卫星分布式短波雷达系统及空间目标探测方法

摘要

本发明涉及一种卫星分布式短波雷达系统及空间目标探测方法，卫星分布式短波雷达系统由M颗从卫星和一颗主卫星组成，M颗从卫星分别与主卫星进行指令与数据交互，任一从卫星和主卫星均搭载相同的短波雷达载荷；短波雷达载荷由N阵元杆状偶极子天线和电子学系统组成，M+1个短波雷达载荷同步发射相互正交的大功率短波信号、同步接收所有回波信号，对接收到的所有回波信号分别进行在轨处理，获得空间目标初步信息；主卫星上进行分布式雷达信息融合处理，获得空间目标的精确信息。本发明，具有探测距离远、探测范围大等优势，利用分布式多节点同步相参处理方法，提升小卫星分布式短波雷达信息时效性，且卫星分布式短波雷达系统的复杂度低。

说明书

技术领域

本发明涉及空间探测技术领域，具体涉及一种卫星分布式短波雷达系统及空间目标探测方法。

背景技术

近年来，大规模低轨星座建设步伐加快，已经在轨的低轨卫星接近1万颗，随着商业化高密度星座的进一步快速建设，未来10年的低轨卫星数量将超过5万颗。上万颗卫星在低轨高速飞行，将对我国空间基础设施的安全运行造成严重威胁，亟待探索研制空间目标预警与跟踪装备，为我国空间基础设施安全保障提供预警信息。

光学与红外相机能快速发现与分类空间目标，但定位精度较差，且远距离探测时的视场较小，难以满足远距离大范围空间目标预警需求。传统L、S、C、X、Ku等波段雷达探测距离有限，一般为几十公里至几百公里，难以实现上千公里的远距离探测。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的为提供一种卫星分布式短波雷达系统及空间目标探测方法，具有探测距离远、探测范围大、信息时效性高的优势。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种卫星分布式短波雷达系统，卫星分布式短波雷达系统由M颗从卫星和一颗主卫星组成，M颗所述从卫星分别与所述主卫星进行指令与数据交互，任一所述从卫星和所述主卫星均搭载相同的短波雷达载荷；

所述短波雷达载荷由N阵元杆状偶极子天线和电子学系统组成，M+1个所述短波雷达载荷同步发射相互正交的大功率短波信号、同步接收所有回波信号，对接收到的所有回波信号分别进行在轨处理，获得空间目标初步信息；

所述主卫星上进行分布式雷达信息融合处理，获得空间目标的精确信息。

根据本发明的一个技术方案，相邻两个所述从卫星之间的间距范围为3km～30km；

所述主卫星位于后方，M颗所述从卫星位于前方，以绕飞方式飞行；

M颗所述从卫星分别与所述主卫星进行指令与数据交互，所述指令至少包括波束指向、发射信号参数，数据传输率大于50Mbps。

根据本发明的一个技术方案，所述电子学系统用于大功率短波信号产生、弱回波信号接收与信息在轨处理，所述电子学系统包括N个数字收发单元、雷达主控单元、在轨处理单元与时钟同步单元四个部分；

