空间目标低功耗小卫星雷达搜索与跟踪方法与流程

1.本发明属于电子信息行业雷达技术领域，涉及空间目标低功耗小卫星雷达搜索与跟踪方法。


背景技术：

2.随着航天技术的发展，空间碎片、失效航天器等太空垃圾越来越多，对高价值卫星的空间安全带来威胁。为此，需要对空间目标进行探测。目前，空间目标探测基本是地基探测和天基探测两种途径。由于我国地基探测站大多分布在国内，探测点有限，探测空域有限，不能实现全空域、全天时对空间碎片的探测。而天基观测不受空域的限制，能够实现全空域空间目标的探测与跟踪。
3.天基空间碎片探测是利用包括卫星、飞船和空间站的天基平台上的探测设备和探测期间对空间碎片进行探测的方法，其中主要探测设备包括光学望远镜、微波雷达和激光雷达等。光学探测对光照条件有一定的要求，另外光学测量只能测角，难以高精度测距的限制会增加定位的难度。星载雷达由于其体积大，功耗高，更适合搭载于较大的卫星平台上。激光雷达具有定位精度高、抗干扰性强的特点，但目前空间大功率激光信号产生与接收技术还不成熟，在天基探测中也仅用于近距离空间目标的探测。
4.应用天基雷达探测空间碎片则可以采用专用的观测卫星，或者搭载负责其他任务的卫星、飞船、空间站等，也可以采用小卫星组网，将多个卫星分布在期望观测的整个轨道层中。目前国际上对空间碎片实行天基观测的雷达主要有：美国在国际空间站上搭载的用于监视轨道碎片的雷达，该系统能对国际空间站附近25km范围内的4～80m的空间物体进行跟踪测量。俄罗斯提出的采用毫米波天基雷达观测1～3mm的空间碎片。法国空间研究中心小卫星群上的微波雷达，此雷达系统每年可探测几百个毫米级的空间目标。此外，还有加拿大的空间碎片观测雷达以及意大利天基小目标探测雷达。我国对于天基雷达探测研究开始于2000年，提出了空间多波束测量雷达的思想。虽然对于天基雷达探测的研究工作已有几十年，但是目前雷达的探测能力有限。


技术实现要素：

5.鉴于上述技术问题，本发明提出了一种空间目标低功耗伴随小卫星的相控阵雷达技术，满足空间目标大范围搜索与跟踪应用需求。该相控阵雷达技术，能对25km范围内的40
°×
40
°
的三维空间目标进行搜索，实现0.4m的测距精度与0.03
°
的测角精度。通过分析不同波段雷达对大范围空间目标搜索与精细跟踪的性能，综合考虑搜索与跟踪、系统复杂度与功耗等因素，最终选择c波段作为雷达工作频段。相比于传统搜索雷达，该相控阵雷达具有同时进行搜索与跟踪、满足大范围进行搜索与跟踪等优势。
6.本发明的技术解决方案是：
7.第一方面，空间目标低功耗小卫星雷达搜索与跟踪方法，包括如下步骤：
8.1)发射雷达信号，进行目标搜索，根据雷达接收回波获得真实目标的测距结果，并
获得距离向和方位向的测距精度；
9.2)进行目标角度测量，获得真实目标的方位角度和真实目标的测角精度；
10.3)进行目标跟踪，确定目标的运动轨迹信息。
11.可选地，所述雷达为相控阵雷达。
12.可选地，选择c波段作为相控阵雷达的工作波段。
13.可选地，所述雷达的发射信号模式具体采用小时间带宽积与时间带宽积的时频正交收发工作模式。
14.可选地，步骤1)所述获得真实目标的测距结果，并获得距离向和方位向的测距精度的方法，具体为：
15.11)雷达发射信号；
16.12)对接收到的回波信号进行距离向压缩处理，获得距离压缩后的回波数据；
17.13)在方位向进行傅里叶变换处理，获得傅里叶变换结果；
18.14)根据距离向压缩后的回波数据、傅里叶变换结果，以及雷达成像的信噪比要求，判断目标是否存在，若存在目标，则进入步骤15)；反之，则返回步骤12)；
