深空探測(cè)中著陸雷達(dá)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究

陳建武 史永敏 祝浩 郭紹剛 鄧樓樓 趙春暉 王立

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

雷達(dá)具有可自主地、全天時(shí)、全天候獲取遠(yuǎn)距離目標(biāo)信息的的特點(diǎn)，在人類探索宇宙過程中發(fā)揮著特別重要的作用。按照功能可分為地基雷達(dá)、星載表層穿透雷達(dá)和進(jìn)入、下降和著陸（Entry，Descent，Landing，EDL）雷達(dá)。地基深空探測(cè)雷達(dá)可用于對(duì)太陽(yáng)系行星、月球、火星等空間目標(biāo)科學(xué)研究，在月球、火星、小行星探測(cè)任務(wù)中有著獨(dú)特作用[1]。星載表層穿透雷達(dá)，工作在低頻波段，載于環(huán)繞器、著陸/巡視器，實(shí)現(xiàn)對(duì)天體目標(biāo)內(nèi)部的斷層成像，包括“阿波羅17號(hào)”軌道器的雷達(dá)探測(cè)儀ALSE[2]、“嫦娥三號(hào)”的測(cè)月雷達(dá)[3]、“火星快車”的 MARSIS[4]、火星勘測(cè)軌道飛行器的 SHARAD[5]等，成為行星地質(zhì)勘探、水冰勘察與小星體內(nèi)部成像的重要研究方法。

著陸雷達(dá)包括雷達(dá)高度計(jì)和多普勒測(cè)速雷達(dá)，在軍用飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)以及載人航天器、深空探測(cè)器等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，是深空探測(cè)器EDL系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品[6]。隨著技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，著陸雷達(dá)從單一雷達(dá)高度計(jì)發(fā)展到能夠同時(shí)測(cè)量高度與速度矢量，而且已具備自主著陸多功能感知能力，可在復(fù)雜環(huán)境下全天候工作，是未來無人著陸器定點(diǎn)和安全軟著陸的重要保障。

本文系統(tǒng)地歸納了以“阿波羅11號(hào)”、“嫦娥三號(hào)”、“嫦娥四號(hào)”為代表的月球探測(cè)器、以國(guó)外歷次成功著陸火星任務(wù)為代表的火星探測(cè)器以及以“隼鳥號(hào)”、OSIRIS-Rex為代表的小行星探測(cè)器任務(wù)中著陸雷達(dá)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，并對(duì)著陸雷達(dá)技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)及所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行展望與分析。

雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的散射來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定目標(biāo)的空間位置。著陸雷達(dá)用于測(cè)量和引導(dǎo)飛機(jī)、航天器等相對(duì)著陸區(qū)域的位置信息，包括方位、仰角、距離等，保證安全著陸。按工作波長(zhǎng)可分為微波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和太赫茲雷達(dá)等；按功能分為雷達(dá)高度計(jì)和多普勒測(cè)速雷達(dá)，分別利用電磁波飛行時(shí)間和多普勒效應(yīng)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度。

1 微波雷達(dá)

微波雷達(dá)（Microwave Radar）是指工作頻率在微波頻段的雷達(dá)。微波雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、指向性好、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，但天線口徑大、波束寬，影響了微波著陸雷達(dá)的體積和分辨能力。

1.1 月球著陸雷達(dá)

著陸雷達(dá)技術(shù)首次應(yīng)用于“阿波羅11號(hào)”登月艙，由雷達(dá)高度計(jì)和多普勒測(cè)速雷達(dá)組成，可以測(cè)量登月艙相對(duì)月面的速度和距離。著陸雷達(dá)安裝在登月艙下降級(jí)，由天線和電子線路兩部分組成。天線組件由天線陣和固態(tài)發(fā)射器組成，能產(chǎn)生、指向、發(fā)射并接收4波束微波信號(hào)。電子線路用于跟蹤、處理、轉(zhuǎn)換和放大多普勒或調(diào)頻/連續(xù)波的回波信號(hào)，并將獲取的位置和速度傳遞給控制計(jì)算機(jī)[7]。雷達(dá)高度計(jì)工作在鋸齒波調(diào)頻模式，測(cè)速雷達(dá)工作在連續(xù)波模式，頻率10.51GHz；通過機(jī)械裝置切換雷達(dá)天線指向增大量程范圍，實(shí)現(xiàn)1.4%測(cè)距精度和2.0%測(cè)速精度。