所述时钟同步单元用于产生采样时钟f

根据本发明的一个技术方案，所述短波雷达的载荷工作频段为20MHz～30MHz，极化方式为水平极化发射-水平极化接收；

所述N阵元杆状偶极子天线为数字阵列天线，任一阵元均与一个独立的所述数字收发单元连接，利用N个所述数字收发单元的数字域调幅与数字域调相，对天线波束扫描；

N个所述数字收发单元所述采样时钟f

根据本发明的一个技术方案，所述雷达主控单元用于控制短波雷达系统的信号收发时序与雷达回波数据流，所述主控单元的所述逻辑时钟f

所述在轨处理单元用于实现目标回波信号与信息的在轨处理，采用多FPGA并行处理架构，所述处理时钟f

根据本发明的一个技术方案，所述短波雷达载荷同步发射相互正交的所述大功率短波信号的信号体制为线性调频信号，信号工作频段为20MHz～30MHz，中心频率f

所述主卫星和所述从卫星上的M+1个短波雷达发射的相互正交信号，工作频段相同，信号脉宽不同，线性调频信号的调频率Km不同，脉冲重复周期TPRP相同。

根据本发明的一个技术方案，任一短波雷达通过N个数字发射单元的数字域移相与数字域调幅。

根据本发明的一个方面，提供了一种利用如上述技术方案中任一项所述的卫星分布式短波雷达系统实现的远距离空间目标探测方法，包括以下步骤：

步骤S1、所述主卫星和M个所述从卫星接收到目标的散射回波，获得N个数字域回波信号；

步骤S2、将N个数字域回波信号依次进行数字下变频处理、数字波束形成处理、脉冲压缩处理、三维成像处理、多站雷达信息融合处理及虚警剔除处理，得到多个目标图像数据；

步骤S3、将多个所述目标图像数据输出至主卫星；

步骤S4、利用相参处理方法分别对多个目标图像数据进行融合，完成分布式雷达信息融合，获得高信噪比的目标图像；

步骤S5、利用恒虚警概率检测方法分别对多个目标图像进行新一轮目标检测，根据空间目标出现的三维空间位置索引值计算目标的精确位置。

根据本发明的一个技术方案，在所述步骤S2中，具体包括：

步骤S201、将N个数字域回波信号数字下变频处理，获得数字域基带回波信号，第m个短波雷达的第n个数字接收单元接收的数字域基带回波信号为r

步骤S202、对N个数字域基带回波信号进行数字波束形成处理，获得高增益回波信号，第m个短波雷达的高增益回波信号为

步骤S203、在数字域生成M+1个线性调频信号作为参考信号，利用多个FPGA对回波信号g

步骤S204、采用BP成像方法分别对M+1个回波信号s

步骤S205、分别对M+1幅三维图像R

步骤S206、利用恒虚警概率检测方法对高增益三维图像进行目标检测，检测出空间目标，设置检测时的虚警率为1％～5％；

步骤S207、根据空间目标出现的三维空间位置索引值定位目标，截取出对应的目标图像数据并传输至主卫星。

根据本发明的一个技术方案，在执行所述步骤S1前，还包括：

主卫星发射的雷达信号经过电离层反射后继续向空间传播，遇到目标后发生散射，散射回波沿多路径传播至M+1个短波雷达后被同步接收；

M+1个所述短波雷达通过卫星平台输出的秒脉冲信号对系统时钟纠偏；

任一短波雷达内部的N个数字接收单元的采样时钟同步小于1ns，获得N个数字域回波信号。

根据本发明的构思，提出一种卫星分布式短波雷达系统及空间目标探测方法，利用多颗小卫星分别搭载小规模短波雷达在空间相参组网，形成一个大型天基短波雷达，通过控制分布式短波雷达的信号收发时序，借助电离层对短波雷达信号的反射，结合远距离空间目标探测方法，实现上千公里的空间目标探测预警，为我国空间基础设施安全运行提供预警信息保障，具有探测距离远、探测范围大等优势，利用分布式多节点同步相参处理方法，提升小卫星分布式短波雷达信息时效性，且卫星分布式短波雷达系统的复杂度低。

附图说明

图1示意性表示根据本发明一种实施方式的卫星分布式短波雷达探测空间目标场景图；

图2示意性表示根据本发明一种实施方式的单颗卫星上的单个短波雷达系统组成图；

图3示意性表示根据本发明一种实施方式的分布式短波雷达的多个正交信号的时频分布图；

图4示意性表示根据本发明一种实施方式的分布式短波雷达的信号收发时序图；

图5示意性表示根据本发明一种实施方式的单个短波雷达的信号在轨处理流程图；

图6示意性表示根据本发明一种实施方式的主卫星的分布式短波雷达信息融合处理流程图；

图7示意性表示根据本发明一种实施方式的远距离空间目标探测方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1至图6所示，本发明的一种卫星分布式短波雷达系统，卫星分布式短波雷达系统由M颗从卫星和一颗主卫星组成，M颗从卫星分别与主卫星进行指令与数据交互，任一从卫星和主卫星均搭载相同的短波雷达载荷；

短波雷达载荷由N阵元杆状偶极子天线和电子学系统组成，M+1个短波雷达载荷同步发射相互正交的大功率短波信号、同步接收所有回波信号，对接收到的所有回波信号分别进行在轨处理，获得空间目标初步信息；