19.15)利用恒虚警检测方法，判断步骤13)获得的目标是否为真实目标，若为真实目标则进入步骤16)，反之，则返回步骤12)；
20.16)对真实目标的距离向和方位向根据归一化信噪比进行分析，得到真实目标的测距结果，并获得距离向和方位向的测距精度；
21.17)判定步骤16)获得的距离向和方位向的测距精度，是否均满足阈值要求，若满足则进入步骤2)，反之，则返回步骤12)。
22.可选地，步骤17)所述阈值要求具体为：距离向和方位向的测距精度均不小于0.5米。
23.可选地，步骤2)所述获得真实目标的方位角度和真实目标的测角精度的方法，具体为：
24.21)在雷达波束的扫描过程中，查找获得照射到目标的两个相邻波束，从而求解获得该两个相邻波束差和比；
25.22)根据步骤21)获得的差和比以及和差波束比查找表，确定真实目标的方位角度；
26.23)根据目标的真实角度和步骤22)计算得到的方位角度，重复步骤21)到22)多次，从而得到该目标的测角精度。
27.可选地，步骤3)所述确定目标的运动轨迹信息的方法，具体为：
28.31)根据真实目标的测距结果，以及真实目标的方位角度，调整波束对真实目标进行稳定跟踪；
29.32)若存在n个真实目标，则降低每个目标的跟踪帧频率为原跟踪帧频率1/n；反之则直接进入步骤33)；其中，n为大于1的正整数；
30.33)保持对真实目标的持续跟踪，在跟踪过程中进行轨迹关联处理，从而确定目标的运动轨迹信息。
31.第二方面，一种处理装置，包括：
32.存储器，用于存储计算机程序；
33.处理器，用于从所述存储器调用并运行所述计算机程序，以执行第一方面所述方法。
34.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被执行时，实现第一方面所述的方法。
35.本发明与现有技术相比具有如下优点：
36.1)通过发射小时间带宽积与时间带宽积的时频正交收发信号，该小卫星搭载的相控阵雷达同时满足在探测角度范围内对目标进行大范围无盲区探测。
37.2)本发明空间目标低功耗小卫星雷达搜索与跟踪方法中，相比于传统星载雷达体积大，功耗高，该相控阵雷达具有体积小、功耗低等优势。
附图说明
38.图1是大范围搜索模式下的snr与rcs关系曲线图；
39.图2是目标跟踪模式下的snr与rcs关系曲线图；
40.图3是相控阵雷达系统组成图；
41.图4是目标搜索模式示意图；
42.图5是时频正交收发工作模式示意图；
43.图6是信号处理模块流程图；
44.图7是卫星与目标的几何关系图；
45.图8是原始回波图；
46.图9是目标点处距离和方位切片图；
47.图10是扫描波束方向图；
48.图11是各个波束的差和比曲线图；
49.图12是五个点目标的距离压缩信号图。
具体实施方式
50.本发明空间目标低功耗小卫星雷达搜索与跟踪方法，对同时满足搜索和跟踪性能的雷达波段选取，接着对雷达搜索和跟踪性能的分析。包括步骤如下：
51.1)雷达波段选择
52.根据搜索模式下的雷达方程可知，搜索性能取决于雷达的功率孔径积；根据目标跟踪模式下的雷达方程可知，跟踪性能取决于雷达的功率孔径增益积。综合考虑大范围搜索、目标精细跟踪、系统复杂度与成本等因素，选择c波段作为微纳卫星小型化相控阵雷达的工作波段。
53.2)发射信号模式
54.为了尽量减小探测盲区，并降低信号之间的相互干扰，采用小时间带宽积与时间带宽积的时频正交收发工作模式。
55.3)进行目标搜索，获得真实目标的测距结果和距离向、方位向的测距精度
56.30)接收雷达回波信号，
57.31)首先对回波信号进行距离向的压缩处理，获得距离向压缩后的回波数据；
