深空探測中著陸雷達技術發展與應用研究

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

雷達具有可自主地、全天時、全天候獲取遠距離目標信息的的特點，在人類探索宇宙過程中發揮著特別重要的作用。按照功能可分為地基雷達、星載表層穿透雷達和進入、下降和著陸（Entry，Descent，Landing，EDL）雷達。地基深空探測雷達可用于對太陽系行星、月球、火星等空間目標科學研究，在月球、火星、小行星探測任務中有著獨特作用[1]。星載表層穿透雷達，工作在低頻波段，載于環繞器、著陸/巡視器，實現對天體目標內部的斷層成像，包括“阿波羅17號”軌道器的雷達探測儀ALSE[2]、“嫦娥三號”的測月雷達[3]、“火星快車”的 MARSIS[4]、火星勘測軌道飛行器的 SHARAD[5]等，成為行星地質勘探、水冰勘察與小星體內部成像的重要研究方法。

著陸雷達包括雷達高度計和多普勒測速雷達，在軍用飛機、直升機、無人機以及載人航天器、深空探測器等領域有著廣泛應用，是深空探測器EDL系統關鍵產品[6]。隨著技術進步與發展，著陸雷達從單一雷達高度計發展到能夠同時測量高度與速度矢量，而且已具備自主著陸多功能感知能力，可在復雜環境下全天候工作，是未來無人著陸器定點和安全軟著陸的重要保障。

本文系統地歸納了以“阿波羅11號”、“嫦娥三號”、“嫦娥四號”為代表的月球探測器、以國外歷次成功著陸火星任務為代表的火星探測器以及以“隼鳥號”、OSIRIS-Rex為代表的小行星探測器任務中著陸雷達技術發展和應用，并對著陸雷達技術未來發展的趨勢及所面臨的挑戰進行展望與分析。

雷達是利用目標對電磁波的散射來發現目標并測定目標的空間位置。著陸雷達用于測量和引導飛機、航天器等相對著陸區域的位置信息，包括方位、仰角、距離等，保證安全著陸。按工作波長可分為微波雷達、毫米波雷達和太赫茲雷達等；按功能分為雷達高度計和多普勒測速雷達，分別利用電磁波飛行時間和多普勒效應測量目標的距離和速度。

1 微波雷達

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

1.1 月球著陸雷達

著陸雷達技術首次應用于“阿波羅11號”登月艙，由雷達高度計和多普勒測速雷達組成，可以測量登月艙相對月面的速度和距離。著陸雷達安裝在登月艙下降級，由天線和電子線路兩部分組成。天線組件由天線陣和固態發射器組成，能產生、指向、發射并接收4波束微波信號。電子線路用于跟蹤、處理、轉換和放大多普勒或調頻/連續波的回波信號，并將獲取的位置和速度傳遞給控制計算機[7]。雷達高度計工作在鋸齒波調頻模式，測速雷達工作在連續波模式，頻率10.51GHz；通過機械裝置切換雷達天線指向增大量程范圍，實現1.4%測距精度和2.0%測速精度。

日本正在規劃的月球著陸器“月亮女神二號”（SELENE-2）搭載激光高度計、光學相機、著陸雷達等，用于精準和安全著陸。著陸雷達采用4.3GHz的C波段脈沖體制多波束雷達（包含5個波束），其中一個42°寬波束用于測量垂直方向高度，4個15°傾斜窄波束測量水平方向速度。采用貼片陣列多波束天線，發射功率1W。根據測量高度分為3個工作模式，采用最小旁瓣脈沖壓縮技術并自動調整脈沖寬度，實現5%測量精度[8]。

我國“嫦娥三號”著陸器采用激光測距多普勒雷達和微波測距測速雷達實現高度和速度測量，用于軟著陸動力下降的自主導航[9]。微波測距測速雷達工作在X頻段（7.9GHz）和Ka頻段（34.24GHz）[10]，采用雙波段雷達有利于增強雷達對不同地形適應能力，共配置有 5個天線波束，其中 3個獨立測速，1個獨立測距，1個兼具測距和測速功能，測量范圍15m～16km，測量精度0.33%[11]。

