探月返回器再入目標搜索捕獲研究

單福悅，傅 明，劉振鑫，周 峰，鄭文博

(中國人民解放軍63759部隊，吉林 長春130000)

0 引言

探月返回再入段指的是返回器從地球120 km高度處進入地球大氣層到距離地面10 km處開傘點這一飛行過程[1]。它也是載人深空飛行的一個非常重要環節，載人飛行時，還需考慮飛行員的安全，通常使用“跳躍式”再入策略。即飛船的高度先下降至某一點，在升力作用下再升高，至某一高度后又開始下降。前蘇聯和美國的深空探測器返回艙都使用該策略進行再入。這直接決定航天器和航天員能否安全返回并降落在著陸場區[2-3]。

多波束測控設備[4]是下一步航天測控事業發展的大趨勢，具有波束指向迅速靈活、精度高等特點，可實現一站多目標的航天器測控[5]。本文通過對多波束測控系統自掃描捕獲方法研究，基于設備實際的算法和捕獲模塊設計等方面進行可行性分析，使快速捕獲和穩定跟蹤高動態性的返回器[6]成為可能。

1 返回器再入目標捕獲難點

1.1 多波束測控系統的快速捕獲設計

目標角動態大和高增益窄波束天線這一矛盾是突出的難點[7]。在高動態下，需要寬波束來保證目標角度捕獲概率。但因黑障[8]等影響，需要高增益、窄波束的天線去接收微弱信號。采用多波束測控系統是解決該技術矛盾的較好手段之一，它既可以采用多波束解決寬視場[9]覆蓋問題，又可以兼顧波束的高增益特性。只需設計和分配波束覆蓋的空域，保證波束覆蓋的無縫銜接和高增益特性，使之更便于系統快速成像捕獲和迅速跟蹤。

1.2 微弱、高動態信號的快速檢測

多波束信號檢測是目標角度捕獲的前提和關鍵，如果無法檢測信號，就無法完成目標信號的角度捕獲或跟蹤[10]。當多波束信號都是高動態、黑障傳輸條件下的微弱信號，且信號形式可能有USB或其他信號等多種形式可選，其短時間、高動態檢測就非常困難。所以快速實時的高動態[11]微弱信號檢測也是一個技術關鍵點。

1.3 電波束角誤差信號的快速跟蹤

目標捕獲到穩定自跟蹤要求時間短，這在采用傳統機械波束環路控制時是幾乎不可能實現的。但是，采用基于多波束測控系統成像引導基礎上的電波束掃描閉環自跟蹤體制可以滿足快速跟蹤要求。

2 返回器再入目標捕獲關鍵技術

2.1 多波束相控陣空域成像覆蓋和捕獲技術

S頻段高增益多波束陣列天線，波束窄、覆蓋空域大，如何利用現有相控陣技術設計好快速捕獲波束方案是關鍵。波束成像的前提是保證波束的指向精度[12]，而對于多波束寬空域覆蓋(大于20°×20°)，還必須設計好在覆蓋空域之內提供緊密交疊的波束特征，來確保整個覆蓋空域的接收信號信噪比降到最小。同時，還要考慮電波束快速跟蹤策略，以便目標位置粗捕獲后，實現對于目標的電波束快速自動跟蹤。整體上，在波束覆蓋范圍大、捕獲跟蹤速度要求高、閉環跟蹤時間短的前提下，要完成上述設計很難。

2.2 低信噪比下高動態信號處理技術

在角捕獲過程中，由于目標的運動速度極快，因此要求系統能夠在10 ms量級實現對目標的快速檢測，以便快速完成目標角捕獲。同時，在系統空間波束覆蓋范圍內，由于天線波束的交疊造成了特定空間方向上的覆蓋增益降低，為了實現對目標的高概率快速捕獲，要求信號處理設備能夠在極低信噪比下檢測超高動態信號，因此，低信噪比下的高動態信號處理技術被列為一項重要關鍵技術。

3 算法研究

3.1 空域成像覆蓋

多波束測控系統天線3 dB波束寬度是22°，當目標偏離天線軸線方向10°時，陣元天線增益降低不超過3 dB，波束電掃描在該位置等效增益會降低接近3 dB。

方向圖如圖1所示，當波束指向0°時，柵瓣比主瓣低8 dB以上，且柵瓣在電掃描的±10°以外。當波束指向10°時，柵瓣比主瓣低1 dB左右，且柵瓣在電掃描的±10°以外。

圖1 方向圖

為實現20°×20°的波束覆蓋范圍，綜合考慮系統設備和對各波束交疊情況的實際需求，確定了采用2個波束完成覆蓋。設計接收波束寬度為1.5°，方位掃描時固定步進1.5°，俯仰掃描時固定步進0.75°，即任意一個波束掃描13×13次可覆蓋20°×10°空域。根據實際測試和計算，13×13×2個波束水平垂直排列，能夠覆蓋20°×20°空域，如圖2所示。