58.32)然后在方位向进行短时fft变换处理，获得fft变换结果；
59.33)根据距离向压缩后的回波数据、fft变换结果，以及雷达成像的信噪比要求，判断目标是否存在，若存在目标，则进入步骤34)；反之，则返回步骤31)；
60.34)利用恒虚警检测方法(cfar)，判断步骤33)获得的目标是否为真实目标，若为真实目标则进入步骤35)，反之，则返回步骤31)；
61.35)对真实目标的距离向和方位向根据归一化信噪比进行分析，得到真实目标的测距结果和距离向、方位向的测距精度；
62.36)判定步骤35)获得的距离向和方位向的测距精度，是否均满足阈值要求，若满足则进入步骤2)，反之，则返回步骤31)；阈值要求具体为：距离向和方位向的测距精度均不小于0.5米。
63.4)进行目标角度测量，获得真实目标的方位角度和真实目标的测角精度；
64.41)在雷达波束的扫描过程中，查找获得照射到目标的两个相邻波束，从而求解获得该两个相邻波束差和比；
65.42)根据步骤41)获得的差和比以及和差波束比查找表，确定真实目标的方位角度；
66.43)对于多个目标，分别对每个目标重复41)和42)；
67.44)对于每个目标，根据目标的真实角度和步骤42)计算得到的方位角度，重复步骤41)到42)多次，从而得到该目标的测角精度。
68.5)目标跟踪
69.51)根据真实目标的测距结果，以及真实目标的方位角度，调整波束对真实目标进行稳定跟踪；
70.52)若存在n个真实目标，为了保证snr信噪比要求，则降低每个目标的跟踪帧频率为原跟踪帧频率1/n；
71.53)保持对真实目标的持续跟踪，跟踪过程中进行轨迹关联处理，从而确定目标的运动轨迹信息。
72.空间目标低功耗伴随小卫星的相控阵雷达技术，伴随小卫星搭载的相控阵雷达需要同时满足大范围空间目标搜索与精细跟踪等多种任务需求，根据搜索模式下的雷达方程可知，搜索性能取决于雷达的功率孔径积；根据目标跟踪模式下的雷达方程可知，跟踪性能取决于雷达的功率孔径增益积。
73.综合考虑大范围搜索、目标精细跟踪、系统复杂度与成本等因素，最终选择c波段作为微纳卫星小型化相控阵雷达的工作波段。
74.搜索性能取决于雷达的功率孔径积
75.搜索雷达方程为
[0076][0077]
其中，p
av
a为功率孔径积，p
av
为平均发射功率，a为物理孔径，σ为雷达截面积，ω为立体角，t
s
为扫描时间，t
e
为有效温度，l为雷达损失，f为噪声系数，k是玻尔兹曼常数，r为目标距离。
[0078]
跟踪性能取决于雷达的功率孔径增益积。
[0079]
跟踪雷达方程如下：
[0080][0081]
其中，p
av
·
a
·
g为功率孔径增益积，f
frame
为跟踪帧率，n
target
为跟踪目标个数。根据目标跟踪模式下的雷达方程可知，跟踪性能取决于雷达的功率孔径增益积。
[0082]
选择c波段作为微纳卫星小型化相控阵雷达的工作波段。
[0083]
对于相同口径的x波段与c波段相控阵天线，x波段天线阵元数更多，为了满足同样的空域搜索时灵活的波束扫描能力，x波段相控阵雷达的tr组件数更多、结构更为复杂，而c波段的tr组件数相对较少、损耗较低，更容易满足轻量化、低成本等设计要求。综合考虑大范围搜索、目标精细跟踪、系统复杂度与成本等因素，最终选择c波段作为微纳卫星小型化相控阵雷达的工作波段。
[0084]
对于小型化相控阵雷达系统设计
[0085]
1)本发明提出的基于微纳卫星的相控阵雷达组成主要包括c波段相控阵天线与电子学系统两个部分。c波段相控阵天线包括100个天线阵元与25个tr组件，每个tr组件给2
×
