面向火星探測(cè)的新一代微波著陸雷達(dá)技術(shù)①

王振西，張愛軍，李拴勞，賀亞鵬，劉瑞冬，牛文博

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

深空探測(cè)器若要在地外行星體上安全可靠著陸，距離和速度的測(cè)量基本都是通過微波著陸雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)的。相比于光學(xué)系統(tǒng)來說，微波著陸雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受光照條件、塵埃和其它污染物的影響。

國(guó)內(nèi)微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)最早應(yīng)用于嫦娥三號(hào)探測(cè)器[1-2]，是由中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院攻關(guān)研制。在2013年12月14日嫦娥三號(hào)探測(cè)器成功軟著陸于月球表面，微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)在月球著陸任務(wù)中表現(xiàn)出色。隨后，2019年1月3日嫦娥四號(hào)和2020年12月1日嫦娥五號(hào)分別在月球表面安全軟著陸，微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)非常完滿地完成了這兩次關(guān)鍵任務(wù)，為我國(guó)的探月三期“繞”、“落”、“回”任務(wù)做出了突出貢獻(xiàn)。

在我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)中，將面臨更加復(fù)雜的火星環(huán)境，包括火星低氣壓、風(fēng)沙塵暴、復(fù)雜地貌等的影響[3]，因此對(duì)火星著陸雷達(dá)的性能提出了更高的要求。在月球探測(cè)微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)基礎(chǔ)上，非常迫切地需要探索出新一代火星著陸雷達(dá)，為探測(cè)器在火星進(jìn)入、下降和著陸(Enter Descent Landing，EDL)期間提供高精度距離和速度測(cè)量數(shù)據(jù)。在探測(cè)器著陸至關(guān)重要的3 min內(nèi)，火星著陸雷達(dá)必須穩(wěn)定可靠地工作。

1 國(guó)外火星著陸雷達(dá)現(xiàn)狀

美國(guó)1975年8月發(fā)射“海盜1號(hào)”和1975年9月發(fā)射“海盜2號(hào)”，分別于1976年7月和1976年9月在火星表面成功軟著陸。隨后，美國(guó)成功發(fā)射了“火星探路者”、“機(jī)遇號(hào)”、“勇氣號(hào)”、“鳳凰號(hào)”[4]、“好奇號(hào)”和“洞察號(hào)”等火星探測(cè)器，微波著陸雷達(dá)在美國(guó)火星任務(wù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

美國(guó)作為火星探測(cè)的領(lǐng)先者，在火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory，MSL)任務(wù)中，美國(guó)航空航天局(NASA)下屬的噴氣實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制出了最新一代火星著陸雷達(dá)，表1是MSL微波著陸雷達(dá)的指標(biāo)實(shí)現(xiàn)[5]。

表1 MSL微波著陸雷達(dá)指標(biāo)要求

表2是美國(guó)MSL微波著陸雷達(dá)的設(shè)計(jì)參數(shù)，雷達(dá)中心頻率為Ka波段，采用的是脈沖多普勒雷達(dá)體制。距離測(cè)量是由雷達(dá)脈沖在雷達(dá)天線與火星表面往返時(shí)間計(jì)算獲得；速度是通過連續(xù)回波之間的相位偏移得到多普勒頻移確定的。美國(guó)MSL微波著陸雷達(dá)，在任務(wù)過程中可以根據(jù)實(shí)施情況自適應(yīng)地配置脈沖寬度和脈沖重復(fù)間隔等參數(shù)。

表2 MSL火星著陸雷達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)

MSL任務(wù)的微波著陸雷達(dá)天線波束分布探測(cè)器的下方，配有六個(gè)測(cè)量波束(圖1)：一個(gè)波束指向探測(cè)器垂直軸的負(fù)向(即0°角波束)；三個(gè)波束與探測(cè)器垂直軸夾角20°平均分布在圓周面；其余兩個(gè)波束與探測(cè)器垂直軸夾角50°，分布在前進(jìn)軸的兩側(cè)，夾角為30°。

在文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中對(duì)美國(guó)新一代MSL任務(wù)的微波著陸雷達(dá)性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，見圖2～圖5，分別為EDL過程中六個(gè)天線波束的距離、速度及精度仿真曲線。在近距離時(shí)有明顯超差，而遠(yuǎn)距離精度較好。速度離散性較大，尤其在速度100 m/s附近有明顯的超差情況。

圖2 MSL微波著陸雷達(dá)距離測(cè)量曲線

圖3 MSL微波著陸雷達(dá)速度測(cè)量曲線

圖4 MSL微波著陸雷達(dá)距離精度統(tǒng)計(jì)

圖5 MSL微波著陸雷達(dá)速度精度統(tǒng)計(jì)

2 國(guó)內(nèi)火星著陸雷達(dá)研制

2.1 火星著陸雷達(dá)特點(diǎn)