日本正在規(guī)劃的月球著陸器“月亮女神二號(hào)”（SELENE-2）搭載激光高度計(jì)、光學(xué)相機(jī)、著陸雷達(dá)等，用于精準(zhǔn)和安全著陸。著陸雷達(dá)采用4.3GHz的C波段脈沖體制多波束雷達(dá)（包含5個(gè)波束），其中一個(gè)42°寬波束用于測(cè)量垂直方向高度，4個(gè)15°傾斜窄波束測(cè)量水平方向速度。采用貼片陣列多波束天線，發(fā)射功率1W。根據(jù)測(cè)量高度分為3個(gè)工作模式，采用最小旁瓣脈沖壓縮技術(shù)并自動(dòng)調(diào)整脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)5%測(cè)量精度[8]。

我國(guó)“嫦娥三號(hào)”著陸器采用激光測(cè)距多普勒雷達(dá)和微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高度和速度測(cè)量，用于軟著陸動(dòng)力下降的自主導(dǎo)航[9]。微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)工作在X頻段（7.9GHz）和Ka頻段（34.24GHz）[10]，采用雙波段雷達(dá)有利于增強(qiáng)雷達(dá)對(duì)不同地形適應(yīng)能力，共配置有 5個(gè)天線波束，其中 3個(gè)獨(dú)立測(cè)速，1個(gè)獨(dú)立測(cè)距，1個(gè)兼具測(cè)距和測(cè)速功能，測(cè)量范圍15m～16km，測(cè)量精度0.33%[11]。

微波雷達(dá)在月球探測(cè)中發(fā)揮重要作用，但雷達(dá)天線體積大，測(cè)距精度低，而毫米波雷達(dá)具有波束窄、體積小和高精度特點(diǎn)，可用于著陸避障，印度“月船二號(hào)”采用 Ka波段著陸雷達(dá)[12]，美國(guó)重返月球探測(cè)器將沿用“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（Mars Science Laboratory，MSL）的毫米波著陸雷達(dá)[13]。

表1 月球著陸器上著陸雷達(dá)的性能指標(biāo)Tab.1 Performance of landing radar on lunar lander

1.2 火星著陸雷達(dá)

從1962年前蘇聯(lián)首次嘗試登陸火星，到2018年11月26日美國(guó)“洞察號(hào)”成功著陸火星，首次探測(cè)火星土壤內(nèi)部，世界各國(guó)共實(shí)施了21次著陸探測(cè)任務(wù)，完全成功的有8次，釋放了4個(gè)火星巡視器，分別是“火星探路者”（Mars Paths Finder，MPF）、“勇氣號(hào)巡視器”（Spirit，MER-A）、“機(jī)遇號(hào)巡視器”（Opportunity，MER-B）和“好奇號(hào)火星巡視器”（Curiosity），其外形如圖 1所示[14]。

圖1 美國(guó)三代火星巡視器對(duì)比Fig.1 Comparison of NASA Mars rovers

為了提高探測(cè)任務(wù)的科學(xué)回報(bào)，需要在保證安全著陸的同時(shí)，選擇火星表面特定高價(jià)值區(qū)域作為著陸點(diǎn)。提高著陸精度最有效方法是提升EDL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確著陸。著陸雷達(dá)一般在火星探測(cè)器拋除防熱罩之后引入，是EDL下降段的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，用于實(shí)時(shí)測(cè)量著陸器與火星表面的相對(duì)位置和速度。著陸雷達(dá)主要包括雷達(dá)高度計(jì)、多普勒雷達(dá)和激光雷達(dá)等，其中雷達(dá)高度計(jì)在火星探測(cè)器中獲得廣泛應(yīng)用。表2列出了火星探測(cè)器EDL關(guān)鍵敏感器的典型配置，一般包括慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、雷達(dá)高度計(jì)和多普勒雷達(dá)等，部分探測(cè)器配置光學(xué)相機(jī)用于補(bǔ)充測(cè)量速度以及下降過程中的事件監(jiān)測(cè)[15]，為將來自主避障積累數(shù)據(jù)。我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器也將采用微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)，并結(jié)合慣性測(cè)量單元獲取精確的相對(duì)導(dǎo)航精度[16]。