圖2 2波束覆蓋20°×20°空域示意

通過上述設計和分析，能夠達到覆蓋20°×20°的空域，考慮波束交疊處損失，系統接收信號可能會降低3 dB，這個條件是信號檢測時需要特別注意的。

3.2 捕獲時間可行性

綜合考慮系統計算負荷和FFT分析精度，取FFT分析點數為256，采樣速率為875 kHz，得知，該模塊完成一次分析檢測需要的時間約為0.3 ms(256/875 000 Hz)，為了保證一個點的檢測時間，程序中控制每0.4 ms掃描一個點，使用2個波束單獨同時進行13×13次掃描可覆蓋20°×20°空域，所以完成一次覆蓋最大范圍的掃描需要0.4×13×13=67.6 ms，即每次啟動自掃描機制在20°×20°空域尋找目標所花費時間最多為67.6 ms，搜索到目標后只需將天線引導至目標位置進行正常捕獲跟蹤。

3.3 流程設計

系統增加自掃描捕獲模塊，掃描方式分為機械波束聯合掃描和僅波束掃描，每一種掃描方式下又可選擇方位俯仰聯合掃描、僅方位掃描或僅俯仰掃描的方式，使設備具備對高角動態目標快速捕獲和自動跟蹤的能力。對理論引導數據不準的目標形成在一定范圍內的自動掃描搜索捕獲能力，配合系統完成超出機械跟蹤運動速度指標時高角速度目標的角跟蹤。

目標快速捕獲主要是通過2個接收波束同時對預定空域進行覆蓋掃描、快速發現目標、捕獲并鎖定目標，捕獲體制如圖3所示。

圖3 目標快速角捕獲原理

基于這種體制的自掃描捕獲基本工作流程如下：

① 在任務開始前，天線獲得中心引導理論引導，指向預定空域等待目標進站。

② 在判斷無遮蔽角且程序引導10 s仍無信號后(若有遮蔽角，以遮蔽角后程引10 s無信號作為節點)，自掃描捕獲機制啟動，默認條件下，優先使用僅波束掃描+方位俯仰聯合掃描的方式，波控程序開始控制2個靈活波束在指定區域內掃描，每個波束均從當前程引點掃描至設置位置，相控陣多波束天線的空間多波束完成多通道信號檢測，找到信號最強的位置，信號超過門限電平則認為完成了目標捕獲，立即判定空間目標位置，完成一次覆蓋空域信號捕獲。

③ 基帶對每個波束指向位置的能量進行估計處理，包括輸出目標位置偏差、目標捕獲指示和AGC電壓等送波束控制分系統，以及天伺的ACU。

④ 波束控制分系統響應，首先控制成功掃描到目標的電波束在預定目標位置完成閉環跟蹤，同時ACU控制天線機械伺服閉環控制，使機械指向和電波束指向逐漸一致，另外一個電波束繼續進行以目標為中心的10°×10°范圍實時搜索。

⑤ 機械軸在電波束鎖定目標后，跟隨指向電波束，完成機械軸對目標的跟蹤捕獲，系統測控開始。

⑥ ACU丟失目標后將立即接收閉環自跟蹤波束的角度數據作為引導重新捕獲目標。

⑦ 在跟蹤過程中，若出現高仰角過頂的情況，系統識別到當前跟蹤任務中目標角動態即將超過天線的跟蹤能力時，天線立即轉為程引跟蹤模式，由跟蹤電波束實施對目標的跟蹤，系統接收電波束角度作為實時測角數據，高仰角過頂后，由天線重新實施對目標的跟蹤，系統接收天線角度作為實時測角數據。

4 仿真分析

4.1 檢測信號

多波束測控系統信噪比為C/N0=43 dB/Hz，在此條件下進行仿真。目標檢測時間為2 ms，系統帶寬等效為500 Hz，S/N≥22 dB。虛警小于10-7(S/N=22 dB)，其仿真結果如圖4所示。

圖4 信號檢測

圖4表明，信噪比為C/N0=43 dB/Hz的條件下，系統在2 ms時間內完成信號檢測。

4.2 角捕獲仿真

通過仿真高動態目標，通過覆蓋20°×20°空域進行波束掃描，在不同動態下引導系統進行角捕獲。經過10 000次蒙特卡洛仿真，仿真結果如圖5所示。

圖5 角捕獲

由圖5(a)可知，返回器速度達到20°/s時，位置與波束指向之間差值不超過10°，目標不會丟失。由圖5(b)可知，波束寬度達到20°時，返回器角速度小于20°/s，捕獲概率大于99%。

5 結束語

論述了一種探月返回器再入目標搜索捕獲的方法，利用多波束測控系統在一定范圍內具有快速掃描捕獲的能力，完成目標的快速搜索捕獲。研究表明，通過成像覆蓋和信號檢測，可以實現返回器再入段信號丟失后快速發現目標并進行跟蹤。所提方法

可以應用在由于目標回波振幅起伏、角閃爍和接收機噪聲等原因，引起的弱信號、高動態目標的捕獲與跟蹤，可以作為返回器快速搜索捕獲的參考方案。