FAST射电望远镜结合相控阵馈源接收机探测空间碎片的方法

本发明涉及天文观测与空间碎片监测，尤其是一种fast射电望远镜结合相控阵馈源接收机探测空间碎片的方法。

背景技术：

1、1、传统fast单/多波束接收机观测体制

2、现有fast传统观测系统采用单波束或喇叭馈源多波束接收机，仅具备固定数目的射频接收通道，依靠fast馈源舱伺服机械系统完成空域指向调节，无电扫描能力。工作模式为机械伺服逐点驻留观测，单次空域切换依靠馈源舱拖动、球面促动器调整反射面，机械调整耗时数十秒至数分钟，观测波束无快速空域遍历能力，主要用于天文脉冲星、中性氢观测，未针对微小空间碎片高速扫描观测需求进行优化。

3、缺点：单波束或馈源多波束接收机单次仅能观测极小空域，机械扫描速度极慢，空间微小碎片过境不易捕捉；无多通道阵列相干积累，微弱毫米碎片回波信噪比不足，无法实现微小碎片定量探测。

4、2、独立固定式相控阵空间碎片雷达地面专用空间监测相控阵雷达，无大口径反射聚波结构，依靠大规模平面阵元接收碎片散射信号。如需提升灵敏度需数万阵元，设备造价、占地、功耗极高；且无超大口径聚波增益，高轨小碎片回波信号极易被噪声淹没；纯电扫描观测一般针对固定空域，无法实现天顶全域覆盖，难以适配fast全天顶观测场景。

5、传统单口径射电探测设备，采用单抛物面天线搭配双轴伺服机械转台，依靠机械转动实现空域扫描，无电扫描能力，波束指向完全跟随机械结构运动。该设备可全天候工作，不受光照天气限制，能够通过射频散射信号捕获微小碎片。

6、现有成熟方案工作流程：机械转台按固定角度步进，每一步到位后静置数秒，单波束持续驻留采集回波，采集完成后驱动电机转动至下一观测空域。

7、国内现有天马、密云等射电观测站、国外nasa空间碎片监测雷达均大量采用该体制设备。

8、3、全域固定式大型有源相控阵雷达

9、全空域固定式相控阵系统，阵列天线固定不动，完全依靠电扫描波束切换覆盖观测空域，无需机械运动机构。阵列全部阵元独立配置移相衰减通道，波束可微秒级切换，弱目标检测能力较强；多用于靶场弹道监测、高空目标预警。现有空间监测相控阵设备多为超大固定阵面，覆盖固定扇形空域。

10、4、普通中小型射电望远镜搭载简易相控阵馈源现有中小型射电天线搭配小规模相控阵馈源，仅做简单硬件叠加，未结合大口径球面反射镜聚波增益做协同优化；无fast球面促动器、馈源舱机械伺服与相控阵电扫描联动调度逻辑；未建立球面反射面形变误差、馈源舱机械指向误差与相控阵通道幅相耦合补偿；缺少适配fast大口径的微弱碎片多帧相干积累，微小碎片检出能力弱、虚警高。现有技术中存在少量将小型相控阵安装于简易转台的试验样机，但仅做简单叠加控制，未设计分层协同扫描调度逻辑：机械扫描与电扫描独立运行、无联动时序匹配，无针对微小碎片优化的多帧相干积累、rcs反演，仅可实现大尺寸空间目标粗探测，未针对毫米级弱散射碎片做系统性优化。

11、5、纯光学空间碎片监测设备依靠可见光或红外成像探测碎片，仅晴天、夜间无云层环境可用，雨雾、沙尘完全失效；毫米级微小碎片反光截面极小，无法稳定识别轨道占比90%以上的毫米、亚毫米碎片，不具备全天候全时段探测能力。

12、依靠可见光或红外光学镜头捕捉碎片反射太阳光实现成像探测，设备依靠方位俯仰机械转台完成空域扫描。优点是成像直观、无电磁干扰；但存在致命局限：仅白天、无云层遮挡环境下可用，夜间、阴雨、雾霾天气完全失效；且对微小碎片回光强度极低，几乎无法识别，仅能稳定探测较大尺寸碎片，无法满足微小碎片常态化全天候监测需求。