表2 火星探測(cè)器EDL敏感器配置Tab.2 Sensors for Mars detector EDL

首次成功著陸的火星探測(cè)器“海盜-1號(hào)”采用與阿波羅月球探測(cè)器相同的雷達(dá)高度計(jì)和終端降落著陸雷達(dá)；美國(guó)第一代火星車“火星探路者”和“火星探測(cè)巡視器”采用軍用飛機(jī)雷達(dá)高度計(jì)HG8505DA，通過振動(dòng)試驗(yàn)、熱試驗(yàn)和真空試驗(yàn)篩選后在軌飛行。HG8505DA是一款C波段脈沖連續(xù)波雷達(dá)，采用砷化鎵單片微波集成電路和固態(tài)發(fā)射技術(shù)，利用兩個(gè)正交天線發(fā)射非相干脈沖，工作在“第一返回”（First-return）模式，避免著陸器著陸姿態(tài)影響高度測(cè)量[17]?！盎鹦翘铰氛摺痹谶M(jìn)入火星大氣層的276s時(shí)，高度計(jì)第一次捕獲到地面高度1 591m，如圖2所示，在著陸過程中高度計(jì)測(cè)量結(jié)果無干擾或數(shù)據(jù)丟失。

圖2 火星探路者著陸雷達(dá)測(cè)量進(jìn)入高度Fig.2 The entry altitude of MER landing radar

“鳳凰號(hào)”（Phoenix）和“洞察號(hào)”（Insight）火星車要求著陸雷達(dá)具有多普勒測(cè)速功能，使著陸器能適應(yīng)火星表面各種斜坡，盡可能降低著陸瞬時(shí)速度，提高魯棒性[18]。著陸雷達(dá)繼承自“火星極地著陸器”（Mars Polar Lunder，MPL），采用4個(gè)寬波束輪流工作測(cè)量高度和速度。為提高速度測(cè)量精度，多普勒采樣周期設(shè)計(jì)為短周期和長(zhǎng)周期兩種模式。雷達(dá)利用雙相位調(diào)制脈沖原理，脈寬和調(diào)制波形隨著陸高度自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而獲得最強(qiáng)回波和精度，實(shí)現(xiàn)測(cè)速精度2%[19]。與“火星探路者”不同，雷達(dá)天線從4根增加到8根，實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離，避免天線切換速度影響最小探測(cè)高度，高度范圍0～2 438m，精度5%。為提高雷達(dá)可靠性，開展大量測(cè)試和驗(yàn)證工作，包括直升機(jī)掛飛試驗(yàn)、地面電信號(hào)模擬和計(jì)算機(jī)仿真等，仿真與試驗(yàn)誤差控制在1%以內(nèi)[20]。

“火星極地著陸器”著陸失敗原因可能是寬波束雷達(dá)性能受到著陸姿態(tài)和地形地貌的影響，在地面測(cè)試時(shí)使用了錯(cuò)誤的驗(yàn)證模型。為此“洞察號(hào)”建立雷達(dá)高可信模型，包括硬件、軟件和影響精度的環(huán)境效應(yīng)并開展降落試驗(yàn)，而且EDL系統(tǒng)算法能容忍模型的誤差，特別是驗(yàn)證著陸雷達(dá)數(shù)據(jù)有效性，并能夠處理未融合到模型中的質(zhì)心偏差、降落傘動(dòng)力學(xué)等。EDL系統(tǒng)仿真采用修正的表面散射模型，分析結(jié)果表明，雷達(dá)在表面散射特性變化很大的情況下仍能可靠工作[21]。此外，仿真發(fā)現(xiàn)著陸雷達(dá)在防熱罩分離時(shí)存在距離模糊問題，通過采取增加脈沖重復(fù)頻率和修改雷達(dá)啟動(dòng)搜索時(shí)序等方法予以糾正，并通過直升機(jī)掛飛試驗(yàn)驗(yàn)證，確保了著陸成功[22]?！傍P凰號(hào)”著陸過程中，著陸雷達(dá)首次捕獲的高度與IMU相差1 300m，這充分體現(xiàn)了著陸雷達(dá)的重要性。圖3顯示“鳳凰號(hào)”著陸雷達(dá)天線（中央8塊方形橙色部分）。

圖3 “鳳凰號(hào)”著陸雷達(dá)天線Fig. 3 Comparison of the altitude measurement results from landing radar and IMU