火星探測(cè)在我國(guó)尚屬首次，2016年在探月微波測(cè)距測(cè)速雷達(dá)基礎(chǔ)上，開始火星著陸雷達(dá)的不斷探索、研究與改進(jìn)。

從火箭發(fā)射起飛、星箭分離、地球火星轉(zhuǎn)移、火星環(huán)繞、進(jìn)入火星大氣層和火星表面著陸整個(gè)任務(wù)剖面分析，火星著陸雷達(dá)的關(guān)鍵特點(diǎn)大致有以下幾個(gè)方面：

1)火星著陸雷達(dá)必須經(jīng)受住火箭發(fā)射、進(jìn)入火星大氣階段和7500N發(fā)動(dòng)機(jī)工作等階段產(chǎn)生的振動(dòng)、過載沖擊等惡劣力學(xué)環(huán)境影響的考驗(yàn)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用比剛度較高的鋁合金、鎂合金和鈦合金等材料，以適應(yīng)力學(xué)環(huán)境影響。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采取了動(dòng)態(tài)剛度高、減震效果強(qiáng)和特殊防松措施等。

2)火星著陸雷達(dá)需要采取措施以適應(yīng)漫長(zhǎng)的地火轉(zhuǎn)移、火星環(huán)繞空間環(huán)境和復(fù)雜的進(jìn)入火星大氣工作環(huán)境。為了應(yīng)對(duì)低氣壓放電環(huán)境，采取了放氣孔設(shè)計(jì)等措施，以及在真空罐內(nèi)多循環(huán)模擬低氣壓環(huán)境驗(yàn)證工作；針對(duì)空間溫度變化深入分析和驗(yàn)證，開展主動(dòng)溫控設(shè)計(jì)，同時(shí)優(yōu)化大功率器件布局和散熱片設(shè)計(jì)；為了保障單機(jī)的高可靠性，在選用的元器件等級(jí)、元器件篩選和可靠性試驗(yàn)方面，開展了許多工作。

3)在單機(jī)體積、重量和功耗有嚴(yán)格限制的情況下，通過集成設(shè)計(jì)、MCM模塊等各項(xiàng)措施有效實(shí)施控制，以滿足小型化、輕量化和低功耗的要求。

4)空間環(huán)境中存在著來自宇宙射線、太陽耀斑等輻射源的大量高能帶電粒子。針對(duì)空間單粒子影響，采取了FPGA的三模冗余(TMR)設(shè)計(jì)、定時(shí)刷新技術(shù)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)等抗單粒子反轉(zhuǎn)措施，提高了FPGA空間環(huán)境使用的可靠性。

5)為了模擬火星風(fēng)沙塵暴對(duì)火星著陸雷達(dá)測(cè)量的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在室內(nèi)利用鼓風(fēng)機(jī)吹動(dòng)火山灰，模擬火星風(fēng)暴揚(yáng)塵環(huán)境，完成了微波著陸雷達(dá)的測(cè)量試驗(yàn)。隨后，在敦煌戈壁灘沙漠中，利用直升機(jī)螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)卷起的揚(yáng)沙模擬風(fēng)沙試驗(yàn)。在懷來地外天體著陸綜合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，利用7500N發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火吹動(dòng)鋪滿試驗(yàn)場(chǎng)地的碎石，模擬火星飛沙走石的環(huán)境影響，成功獲得非常重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6)在探測(cè)器拋大底后，微波著陸雷達(dá)便開機(jī)工作。該時(shí)刻探測(cè)器仍處于傘降階段[8]，探測(cè)器將會(huì)以約20°/s的大角速度來回鐘擺。為了驗(yàn)證該工況對(duì)火星著陸雷達(dá)的影響，在3 km高空中多次直升飛機(jī)以極限角速度的左右擺動(dòng)火星著陸雷達(dá)捕獲、跟蹤和測(cè)量驗(yàn)證試驗(yàn)。

7)針對(duì)火星著陸區(qū)的地形影響，規(guī)劃了各種不同的校飛試驗(yàn)航跡，用來驗(yàn)證復(fù)雜多變的地形條件對(duì)火星著陸雷達(dá)的影響，獲取了關(guān)鍵的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖6是火星著陸雷達(dá)直升機(jī)校飛試驗(yàn)地形坡度圖，圖中三個(gè)圈是不同地形的試驗(yàn)選擇地點(diǎn)。

圖6 復(fù)雜地形試驗(yàn)坡度圖(單位：度)

2.2 火星著陸雷達(dá)研制

火星表面有稀薄的大氣，任何火星探測(cè)器在進(jìn)入火星時(shí)都將經(jīng)歷EDL過程，如圖7，在探測(cè)器拋大底后，火星著陸雷達(dá)便開始進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，發(fā)射機(jī)通過天線向火星表面發(fā)射雷達(dá)波，接收天線獲取從火星表面返回的回波信號(hào)，經(jīng)過下變頻轉(zhuǎn)為中頻信號(hào)送入信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到探測(cè)器高精度的距離和速度信息，為安全可靠著陸保障。