2的天线子阵进行馈电，每个tr组件的发射信号峰值功率为10w，信号占空比小于10％。相控阵天线可扫描覆盖40
°×
40
°
空域范围，实现大范围空间目标搜索。电子学系统主要包括信号发射器、中频接收机、射频电路、时钟管理单元、fpga与信号处理单元等，fpga主要完成系统的信号产生、回波接收、回波数据存储等时序控制，信号处理单元主要完成空间目标的检测与参数估计等。
[0086]
2)该相控阵雷达通过电扫描方式实现大范围内的空间目标搜索探测，根据天线波束宽度与搜索空域可知，相控阵天线在方位向与俯仰向分别扫描6个波束；由于总搜索时间为1s，则每个波束的驻留时间约为27.8ms。当搜索目标后，调整波束对目标进行长时间跟踪，为了满足10hz的跟踪帧频率需求，相比搜索模式下，相干积累时间为100ms，snr将提升5.5db。对于多个目标，为了保证snr要求，需要适当降低每个目标的跟踪帧频率，例如，对三个目标进行同时跟踪，每个目标的跟踪帧频率约为3.3hz。
[0087]
3)为了尽量减小探测盲区，并降低信号之间的相互干扰，采用小时间带宽积与时间带宽积的时频正交收发工作模式。
[0088]
对于目标搜索与跟踪的信号处理方法
[0089]
对于测距误差，首先对目标回波进行距离向压缩处理，然后在方位向进行短时fft。通过对目标的距离和方位向根据归一化信噪比进行分析，得到测距精度。如果发现目标存在，利用和差波束方法探测目标角度，计算得到的各个波束的差和比，通过对不同角度的目标进行距离压缩可以得到目标的测角精度。通过测速和测角分析，可以得到所探测目标的距离与角度信息。
[0090]
主要发明创新点包括：
[0091]
1)创新性地将大范围空域目标搜索与测量跟踪相结合，提出基于伴随小卫星的相控阵雷达探测与测量技术，分析了不同波段雷达对大范围空域目标搜索与测量跟踪的性能，得出c波段雷达具有综合性价比高优势的结论。
[0092]
2)详细阐述了小型化相控阵雷达系统设计、远近目标分时探测收发时序、目标搜索与测量的信号处理方法，从而可以实现在探测角度范围内对目标进行大范围无盲区探测。
[0093]
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种相控阵雷达系统设计、目标搜索与跟踪的信号处理方法，测距和测角误差分析技术。
[0094]
一、根据搜索模式下的雷达方程可知，搜索性能取决于雷达的功率孔径积，图1给出了功率孔径积为4w
·
m2、1.5s内搜索距离为25km、空域覆盖范围为40
°×
40
°
的snr与rcs关系曲线，可知x、c、s三个波段雷达的snr几乎一致。根据目标跟踪模式下的雷达方程可知，跟踪性能取决于雷达的功率孔径增益积，图2给出了相同参数下，同时跟踪三个目标、目标跟踪帧率为10hz的snr与rcs关系曲线，可以看出x波段与c波段能满足rcs为0.5m2以上目标的跟踪snr要求(约20db)。对于相同口径的x波段与c波段相控阵天线，x波段天线阵元数更多，为了满足同样的空域搜索时灵活的波束扫描能力，x波段相控阵雷达的tr组件数更多、结构更为复杂，而c波段的tr组件数相对较少、损耗较低，更容易满足轻量化、低成本等设计要求。综合考虑大范围搜索、目标精细跟踪、系统复杂度与成本等因素，最终选择c波段作为伴随小卫星相控阵雷达的工作波段。
[0095]
二、图3给出相控阵雷达系统，主要包括c波段相控阵天线与电子学系统两个部分。c波段相控阵天线包括100个天线阵元与25个tr组件，每个tr组件给2
×
2的天线子阵进行馈电，每个tr组件的发射信号峰值功率为10w，信号占空比小于10％。相控阵天线可扫描覆盖40
°×
40
°