著陸雷達(dá)成功應(yīng)用于月球和火星探測(cè)器，測(cè)量精度從4%提高到2%，功耗從95W降低35W，體積縮小3倍，但這些著陸雷達(dá)工作在微波波段，雷達(dá)波束寬度較大，難以滿足精準(zhǔn)著陸和避障要求，需采用毫米波著陸雷達(dá)。

2 毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)（Millimeter-wave Radar），是指工作波長(zhǎng)介于1～10mm的雷達(dá)。毫米波雷達(dá)有更窄的波束，可提高雷達(dá)的角分辨能力和測(cè)角精度，并且有利于抗電子干擾、雜波干擾和多徑反射干擾等。由于工作頻率高，可獲得大信號(hào)帶寬和多普勒頻移，有利于提高距離和速度的測(cè)量精度和分辨能力。此外毫米波雷達(dá)具有可全天候工作，穿透能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可在雨、雪、霧霾、沙塵暴等惡劣氣候下工作。與微波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕，但探測(cè)距離等性能有所下降。

MSL采用進(jìn)入升力控制和空中吊車著陸方式，著陸誤差圓半徑從“海盜-1號(hào)”的140km縮小到10km，對(duì)著陸精度和高度要求更為苛刻。EDL系統(tǒng)要求終端下降傳感器（Terminal Descent Sensor，TDS）至少用3個(gè)波束測(cè)量速度，精度優(yōu)于0.25%，在所有速度波束上實(shí)現(xiàn)高精度斜距測(cè)量，同時(shí)需滿足著陸器嚴(yán)酷的動(dòng)力學(xué)特性要求，包括高姿態(tài)偏差和機(jī)動(dòng)速度。MSL速度測(cè)量精度比“海盜-1號(hào)”Ku波段速度計(jì)提升 5倍，達(dá)到 cm/s[23]，這就要求著陸雷達(dá)采用創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。為滿足速度測(cè)量精度要求，TDS工作在Ka波段（35.75GHz），雷達(dá)天線波束寬度更小，并且有利于縮小天線體積和減小到達(dá)角誤差，避免火星崎嶇地形引入較大速度測(cè)量誤差。TDS雷達(dá)共有6個(gè)波束，1個(gè)波束與探測(cè)器速度矢量軸平行，3個(gè)波束與垂直軸夾角是20°，沿著方位向均勻分布；2個(gè)波束沿著對(duì)地軸傾斜50°安裝，每個(gè)波束沿著方位向旋轉(zhuǎn) 30°。波束分布方案可保證著陸器分離后視場(chǎng)能覆蓋火星表面并能獲得速度信息。每個(gè)波束獨(dú)立工作且按設(shè)定順序進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，避免出現(xiàn)失鎖問題。

與傳統(tǒng)脈沖多普勒雷達(dá)相比，TDS創(chuàng)新點(diǎn)在于當(dāng)距離和速度信息未知且波束之間信息未共享的情況下，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靈活選擇雷達(dá)工作參數(shù)，包括脈寬、脈沖重復(fù)間隔、脈沖對(duì)隔離和測(cè)量靈敏度等。TDS的“無記憶”特性，使得著陸雷達(dá)在每次測(cè)量過程中各個(gè)波束能重新捕獲目標(biāo)，避免之前高度計(jì)設(shè)計(jì)中存在的距離模糊和高動(dòng)態(tài)問題以及熱屏蔽罩引發(fā)錯(cuò)誤鎖定等，剔除偶然錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果，有助于提高著陸的可靠性[24]。

TDS雷達(dá)由天線與收發(fā)模塊組件、射頻電子學(xué)和數(shù)字電子學(xué)三部分組成[25]。射頻部分由上/下變頻組件、頻率綜合器、功率分配/合成器和收發(fā)組件組成，通過電纜與波導(dǎo)縫隙天線及濾波器相連。數(shù)字電子學(xué)采用Vertex-II FPGA和SPACR處理器實(shí)現(xiàn)射頻電子學(xué)的時(shí)序控制、雷達(dá)回波數(shù)字化及處理和目標(biāo)判斷等功能。采用高速信號(hào)處理技術(shù)，在50ms時(shí)間內(nèi)完成6個(gè)波束信號(hào)處理，每個(gè)速度波束可在高速運(yùn)動(dòng)下完成速度和高度的高精度測(cè)量。