主卫星上进行分布式雷达信息融合处理，获得空间目标的精确信息。

在该实施例中，利用多颗小卫星分别搭载小规模短波雷达在空间相参组网，形成一个大型天基短波雷达，通过控制分布式短波雷达的信号收发时序，借助电离层对短波雷达信号的反射，结合远距离空间目标探测方法，实现上千公里的空间目标探测预警，为我国空间基础设施安全运行提供预警信息保障，具有探测距离远、探测范围大等优势，利用分布式多节点同步相参处理方法，提升小卫星分布式短波雷达信息时效性，且卫星分布式短波雷达系统的复杂度低。

参照图1所示，在M+1颗小卫星中，相邻两颗小卫星之间的间距控制在3km～30km；M颗从卫星位于前方，以绕飞方式飞行；一颗主卫星位于后方，M颗从卫星分别与主卫星进行指令与数据交互，指令包括波束指向、发射信号参数等，数据传输率大于50Mbps；每颗卫星均搭载相同的短波雷达载荷，形成空间分布式短波雷达系统。

如图2所示，主卫星和多个从卫星中，任一卫星的短波雷达包括：N阵元杆状偶极子天线10，用于收发短波雷达信号；数字收发单元20，用于产生大功率短波信号、接收弱回波信号，由数字发射机、功率放大器件、环形器与数字接收机组成；雷达主控单元30，用于对短波雷达的收发时序与数据流进行控制；在轨处理单元40，用于对短波雷达回波信号与目标信息进行在轨处理；时钟同步单元50，用于产生短波雷达系统所需要的各类时钟信号。

在本发明的一个实施例中，优选地，相邻两个从卫星之间的间距范围为3km～30km；

主卫星位于后方，M颗从卫星位于前方，以绕飞方式飞行；

M颗从卫星分别与主卫星进行指令与数据交互，指令至少包括波束指向、发射信号参数，数据传输率大于50Mbps。

在本发明的一个实施例中，优选地，电子学系统用于大功率短波信号产生、弱回波信号接收与信息在轨处理，电子学系统包括N个数字收发单元、雷达主控单元、在轨处理单元与时钟同步单元四个部分；

时钟同步单元用于产生采样时钟f

在本发明的一个实施例中，优选地，短波雷达的载荷工作频段为20MHz～30MHz，极化方式为水平极化发射-水平极化接收；

N阵元杆状偶极子天线为数字阵列天线，任一阵元均与一个独立的数字收发单元连接，利用N个数字收发单元的数字域调幅与数字域调相，对天线波束扫描；

N个数字收发单元采样时钟f

在本发明的一个实施例中，优选地，雷达主控单元用于控制短波雷达系统的信号收发时序与雷达回波数据流，主控单元的逻辑时钟f

在轨处理单元用于实现目标回波信号与信息的在轨处理，采用多FPGA并行处理架构，处理时钟f

在本发明的一个实施例中，优选地，短波雷达载荷同步发射相互正交的大功率短波信号的信号体制为线性调频信号，信号工作频段为20MHz～30MHz，中心频率f

主卫星和从卫星上的M+1个短波雷达发射的相互正交信号，工作频段相同，信号脉宽不同，线性调频信号的调频率Km不同，脉冲重复周期TPRP相同。

短波雷达载荷工作频段为20MHz～30MHz，极化方式为水平极化发射-水平极化接收(HH)；短波雷达载荷由一幅N阵元杆状偶极子天线与一套电子学系统组成，其中，N阵元杆状偶极子天线为数字阵列天线，每个阵元均与一个独立的数字收发单元连接，通过N个数字收发单元的数字域调幅与数字域调相，实现天线波束扫描，N个数字收发单元的采样时钟为f

如图3所示，分布式短波雷达同步发射相互正交信号，信号体制为线性调频信号，信号工作频段为20MHz～30MHz，中心频率f

如图4所示，分布式短波雷达的收发时序包括：M+1颗卫星的短波雷达均以相同的脉冲重构周期发射大功率信号与接收弱回波，发射信号的脉宽不同；M+1个短波雷达的回波接收时窗相同；M+1个短波雷达的接收时刻相同。