圖7 火星探測(cè)器EDL過程

為了確保我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的成功，火星著陸雷達(dá)必須實(shí)現(xiàn)比美國(guó)MSL任務(wù)更加嚴(yán)苛的考核指標(biāo)，詳見表3。

表3 國(guó)內(nèi)火星著陸雷達(dá)指標(biāo)

火星著陸雷達(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制，使得最小測(cè)量距離達(dá)到1 m。遠(yuǎn)距離段波形設(shè)計(jì)為正負(fù)斜率調(diào)頻的三角波，近距離段波形設(shè)計(jì)為正斜率調(diào)頻的鋸齒波，每個(gè)波束同時(shí)完成距離和速度測(cè)量。

為了解決連續(xù)波存在的收發(fā)信號(hào)之間隔離問題，創(chuàng)新性地研制了變張角喇叭天線，接收與發(fā)射天線之間隔離度可達(dá)110 dB以上。火星著陸雷達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4，采取四個(gè)波束獨(dú)立測(cè)量形式，中心頻率相差1 GHz，避免了相互之間的信號(hào)干擾?；鹦侵懤走_(dá)中心頻率為Ka波段，波長(zhǎng)較小，可以提升多普勒分辨率，從而能夠提高速度測(cè)量的精度。同時(shí)，也能夠有效地減小波束寬度，進(jìn)一步減小由于火星表面未知起伏引起測(cè)量的誤差。

表4 火星著陸雷達(dá)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

波束1指向探測(cè)器垂直軸的負(fù)向；波束1、2、3與探測(cè)器垂直軸負(fù)向夾角45°，均勻分布在方位圓周面。圖8是火星著陸雷達(dá)四個(gè)波束在探測(cè)器底面的布局結(jié)構(gòu)圖，在火星探測(cè)器EDL過程中，拋大底后火星著陸雷達(dá)就開始工作，從四個(gè)不同方向測(cè)量得到探測(cè)器的距離和速度。

圖8 波束指向在探測(cè)器底面布局結(jié)構(gòu)圖

圖9是四波束在探測(cè)器本體坐標(biāo)系下的指向，通過動(dòng)態(tài)的仿真驗(yàn)證，在火星EDL階段探測(cè)器處于任何飛行姿態(tài)情形下，火星著陸雷達(dá)的波束視場(chǎng)均不受影響，可以直接照射至火星的表面，散射作用形成雷達(dá)回波。

圖9 波束在探測(cè)器坐標(biāo)系下的指向

2.3 關(guān)鍵性能驗(yàn)證

在建立火星表面回波信號(hào)仿真驗(yàn)證模型中，包括了探測(cè)器的EDL軌跡、探測(cè)器姿態(tài)、波束照射傾角、波束照射范圍、天線主瓣寬度和地面起伏等因素，獲得了非常真實(shí)的火星著陸區(qū)域雷達(dá)回波信號(hào)。在綜合仿真驗(yàn)證平臺(tái)上，火星微波雷達(dá)算法經(jīng)過不斷的測(cè)試與改進(jìn)，測(cè)距和測(cè)速指標(biāo)能夠滿足任務(wù)的要求。圖10、11為各波束在EDL過程中的測(cè)距和測(cè)速曲線，圖12、13為火星著陸雷達(dá)在256次連續(xù)打靶測(cè)試中距離和速度的精度統(tǒng)計(jì)，由此可見相比美國(guó)MSL火星著陸雷達(dá)作用距離和測(cè)量精度[9-10]都要領(lǐng)先很多。

圖10 火星著陸雷達(dá)EDL過程距離測(cè)量曲線

圖11 火星著陸雷達(dá)EDL過程速度測(cè)量曲線

圖12 火星著陸雷達(dá)256次打靶測(cè)試距離精度統(tǒng)計(jì)

圖13 火星著陸雷達(dá)256次打靶測(cè)試速度精度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

火星探測(cè)是一項(xiàng)非常艱難挑戰(zhàn)的任務(wù)，針對(duì)苛刻的任務(wù)指標(biāo)要求和復(fù)雜的火星環(huán)境，研制團(tuán)隊(duì)敢于使用新的著陸雷達(dá)體制，歷經(jīng)數(shù)年的技術(shù)攻關(guān)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn),研制出了國(guó)內(nèi)新一代的火星著陸雷達(dá)。由圖10～13可以看出在探測(cè)器EDL階段距離與速度大范圍高動(dòng)態(tài)的變化過程中，新體制的線性調(diào)頻連續(xù)波著陸雷達(dá)的測(cè)量精度是非常高的，滿足了火星探測(cè)的任務(wù)需求。未來在探月四期、載人登月和小行星探測(cè)任務(wù)中，需要針對(duì)微波著陸雷達(dá)的小型化、輕量化和低功耗方面更進(jìn)一步探索。