為實(shí)現(xiàn)最小測(cè)量高度10m，測(cè)距精度20cm，TDS雷達(dá)收發(fā)組件采用砷化鎵單片微波集成電路技術(shù)，開關(guān)切換時(shí)間優(yōu)于20ns，噪聲系數(shù)優(yōu)于9dB。由于雷達(dá)散射截面參數(shù)的不確定性，雷達(dá)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100dB。

作為全新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，TDS雷達(dá)開展了仿真分析和飛行試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)相結(jié)合的驗(yàn)證。2012年8月6日，MSL著陸過程中6個(gè)波束的高度和速度如圖4所示，其中箭頭所指測(cè)量目標(biāo)是防熱罩，由于TDS采用“無記憶”設(shè)計(jì)，不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤鎖定，EDL軟件很容易剔除該測(cè)量結(jié)果。

圖4 著陸雷達(dá)測(cè)量的高度和速度Fig.4 Plots of the TDS-measured altitude and velocity

TDS著陸雷達(dá)的“無記憶”設(shè)計(jì)方法也應(yīng)用于“火星生物學(xué)-2016”，由4個(gè)Ka波段雷達(dá)波束輪流測(cè)量高度和速度，通過靈活選擇脈沖寬度和脈沖重復(fù)間隔等參數(shù)，結(jié)合高精度信號(hào)采集和高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在10m～6 500m高度范圍內(nèi)高度和速度測(cè)量精度均優(yōu)于0.5%[26]。在超聲速降落傘減速階段，著陸器振動(dòng)量級(jí)超出 IMU設(shè)計(jì)上限，直接導(dǎo)致著陸器對(duì)降落方向判斷產(chǎn)生了約 165°的偏差，相當(dāng)于底部防熱罩調(diào)轉(zhuǎn)165°指向朝天的狀態(tài)。降落過程中雷達(dá)高度計(jì)工作正常，但測(cè)量結(jié)果被送入含有錯(cuò)誤姿態(tài)參數(shù)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行解算測(cè)量高度為負(fù)數(shù)，提前觸發(fā)控制程序，最終著陸器以超過150m/s的速度撞擊在火星地表，著陸失敗[27]。

火星著陸雷達(dá)從早期C波段微波雷達(dá)，發(fā)展到最新的Ka波段毫米波雷達(dá)，如表3所示，測(cè)距精度從3%提高到0.5%，速度精度提高5倍，而體積和波束逐漸減小。為實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)安全軟著陸，實(shí)現(xiàn)更高精度，美國(guó)提出發(fā)展G波段著陸雷達(dá)技術(shù)[28]。

表3 火星著陸雷達(dá)性能指標(biāo)Tab.3 Performance of the Mars Landing Radars

3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（Laser Radar）是采用激光器作為輻射源的雷達(dá)，是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。激光雷達(dá)具有可準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的三維信息、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但激光光束穿透能力在雨雪霧等極端天氣下性能下降，而且計(jì)算數(shù)據(jù)量大需要高性能處理器。由于激光雷達(dá)可以形成高精度三維地圖，因此在無人駕駛、自動(dòng)著陸、自主避障系統(tǒng)中具有重要作用。

深空探測(cè)器距離遠(yuǎn)，為提高著陸器在危險(xiǎn)著陸區(qū)域的生存能力，要求著陸器能夠自主完成障礙檢測(cè)和相應(yīng)的規(guī)避控制。激光雷達(dá)具有體積小、精度高的特點(diǎn)，可生成三維地形，更直接地描述了目標(biāo)區(qū)域的地形起伏和特征細(xì)節(jié)，實(shí)時(shí)自主檢測(cè)障礙。

基于測(cè)距原理的激光雷達(dá)應(yīng)用于月球、火星和小行星的地形探測(cè)和地質(zhì)學(xué)研究，生成高精度地形圖，包括火星全球勘探者的MOLA[29]、“月亮女神號(hào)”月球探測(cè)器上的LALT[30]、“嫦娥一號(hào)”的LAM[31]、“月球勘測(cè)軌道飛行器”的LOLA[32]、“月女神二號(hào)”的LIDAR[33]、OSIRIS-Rex的OLA[34]等。激光雷達(dá)不僅用于測(cè)量距離變化和表面粗糙度，建立品質(zhì)和表面模型，還用于著陸過程的控制和導(dǎo)航。