在本发明的一个实施例中，优选地，任一短波雷达通过N个数字发射单元的数字域移相与数字域调幅。

如图7所示，根据本发明的一个方面，提供了一种利用如上述技术方案中任一项所述的卫星分布式短波雷达系统实现的远距离空间目标探测方法，包括以下步骤：

步骤S1、主卫星和M个从卫星接收到目标的散射回波，获得N个数字域回波信号；

步骤S2、将N个数字域回波信号依次进行数字下变频处理、数字波束形成处理、脉冲压缩处理、三维成像处理、多站雷达信息融合处理及虚警剔除处理，得到多个目标图像数据；

步骤S3、将多个目标图像数据输出至主卫星；

步骤S4、利用相参处理方法分别对多个目标图像数据进行融合，完成分布式雷达信息融合，获得高信噪比的目标图像；

步骤S5、利用恒虚警概率检测方法分别对多个目标图像进行新一轮目标检测，根据空间目标出现的三维空间位置索引值计算目标的精确位置。

在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S2中，具体包括：

步骤S201、将N个数字域回波信号数字下变频处理，获得数字域基带回波信号，第m个短波雷达的第n个数字接收单元接收的数字域基带回波信号为r

步骤S202、对N个数字域基带回波信号进行数字波束形成处理，获得高增益回波信号，第m个短波雷达的高增益回波信号为

步骤S203、在数字域生成M+1个线性调频信号作为参考信号，利用多个FPGA对回波信号g

步骤S204、采用BP成像方法分别对M+1个回波信号s

步骤S205、分别对M+1幅三维图像R

步骤S206、利用恒虚警概率检测方法对高增益三维图像进行目标检测，检测出空间目标，设置检测时的虚警率为1％～5％；

步骤S207、根据空间目标出现的三维空间位置索引值定位目标，截取出对应的目标图像数据并传输至主卫星。

在本发明的一个实施例中，优选地，在执行步骤S1前，还包括：

主卫星发射的雷达信号经过电离层反射后继续向空间传播，遇到目标后发生散射，散射回波沿多路径传播至M+1个短波雷达后被同步接收；

M+1个短波雷达通过卫星平台输出的秒脉冲信号对系统时钟纠偏；

任一短波雷达内部的N个数字接收单元的采样时钟同步小于1ns，获得N个数字域回波信号。

如图5所示，单个短波雷达的信号在轨处理流程包括：数字下变频401，用于对中频回波信号进行数字下变频，获得数字域基带信号；数字波束形成402，用于对N路数字域基带信号进行波束形成，提高回波信号信噪比；并行脉冲压缩处理403，用于对数字波束形成后的回波信号进行匹配滤波，分离出M+1个发射信号对应的目标回波，并提高目标回波信噪比；并行三维成像处理404，用于对M+1个回波信号进行三维成像，获得M+1幅三维图像；多站雷达信息融合405，用于对M+1幅三维图像进行相参融合处理，进一步提升目标信噪比；目标检测与定位A 406，用于检测空间目标、计算空间目标三维空间位置；目标数据截取与传输407，用于截取目标的三维图像数据，并进行数据压缩，传输至主卫星。

分布式短波雷达同步接收回波信号与在轨处理的特征在于：雷达信号经过电离层反射后继续向空间传播，遇到目标后发生散射，散射回波沿多路径传播至M+1个分布式短波雷达后被同步接收；M+1个短波雷达通过卫星平台输出的秒脉冲信号对系统时钟纠偏，实现优于20ns的相对时间同步，使M+1个短波雷达的接收触发信号时间同步优于20ns；每个短波雷达内部N个数字接收单元的采样时钟同步优于1ns，获得N个数字域回波信号；经过数字下变频处理后，获得数字域基带回波信号，记第m个短波雷达的第n个数字接收单元接收的数字域基带回波信号为r

如图6所示，主卫星的分布式短波雷达信息融合处理流程包括：分布式雷达信息融合501，用于对空间目标的M+1幅三维图像数据进行相参融合处理，进一步提升目标信噪比；目标检测与定位B 502，用于对空间目标进行重检测与空间位置计算，提升对空间目标的检测性能。

分布式雷达信息融合处理的特征在于：主卫星接收到M个从卫星传输的P个目标对应的图像数据

综上，本发明提出了一种卫星分布式短波雷达系统及空间目标探测方法，利用多颗小卫星分别搭载小规模短波雷达在空间相参组网，形成一个大型天基短波雷达，通过控制分布式短波雷达的信号收发时序，借助电离层对短波雷达信号的反射，结合远距离空间目标探测方法，实现上千公里的空间目标探测预警，为我国空间基础设施安全运行提供预警信息保障，具有探测距离远、探测范围大等优势，利用分布式多节点同步相参处理方法，提升小卫星分布式短波雷达信息时效性，且卫星分布式短波雷达系统的复杂度低。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法及系统或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。