測距、測速和成像避障功能。

(5)著陸多傳感器融合處理趨勢明顯

美國JPL對多傳感器障礙探測和安全著陸區(qū)域選擇進(jìn)行了研究，通過雷達(dá)、相機(jī)和激光雷達(dá)多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自動安全著陸區(qū)域選擇，選擇因素包括區(qū)域安全性、科學(xué)數(shù)據(jù)回波以及工程實現(xiàn)約束等。提出了一種新穎的分層融合方法實現(xiàn)了實時主被動多傳感器融合，綜合考慮了低層次著陸區(qū)特征(斜度、粗糙度等)和高層次著陸區(qū)特征(山區(qū)、火山口等)在非確定性因素下進(jìn)行安全區(qū)域著陸選擇實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

我國積極推進(jìn)月球、火星、小行星等取樣返回深空探測任務(wù)，在各級領(lǐng)導(dǎo)用戶大力支持和著陸器GNC分系統(tǒng)任務(wù)的創(chuàng)新牽引下，微波著陸雷達(dá)突破了小型輕量化一體化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，首次采用國產(chǎn)化毫米波發(fā)射接收技術(shù)，推動了毫米波MMIC、MCM設(shè)計及國產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動了空間事業(yè)發(fā)展。隨著我國深空探測需求的逐步發(fā)展，著陸雷達(dá)測距、測速和成像避障一體化技術(shù)將是未來需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。