空域范围，实现大范围空间目标搜索。电子学系统主要包括信号发射器、中频接收机、射频电路、时钟管理单元、fpga与信号处理单元等，fpga主要完成系统的信号产生、回波接收、回波数据存储等时序控制，信号处理单元主要完成空间目标的检测与参数估计等。
[0096]
三、参照图4，该相控阵雷达通过电扫描方式实现大范围内的空间目标搜索探测，根据天线波束宽度与搜索空域可知，相控阵天线在方位向与俯仰向分别扫描6个波束；由于总搜索时间为1s，则每个波束的驻留时间约为27.8ms。当搜索目标后，调整波束对目标进行长时间跟踪，为了满足10hz的跟踪帧频率需求，相比搜索模式下，相干积累时间为100ms，snr将提升5.5db。对于多个目标，为了保证snr要求，需要适当降低每个目标的跟踪帧频率，例如，对三个目标进行同时跟踪，每个目标的跟踪帧频率约为3.3hz。此外，为了尽量减小探测盲区，并降低信号之间的相互干扰，采用小时间带宽积与大时间带宽积的时频正交收发工作模式，时序如图5所示。
[0097]
四、参照图6，对c波段不同目标，进行测距误差，测角误差，测速范围进行分析。对于测距误差，首先对目标回波进行距离向压缩处理，然后在方位向进行短时fft。通过对目标的距离和方位向根据归一化信噪比进行分析，得到测距精度。如果发现目标存在，利用和差波束方法探测目标角度，首先计算得到的各个波束的差和比，通过对不同角度的目标进行距离压缩可以得到目标的测角精度。通过测速和测角分析，可以得到所探测目标的距离、速度、角度信息。
[0098]
五、假设卫星和目标的几何结构如图7所示。卫星的坐标为(1e4,0,0)，目标相对于卫星的位置为(1.5e4,1.8e4,1.5e4)。设目标相对飞行速度为10m/s。对c波段雷达测距、测角误差进行仿真分析，首先进行测距精度分析，然后进行测角精度分析。
[0099]
六、对不同距离目标进行探测，目标回波如图8所示。首先对接收回波进行距离压缩处理，然后进行方位向短时傅里叶变换处理，点目标的切片图如图9所示。对目标进行多次试验，得到均方根误差，达到指标要求。
[0100]
七、参照图10为扫描波束方向图，波束宽度4.3
°
，扫描间隔4
°
，共15个波束，覆盖
60
°
范围。经计算得到的各个波束的差和比如图11所示，由图可见，差和比在相应的区间内为近似线性的单调函数。利用上述波束方向图，分别对距离为15km，方位角分别为
‑
27
°
，
‑
15
°
，0
°
，13
°
和25
°
的5个点目标进行500次重复测角仿真，五个目标的距离压缩信号如图12所示。目标的测角仿真分析结果如表1所示。
[0101]
表1五个目标的测角仿真分析结果
[0102]
目标真实角度测得角度平均值均方根误差
‑
27
°‑
26.9970
°
0.0226
°‑
15
°‑
14.9952
°
0.0227
°0°‑
0.03110.030213
°
12.9929
°
0.0236
°
25
°
24.9973
°
0.0231
°
[0103]
从上述实例描述可看出，该发明能对25km范围内的40
°×
40
°
的三维空间目标进行搜索与测量，实现0.4m的测距精度与0.03
°
的测角精度。相比于传统星载雷达，该小型化相控阵雷达，具有体积小，功耗低等优势，可以满足空间目标大范围搜索与跟踪应用需求，为地基探测手段提供补充途径。
[0104]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0105]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。