微波雷達在月球探測中發揮重要作用，但雷達天線體積大，測距精度低，而毫米波雷達具有波束窄、體積小和高精度特點，可用于著陸避障，印度“月船二號”采用 Ka波段著陸雷達[12]，美國重返月球探測器將沿用“火星科學實驗室”（Mars Science Laboratory，MSL）的毫米波著陸雷達[13]。

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

1.2 火星著陸雷達

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

圖1 美國三代火星巡視器對比Fig.1 Comparison of NASA Mars rovers

為了提高探測任務的科學回報，需要在保證安全著陸的同時，選擇火星表面特定高價值區域作為著陸點。提高著陸精度最有效方法是提升EDL技術，實現精確著陸。著陸雷達一般在火星探測器拋除防熱罩之后引入，是EDL下降段的關鍵產品之一，用于實時測量著陸器與火星表面的相對位置和速度。著陸雷達主要包括雷達高度計、多普勒雷達和激光雷達等，其中雷達高度計在火星探測器中獲得廣泛應用。表2列出了火星探測器EDL關鍵敏感器的典型配置，一般包括慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、雷達高度計和多普勒雷達等，部分探測器配置光學相機用于補充測量速度以及下降過程中的事件監測[15]，為將來自主避障積累數據。我國首個火星探測器也將采用微波測距測速雷達，并結合慣性測量單元獲取精確的相對導航精度[16]。

表2 火星探測器EDL敏感器配置Tab.2 Sensors for Mars detector EDL

首次成功著陸的火星探測器“海盜-1號”采用與阿波羅月球探測器相同的雷達高度計和終端降落著陸雷達；美國第一代火星車“火星探路者”和“火星探測巡視器”采用軍用飛機雷達高度計HG8505DA，通過振動試驗、熱試驗和真空試驗篩選后在軌飛行。HG8505DA是一款C波段脈沖連續波雷達，采用砷化鎵單片微波集成電路和固態發射技術，利用兩個正交天線發射非相干脈沖，工作在“第一返回”（First-return）模式，避免著陸器著陸姿態影響高度測量[17]。“火星探路者”在進入火星大氣層的276s時，高度計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測量結果無干擾或數據丟失。

圖2 火星探路者著陸雷達測量進入高度Fig.2 The entry altitude of MER landing radar

“鳳凰號”（Phoenix）和“洞察號”（Insight）火星車要求著陸雷達具有多普勒測速功能，使著陸器能適應火星表面各種斜坡，盡可能降低著陸瞬時速度，提高魯棒性[18]。著陸雷達繼承自“火星極地著陸器”（Mars Polar Lunder，MPL），采用4個寬波束輪流工作測量高度和速度。為提高速度測量精度，多普勒采樣周期設計為短周期和長周期兩種模式。雷達利用雙相位調制脈沖原理，脈寬和調制波形隨著陸高度自動調節，從而獲得最強回波和精度，實現測速精度2%[19]。與“火星探路者”不同，雷達天線從4根增加到8根，實現收發分離，避免天線切換速度影響最小探測高度，高度范圍0～2 438m，精度5%。為提高雷達可靠性，開展大量測試和驗證工作，包括直升機掛飛試驗、地面電信號模擬和計算機仿真等，仿真與試驗誤差控制在1%以內[20]。

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

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

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

2 毫米波雷達

毫米波雷達（Millimeter-wave Radar），是指工作波長介于1～10mm的雷達。毫米波雷達有更窄的波束，可提高雷達的角分辨能力和測角精度，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，可獲得大信號帶寬和多普勒頻移，有利于提高距離和速度的測量精度和分辨能力。此外毫米波雷達具有可全天候工作，穿透能力強的優點，可在雨、雪、霧霾、沙塵暴等惡劣氣候下工作。與微波雷達相比，毫米波雷達體積小、質量輕，但探測距離等性能有所下降。