首次采用激光雷達(dá)技術(shù)在軌實(shí)施自主避障的是“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器，其激光雷達(dá)基于脈沖測(cè)距原理[35]，采用1 064nm半導(dǎo)體泵浦激光器設(shè)計(jì)四路測(cè)量通道，實(shí)現(xiàn)著陸器不同姿態(tài)下 15m～30km范圍內(nèi)0.2m測(cè)距精度。通過采用多點(diǎn)掃描成像體制和全光纖激光器，利用二維掃描測(cè)量方式獲取斜距信息并經(jīng)過拼接處理實(shí)現(xiàn)三維成像，成像精度15cm。在“嫦娥三號(hào)”著陸過程中，在12km高度引入激光雷達(dá)[36]，并利用三維成像敏感器對(duì)著陸器下方約 50m×50m區(qū)域進(jìn)行高精度三維成像，通過數(shù)據(jù)圖像處理，精確識(shí)別了障礙，確定安全著陸點(diǎn)[37]。

“隼鳥二號(hào)”小行星探測(cè)器在向小行星“龍宮”抵近過程中，采用激光雷達(dá)測(cè)量飛行器距離行星表面高度，由光學(xué)相機(jī)測(cè)量姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)在軌三維導(dǎo)航。激光雷達(dá)由1 064nm YAG激光器、接收機(jī)和數(shù)字控制器組成。EDL系統(tǒng)要求激光雷達(dá)測(cè)量范圍覆蓋 30m～25km，精度 1m，為此采用近距離和遠(yuǎn)距離兩套激光接收系統(tǒng)，如圖5所示，并引入自動(dòng)增益控制功能以彌補(bǔ)APD探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍不足的問題。在姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)控制下，激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖重復(fù)頻率和數(shù)據(jù)更新率最高達(dá)到1Hz。

圖5 “隼鳥二號(hào)”激光雷達(dá)系統(tǒng)組成Fig.5 Hayabusa2 LIDAR system block diagram

首臺(tái)在軌應(yīng)用的掃描類型激光雷達(dá)成功應(yīng)用于測(cè)量OSIRIS-Rex飛行器與小行星Bennu表面的距離及速度變化，見圖6。如果實(shí)際測(cè)量結(jié)果超出預(yù)期則飛行器逃逸行星表面，保證安全著陸[38]。Europa著陸器將采用掃描激光雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)和慣性測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)地形相對(duì)導(dǎo)航，激光雷達(dá)可在500m高度2s內(nèi)完成3D數(shù)字高程模型，選擇安全著陸點(diǎn)[39]。

圖6 OSIRIS-Rex激光雷達(dá)飛行產(chǎn)品Fig.6 A flight OSIRIS-Rex lidar

NASA為確保載人登月安全，研制的快閃激光雷達(dá)可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)地形進(jìn)行高精度三維成像，在斜距1km處識(shí)別出30cm障礙，精度達(dá)到8cm，是正在發(fā)展的主要激光著陸雷達(dá)技術(shù)[40]。

4 著陸雷達(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（1）毫米波/太赫茲等新技術(shù)應(yīng)用

從雙子星座計(jì)劃、勘察者計(jì)劃到阿波羅計(jì)劃，雷達(dá)高度計(jì)和多普勒雷達(dá)在NASA深空探測(cè)中發(fā)揮著至關(guān)重要作用，從早期的輔助跟蹤，發(fā)展到與地基雷達(dá)聯(lián)合測(cè)量，到后來著陸雷達(dá)、散射計(jì)、交會(huì)對(duì)接雷達(dá)等多重功能。ESA針對(duì)火星著陸任務(wù)，提出利用毫米波相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行障礙檢測(cè)和導(dǎo)航測(cè)量。在合成孔徑、多普勒銳化等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展稀疏目標(biāo)超分辨成像方法，采用卷積反演實(shí)現(xiàn)前視成像，滿足自主著陸、精確制導(dǎo)等應(yīng)用需求。此外太赫茲波（THz）的頻率高、波長(zhǎng)短，相比于毫米波和微波，可實(shí)現(xiàn)大帶寬與窄天線波束，在微小目標(biāo)探測(cè)和雷達(dá)成像具有明顯的優(yōu)勢(shì)，滿足深空探測(cè)著陸雷達(dá)高精度、小體積的需求。