13、上述主流现有技术单独使用、或简单组合使用时，均存在无法兼顾全域覆盖速度、微小碎片探测灵敏度、设备建设成本、空域定位精度的多重短板，具体缺陷如下：

14、缺陷1：纯机械单碟射电望远镜扫描效率极低，极易漏检高速微小碎片

15、纯机械扫描依靠伺服电机驱动整副天线转动，方位、俯仰单次步进、制动、稳定耗时普遍2~5秒，单块空域完整扫描耗时分钟级；低轨道微小碎片运行速度可达7~10km/s，高速碎片穿过观测视场时间仅毫秒级。机械扫描速度过慢会出现两种严重问题：一是碎片快速穿越空域时，设备尚未完成驻留采集，直接丢失目标；二是全域完整遍历周期长达数小时，无法实现近地轨道微小碎片实时动态监测，难以支撑航天器实时防撞预警。

16、缺陷2：纯固定式相控阵雷达覆盖范围受限、建设与运维成本极高

17、固定式大型相控阵阵列无法转动，仅能覆盖固定扇形空域，无法实现360°全方位无死角空域探测；若要完成全轨道全域覆盖，需布设多套大型相控阵设备，单套阵列阵元数量数万级，射频前端、采集、算力硬件造价高昂，占地面积巨大，基建、供电、维护成本成倍提升，中小型航天观测站点无法批量部署。同时固定阵面对天俯仰范围受限，低轨碎片密集低俯仰空域探测能力存在盲区。

18、缺陷3：光学探测设备全天候工作能力差，无法识别亚毫米微小碎片

19、光学观测依赖外部光照条件，夜晚、多云、沙尘天气完全丧失探测能力，不具备全天时、全天候监测能力；且毫米级碎片反光截面积极小，光学传感器信噪比不足，无法稳定检出1mm以下微小碎片，而此类微小碎片数量占轨道碎片总量90%以上，是在轨卫星碰撞风险主要来源，现有光学设备无法完成该类目标普查。

20、缺陷4：现有简易机电组合设备灵敏度不足

21、现有试验型转台搭载相控阵设备仅做简单硬件叠加，控制逻辑相互独立：机械转台与相控阵波束无同步时序，机械振动未做制动补偿，阵列波束基准指向持续偏移；试验装置反射面口径小，且相控阵系统噪声高，探测灵敏度低，无法有效探测微小空间碎片。

22、同时现有方案未配套针对微小碎片的多帧相干积累、碎片rcs反演，微弱碎片回波极易被地面杂波、通道噪声掩盖，检出信噪比门槛高，微小碎片漏检、虚警数量巨大，无法实现稳定可靠的微小碎片定量探测。传统设备采用固定顺序循环扫描，对碎片密集空域、毫米级高危微小碎片、高速运动碎片无资源倾斜能力；同等扫描时长内，大量算力、射频资源浪费在无碎片空旷空域，高危微小碎片空域观测频次不足，无法及时捕捉新增轨道碎片，难以提前预警卫星碰撞风险。

23、缺陷5：传统fast单/多波束观测体制无法快速定位碎片轨迹并进行跟踪

24、现有fast标准观测系统采用单波束多波段接收机，仅具备单一或有限数目射频接收通道，依靠fast馈源舱伺服机械系统完成空域指向调节，无电扫描能力。工作模式为机械伺服逐点驻留观测，单次空域切换依靠馈源舱拖动、球面促动器调整反射面，机械调整耗时数分钟至十分钟，波束无快速空域遍历能力，主要用于天文脉冲星、中性氢观测，并未针对微小空间碎片高速扫描优化，在单一通道内探测到碎片无法实时进行轨道预测并跟踪观测。

25、缺点：单波束单次仅能观测极小空域，扫描速度极慢，高速微小碎片过境极易丢失；无多通道阵列相干积累，微弱毫米碎片回波信噪比不足，无法实现微小碎片定量探测；无法进行搜寻发现后，实时跟踪长时间观测。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种fast射电望远镜结合相控阵馈源接收机探测空间碎片的方法，实现对空间微小碎片快速全域扫描发现和探测。

2、为实现上述目的，本发明一种fast射电望远镜结合相控阵馈源接收机探测空间碎片的方法，包括以下步骤：

3、s1、控制fast射电望远镜的主动反射面形成瞬时抛物面，并通过馈源支撑系统驱动搭载有相控阵馈源接收机的馈源舱移动至瞬时抛物面的焦点处，执行空域的机械指向与扫描；