MSL采用進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”的140km縮小到10km，對著陸精度和高度要求更為苛刻。EDL系統要求終端下降傳感器（Terminal Descent Sensor，TDS）至少用3個波束測量速度，精度優于0.25%，在所有速度波束上實現高精度斜距測量，同時需滿足著陸器嚴酷的動力學特性要求，包括高姿態偏差和機動速度。MSL速度測量精度比“海盜-1號”Ku波段速度計提升 5倍，達到 cm/s[23]，這就要求著陸雷達采用創新型設計。為滿足速度測量精度要求，TDS工作在Ka波段（35.75GHz），雷達天線波束寬度更小，并且有利于縮小天線體積和減小到達角誤差，避免火星崎嶇地形引入較大速度測量誤差。TDS雷達共有6個波束，1個波束與探測器速度矢量軸平行，3個波束與垂直軸夾角是20°，沿著方位向均勻分布；2個波束沿著對地軸傾斜50°安裝，每個波束沿著方位向旋轉 30°。波束分布方案可保證著陸器分離后視場能覆蓋火星表面并能獲得速度信息。每個波束獨立工作且按設定順序進行時分復用，避免出現失鎖問題。

與傳統脈沖多普勒雷達相比，TDS創新點在于當距離和速度信息未知且波束之間信息未共享的情況下，可實現自動靈活選擇雷達工作參數，包括脈寬、脈沖重復間隔、脈沖對隔離和測量靈敏度等。TDS的“無記憶”特性，使得著陸雷達在每次測量過程中各個波束能重新捕獲目標，避免之前高度計設計中存在的距離模糊和高動態問題以及熱屏蔽罩引發錯誤鎖定等，剔除偶然錯誤測量結果，有助于提高著陸的可靠性[24]。

TDS雷達由天線與收發模塊組件、射頻電子學和數字電子學三部分組成[25]。射頻部分由上/下變頻組件、頻率綜合器、功率分配/合成器和收發組件組成，通過電纜與波導縫隙天線及濾波器相連。數字電子學采用Vertex-II FPGA和SPACR處理器實現射頻電子學的時序控制、雷達回波數字化及處理和目標判斷等功能。采用高速信號處理技術，在50ms時間內完成6個波束信號處理，每個速度波束可在高速運動下完成速度和高度的高精度測量。

為實現最小測量高度10m，測距精度20cm，TDS雷達收發組件采用砷化鎵單片微波集成電路技術，開關切換時間優于20ns，噪聲系數優于9dB。由于雷達散射截面參數的不確定性，雷達接收機動態范圍達到100dB。

作為全新設計產品，TDS雷達開展了仿真分析和飛行試驗、系統試驗相結合的驗證。2012年8月6日，MSL著陸過程中6個波束的高度和速度如圖4所示，其中箭頭所指測量目標是防熱罩，由于TDS采用“無記憶”設計，不會導致錯誤鎖定，EDL軟件很容易剔除該測量結果。

圖4 著陸雷達測量的高度和速度Fig.4 Plots of the TDS-measured altitude and velocity

TDS著陸雷達的“無記憶”設計方法也應用于“火星生物學-2016”，由4個Ka波段雷達波束輪流測量高度和速度，通過靈活選擇脈沖寬度和脈沖重復間隔等參數，結合高精度信號采集和高速數字信號處理技術，實現在10m～6 500m高度范圍內高度和速度測量精度均優于0.5%[26]。在超聲速降落傘減速階段，著陸器振動量級超出 IMU設計上限，直接導致著陸器對降落方向判斷產生了約 165°的偏差，相當于底部防熱罩調轉165°指向朝天的狀態。降落過程中雷達高度計工作正常，但測量結果被送入含有錯誤姿態參數的導航控制系統軟件進行解算測量高度為負數，提前觸發控制程序，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]。