（2）多體制雷達(dá)信息融合，功能更為完備

日本月球著陸巡視器“月亮女神二號(hào)”、印度“月船二號(hào)”和ESA探月任務(wù)為實(shí)現(xiàn)安全軟著陸，均開展障礙探測(cè)與規(guī)避技術(shù)研究，利用微波和激光雷達(dá)高度計(jì)和多普勒雷達(dá)測(cè)量高度和速度，利用成像激光雷達(dá)對(duì)著陸點(diǎn)附近進(jìn)行掃描成像，并結(jié)合光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)避障并自主選擇安全著陸點(diǎn)。

光學(xué)相機(jī)對(duì)光照條件要求較高，而且圖像數(shù)據(jù)處理計(jì)算量大，難以滿足導(dǎo)航避障實(shí)時(shí)性要求。毫米波雷達(dá)波束輻照特點(diǎn)允許探測(cè)器在很高高度獲取火星地表的高程和粗糙度信息，突破了激光雷達(dá)的作用距離限制，但同時(shí)也帶來了新問題，即波束寬度大，分辨率較低，無法用于檢測(cè)巖石等小尺寸障礙。激光雷達(dá)可直接獲取著陸點(diǎn)高分辨率三維地圖，精度高而且不受光照影響，但視場(chǎng)和作用距離受限。在未來著陸下降、障礙規(guī)避過程中，毫米波雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)、激光雷達(dá)的信息融合具有廣闊的應(yīng)用前景，不僅能夠測(cè)量著陸導(dǎo)航信息，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等算法可實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)/糾錯(cuò)、障礙規(guī)避、科學(xué)觀測(cè)。

（3）自主著陸障礙規(guī)避技術(shù)

雖然美國(guó)多次成功著陸于火星，日本也將“隼鳥號(hào)”探測(cè)器成功著陸于Itokawa小行星上，由ESA發(fā)射的“菲萊號(hào)”探測(cè)器成功著陸于丘留莫夫-格拉西緬科彗星上，然而這些探測(cè)器均不具有自主規(guī)避障礙功能，也沒有在軌實(shí)時(shí)評(píng)估著陸區(qū)域安全性的能力。采取自主著陸障礙規(guī)避技術(shù)，不僅能極大降低著陸失敗的概率，減小著陸誤差橢圓半徑，同時(shí)也會(huì)增加著陸器可探測(cè)天體的區(qū)域。另一方面，為了確保載人月面著陸安全，NASA開展ALHAT項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)“識(shí)別不小于0.3m的月巖和不小于5°的斜坡，在任意光照條件下安全精確地著陸于月面任何地點(diǎn)”的目標(biāo)。采用了多普勒激光雷達(dá)、激光高度計(jì)以及快閃激光雷達(dá)，可以在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)地形進(jìn)行高精度三維成像。為了增加科學(xué)回報(bào)，提高任務(wù)成功的幾率，未來的深空探測(cè)器著陸雷達(dá)必須具備避障能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

自主障礙檢測(cè)與規(guī)避是未來無人探測(cè)器和載人飛船采樣返回和精確著陸任務(wù)的一項(xiàng)必需技術(shù)。雷達(dá)，作為深空探測(cè)器EDL系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵儀器，承擔(dān)著高度、水平速度、垂直速度、障礙物等信息測(cè)量任務(wù)，是安全著陸過程的重要保障。

微波雷達(dá)以及毫米波雷達(dá)，不僅可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)量程、高精度的高度測(cè)量，基于脈沖多普勒測(cè)量體制還能測(cè)量深空探測(cè)器的水平與垂直速度。無論是阿波羅載人登月工程、嫦娥工程以及火星著陸器，還是NASA最新研制的獵戶座載人飛船、月球軌道空間站均采用雷達(dá)高度計(jì)和多普勒速度計(jì)，工作頻率從早期的 C波段發(fā)展到Ka波段，測(cè)量精度逐漸提高。NASA提出研制W波段、G波段雷達(dá)，以及與激光雷達(dá)融合的一體化敏感器。

與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)測(cè)量范圍小，但體積小質(zhì)量輕，而且測(cè)量精度高，在火星、小行星探測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用。特別是激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)精確測(cè)量和 3D點(diǎn)云成像，將在著陸導(dǎo)航、避障、科學(xué)探測(cè)中發(fā)揮重要作用。