4、s2、利用相控阵馈源接收机接收经瞬时抛物面汇聚的空间碎片射频回波，并将空间碎片射频回波转换为多通道数字基带信号；

5、s3、对多通道数字基带信号进行数字波束成形，合成目标探测波束，执行电子波束扫描；

6、s4、基于波束探测结果，动态调度机械指向与扫描以及电子波束扫描的工作时序，在全域标准扫描模式、碎片空域加密扫描模式和微小碎片长时跟踪模式之间进行切换；

7、s5、对合成的目标探测波束对应的时域回波进行动目标杂波对消与多帧相干积累处理，并通过参数反演获取空间碎片的信息。

8、进一步，步骤s2，包括：

9、通过相控阵馈源接收机的阵列单元接收空间碎片射频回波；

10、利用低噪声放大器对空间碎片射频回波进行低噪声放大；

11、依次经过带通滤波器滤除带外干扰信号，并进行射频功率放大；

12、利用模数转换模块在统一的基准时钟同步下，将放大后的信号转换为多通道数字基带信号。

13、进一步，在对多通道数字基带信号进行数字波束成形之前，还包括：

14、通过设置在相控阵馈源接收机阵面的校准发射装置同步发射校准信号；

15、采集各通道接收到的校准信号，计算各接收通道的幅值误差和相位误差；

16、根据幅值误差和相位误差，实时更新各通道的幅值补偿值和相位补偿值，对多通道数字基带信号进行幅相误差补偿校准。

17、进一步，步骤s4，包括：

18、在全域标准扫描模式下，保持相控阵馈源接收机的电子波束扫描按预设空域步进跳转，进行空间碎片盲测搜寻；

19、当检测到空间碎片目标时，切换至碎片空域加密扫描模式，控制fast射电望远镜的机械指向固定于该空间碎片所在空域，缩小电子波束扫描的步长，并提升相干积累的帧数；

20、当判定检测到微小碎片目标时，切换至微小碎片长时跟踪模式，控制fast射电望远镜的机械指向与电子波束扫描同步持续跟随该微小碎片的运动轨迹，进行长时间驻留联合观测。

21、进一步，步骤s5中，对合成的目标探测波束对应的时域回波进行动目标杂波对消与多帧相干积累处理，包括：

22、利用二阶mti动目标杂波对消技术滤除时域回波中的地面杂波、静止目标杂波；

23、对杂波滤除后的回波数据进行多普勒变换，并在频域内进行多帧相干积累，以提升微弱空间碎片回波的信噪比。

24、进一步，步骤s5中，空间碎片的信息包括：距离、速度、等效截面积及轨道信息，具体为：

25、根据多普勒频移解算空间碎片的径向速度；

26、根据目标回波时延解算空间碎片的距离；

27、结合接收功率、系统发射功率、工作波长以及fast射电望远镜的有效观测口径增益，反演计算空间碎片的等效截面积，以判定空间碎片的尺寸大小。

28、进一步，将fast射电望远镜的大口径球面反射面增益参数引入至雷达方程中进行联合计算，来反演计算空间碎片的等效截面积。

29、进一步，步骤s5之后，还包括：

30、综合空间碎片的距离、径向速度及角度信息，对同一空间碎片在多个波束下的检测点迹进行聚类，剔除重复数据；

31、利用卡尔曼滤波算法对聚类后的点迹数据进行轨迹滤波，建立空间碎片运动状态方程，解算并输出轨道根数。

32、进一步，步骤s4中，在进行探测模式切换调度时，基于检测到的空间碎片的数量、等效截面积尺寸和轨道运行速度计算当前观测空域的风险优先级评分；依据风险优先级评分动态分配探测资源。

33、进一步，所述方法还包含兼容探测模式，当关闭相控阵馈源接收机的电子波束扫描功能时，由fast射电望远镜在单点目标跟踪模式与漂移巡天模式下，执行常规天文射电观测与探测任务。 本发明利用500米口径球面射电望远镜（fast）大口径汇聚空间碎片射频回波的优势，结合相控阵馈源接收机，实现对空间微小碎片快速全域扫描发现和探测，具有全天候、高灵敏度等特点。