火星著陸雷達從早期C波段微波雷達，發展到最新的Ka波段毫米波雷達，如表3所示，測距精度從3%提高到0.5%，速度精度提高5倍，而體積和波束逐漸減小。為實現深空探測安全軟著陸，實現更高精度，美國提出發展G波段著陸雷達技術[28]。

表3 火星著陸雷達性能指標Tab.3 Performance of the Mars Landing Radars

3 激光雷達

激光雷達（Laser Radar）是采用激光器作為輻射源的雷達，是激光技術與雷達技術相結合的產物。激光雷達具有可準確獲取目標的三維信息、分辨率高、抗干擾能力強等優點，但激光光束穿透能力在雨雪霧等極端天氣下性能下降，而且計算數據量大需要高性能處理器。由于激光雷達可以形成高精度三維地圖，因此在無人駕駛、自動著陸、自主避障系統中具有重要作用。

深空探測器距離遠，為提高著陸器在危險著陸區域的生存能力，要求著陸器能夠自主完成障礙檢測和相應的規避控制。激光雷達具有體積小、精度高的特點，可生成三維地形，更直接地描述了目標區域的地形起伏和特征細節，實時自主檢測障礙。

基于測距原理的激光雷達應用于月球、火星和小行星的地形探測和地質學研究，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”月球探測器上的LALT[30]、“嫦娥一號”的LAM[31]、“月球勘測軌道飛行器”的LOLA[32]、“月女神二號”的LIDAR[33]、OSIRIS-Rex的OLA[34]等。激光雷達不僅用于測量距離變化和表面粗糙度，建立品質和表面模型，還用于著陸過程的控制和導航。

首次采用激光雷達技術在軌實施自主避障的是“嫦娥三號”探測器，其激光雷達基于脈沖測距原理[35]，采用1 064nm半導體泵浦激光器設計四路測量通道，實現著陸器不同姿態下 15m～30km范圍內0.2m測距精度。通過采用多點掃描成像體制和全光纖激光器，利用二維掃描測量方式獲取斜距信息并經過拼接處理實現三維成像，成像精度15cm。在“嫦娥三號”著陸過程中，在12km高度引入激光雷達[36]，并利用三維成像敏感器對著陸器下方約 50m×50m區域進行高精度三維成像，通過數據圖像處理，精確識別了障礙，確定安全著陸點[37]。

“隼鳥二號”小行星探測器在向小行星“龍宮”抵近過程中，采用激光雷達測量飛行器距離行星表面高度，由光學相機測量姿態，實現在軌三維導航。激光雷達由1 064nm YAG激光器、接收機和數字控制器組成。EDL系統要求激光雷達測量范圍覆蓋 30m～25km，精度 1m，為此采用近距離和遠距離兩套激光接收系統，如圖5所示，并引入自動增益控制功能以彌補APD探測器動態范圍不足的問題。在姿態控制計算機控制下，激光雷達實現發射激光脈沖重復頻率和數據更新率最高達到1Hz。

圖5 “隼鳥二號”激光雷達系統組成Fig.5 Hayabusa2 LIDAR system block diagram

首臺在軌應用的掃描類型激光雷達成功應用于測量OSIRIS-Rex飛行器與小行星Bennu表面的距離及速度變化，見圖6。如果實際測量結果超出預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、光學相機和慣性測量單元實現地形相對導航，激光雷達可在500m高度2s內完成3D數字高程模型，選擇安全著陸點[39]。

圖6 OSIRIS-Rex激光雷達飛行產品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可在運動狀態下對目標地形進行高精度三維成像，在斜距1km處識別出30cm障礙，精度達到8cm，是正在發展的主要激光著陸雷達技術[40]。

4 著陸雷達技術發展趨勢

（1）毫米波/太赫茲等新技術應用

從雙子星座計劃、勘察者計劃到阿波羅計劃，雷達高度計和多普勒雷達在NASA深空探測中發揮著至關重要作用，從早期的輔助跟蹤，發展到與地基雷達聯合測量，到后來著陸雷達、散射計、交會對接雷達等多重功能。ESA針對火星著陸任務，提出利用毫米波相控陣雷達進行障礙檢測和導航測量。在合成孔徑、多普勒銳化等技術基礎上發展稀疏目標超分辨成像方法，采用卷積反演實現前視成像，滿足自主著陸、精確制導等應用需求。此外太赫茲波（THz）的頻率高、波長短，相比于毫米波和微波，可實現大帶寬與窄天線波束，在微小目標探測和雷達成像具有明顯的優勢，滿足深空探測著陸雷達高精度、小體積的需求。

（2）多體制雷達信息融合，功能更為完備

日本月球著陸巡視器“月亮女神二號”、印度“月船二號”和ESA探月任務為實現安全軟著陸，均開展障礙探測與規避技術研究，利用微波和激光雷達高度計和多普勒雷達測量高度和速度，利用成像激光雷達對著陸點附近進行掃描成像，并結合光學相機實現避障并自主選擇安全著陸點。

光學相機對光照條件要求較高，而且圖像數據處理計算量大，難以滿足導航避障實時性要求。毫米波雷達波束輻照特點允許探測器在很高高度獲取火星地表的高程和粗糙度信息，突破了激光雷達的作用距離限制，但同時也帶來了新問題，即波束寬度大，分辨率較低，無法用于檢測巖石等小尺寸障礙。激光雷達可直接獲取著陸點高分辨率三維地圖，精度高而且不受光照影響，但視場和作用距離受限。在未來著陸下降、障礙規避過程中，毫米波雷達、光學相機、激光雷達的信息融合具有廣闊的應用前景，不僅能夠測量著陸導航信息，結合機器學習、人工智能等算法可實現故障容錯/糾錯、障礙規避、科學觀測。

（3）自主著陸障礙規避技術

雖然美國多次成功著陸于火星，日本也將“隼鳥號”探測器成功著陸于Itokawa小行星上，由ESA發射的“菲萊號”探測器成功著陸于丘留莫夫-格拉西緬科彗星上，然而這些探測器均不具有自主規避障礙功能，也沒有在軌實時評估著陸區域安全性的能力。采取自主著陸障礙規避技術，不僅能極大降低著陸失敗的概率，減小著陸誤差橢圓半徑，同時也會增加著陸器可探測天體的區域。另一方面，為了確保載人月面著陸安全，NASA開展ALHAT項目，以實現“識別不小于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”的目標。采用了多普勒激光雷達、激光高度計以及快閃激光雷達，可以在運動狀態下對目標地形進行高精度三維成像。為了增加科學回報，提高任務成功的幾率，未來的深空探測器著陸雷達必須具備避障能力。

5 結束語

自主障礙檢測與規避是未來無人探測器和載人飛船采樣返回和精確著陸任務的一項必需技術。雷達，作為深空探測器EDL系統的核心與關鍵儀器，承擔著高度、水平速度、垂直速度、障礙物等信息測量任務，是安全著陸過程的重要保障。

微波雷達以及毫米波雷達，不僅可實現長量程、高精度的高度測量，基于脈沖多普勒測量體制還能測量深空探測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高度計和多普勒速度計，工作頻率從早期的 C波段發展到Ka波段，測量精度逐漸提高。NASA提出研制W波段、G波段雷達，以及與激光雷達融合的一體化敏感器。

與微波雷達相比，激光雷達測量范圍小，但體積小質量輕，而且測量精度高，在火星、小行星探測中獲得廣泛應用。特別是激光雷達可實現對目標精確測量和 3D點云成像，將在著陸導航、避障、科學探測中發揮重要作用。