0 引言
随着各国航天飞行器发射数量不断增高，各类失效飞行器解体、报废形成的空间碎片数量同步急剧增加。空间碎片不仅关系到外太空环境和外太空活动的安全，更关系到各国航天事业的发展和国家安全。当前对于中小体积危险的空间碎片，地基雷达探测难以满足编目需求，需借助天基雷达直接进行空间探测来获取其信息。由雷达方程可知，若需进一步增强雷达探测能力，需增加雷达天线口径或输出功率。空间特殊环境对雷达体积和功耗的限制，极大制约天基雷达测量能力。此背景下，本文提出天基部署分布式孔径雷达，在不同天基平台部署多台小孔径雷达，联合进行空间远距探测。
分布式孔径雷达又名分布式全相参雷达，于2003年由林肯实验室提出。分布式孔径雷达基于全相参的微波能量聚合技术，通过高精度时频相同步技术，将多部小孔径雷达进行信号处理级合成处理，实现电磁波能量分布的三维空间调控，对感兴趣区域形成干涉峰点，完成微波能量空间聚合。分布式孔径雷达是一种新体制、颠覆性的雷达技术，也是下一代雷达发展的技术方向。
天基部署多台分布式孔径雷达可在性能上等效为一部大孔径雷达，一个由N部单元雷达组成的分布式雷达系统可以获得单部单元雷达N3倍的信噪比增益。此外，多台分布式孔径雷达还可以克服天基大孔径雷达机动部署困难、成本昂贵、系统复杂、难以维护等问题。但相较于地基、空基分布式孔径雷达，天基分布式孔径雷达仍存在多空间平台编队飞行难、时频相同步精度不够等难点，仍存在关键技术亟须攻关。
1 分布式孔径雷达原理及研究现状
1.1 分布式孔径雷达工作原理
分布式孔径雷达的全相参作业流程划分为3个阶段：初始相参参数预测、发射相参处理及接收相参调整[1]，具体阐述如下：
（1）初始相参参数预测。在分布式孔径雷达启动初期，各雷达单元发射相互独立的正交波形，对指定范围进行探测，并接收来自自身及其他单元的反射信号。通过匹配滤波技术，区分出单基地和双基地反射信号，并利用两者间的相位偏移和时间延迟差异，计算出初始的相参参数预测值。随后，依据这些预测值调整各雷达单元的反射信号相位和时间延迟，进而实现N2倍信噪比的提升。
（2）发射相参处理。当相位和时延的预测精度达到预定标准时，各雷达单元将发射信号由正交波形转换为相参波形，并利用之前预测的相参参数精确校准发射波形的起始时间和相位，确保所有雷达单元在目标位置实现同步且相位一致的信号叠加。
（3）接收相参调整。各雷达单元接收反射信号，并更新相参参数预测值。利用更新后的预测值，对各雷达单元的接收信号进行时间延迟和相位的调整，实现接收相参，从而确保系统整体处于全相参工作状态。若相参性能未能达标，系统将返回至初始相参参数预测阶段，重新启动全相参作业流程。
通过上述流程，在理想条件下，由N个单元雷达构成的分布式孔径雷达能够实现单部单元雷达N3倍的信噪比增益，进而达到与大孔径雷达相当的性能水平。分布式孔径雷达的示意图如图1 所示。
1.2 国内外研究现状
2005年，林肯实验室使用两部AN/MPS-36雷达实现了信号级的分布式相参合成。从2005年到2010年间，美国Northrop Grumman公司在一架BAC1-11试验机上对分布式孔径雷达系统进行了长时间测试。该系统已应用于弹道导弹防御系统，该系统后来还服役于美国研制的F-35战斗机上。这进一步证明了分布式孔径雷达的实际应用价值[1]。
当前国内外对分布式孔径雷达的研究多集中于地基与空基，对天基分布式相参合成均处于初步探索阶段且未有实际在轨应用，对于太空环境下该雷达系统的工作模式及其关键技术，尚未开展全面且深入的研究。
2 分布式孔径雷达在空间碎片感知的应用
2.1 空间碎片威胁分析
当前地球轨道上存在各类空间碎片，涵盖废弃卫星、火箭残骸等物体。撞击及自爆事件会促使碎片数量急剧攀升，这些碎片在轨道上高速运动，极大地增加了卫星碰撞风险。
依据碎片尺寸及探测技术的差异，空间碎片被细分为大碎片、中碎片和小碎片三类。大碎片尺寸通常超过10 cm，能够被地面观测设备捕捉并确定其轨道，因其携带高能量及强大破坏力，通常没有防护手段，只能通过轨道预报研判风险并在必要时采取机动规避措施。中碎片尺寸为1~10 cm，通常难以防护且难以被地基探测设备有效观测或测定，为主要危险空间碎片，有必要采取天基探测方式编目和进行碰撞预警。小碎片尺寸小于1 cm，质量较轻，数量比例极高，可采取风险部位加装防护屏、优化布局等方式进行防护或直接进行空间探测并主动规避，由于某些碎片仍具备破坏航天器子系统的能量，对该类碎片必要时同样需要天基探测编目[4-5]。欧洲航天局空间碎片办公室2023年估计数据显示，地球轨道上尺寸为10cm以上的空间碎片约36500 个，1~10 cm之间的碎片约100万个，1 mm~1 cm之间的碎片约1.3亿个。空间碎片不仅会对卫星产生严重破坏，导致卫星损坏甚至失效，并引发连锁反应，形成更多碎片，还可能导致卫星轨道偏移，影响卫星正常工作，甚至脱离轨道。近地轨道碎片场概念如图2 所示。
虽然当前各国已意识到空间碎片的现实威胁，并建立相应的监测和预警系统，但由于碎片数量庞大且轨迹复杂，精确预报和避碰仍然是巨大的挑战。这些碎片存在体积小、运动轨迹复杂等问题，通过传统雷达观测难以满足小分辨力、高动态、远距离的要求，通过传统光学观测虽具备远距离、小分辨力探测的能力，但缺乏精确位置、速度探测能力，无法对碎片轨道做出精准预报[6]。
2.2 天基分布式孔径雷达应用
随着虚拟卫星、分布式卫星等概念的提出，多个卫星平台可搭载载荷协同工作，实现一颗虚拟的大卫星的功能，这为天基分布式孔径雷达的实现提供了依据[9]：由每个卫星平台搭载雷达载荷构成单个雷达节点，通过多星协同的方式构成一部天基分布式孔径雷达，其概念图如图3 所示。
（1） 在远程目标探测领域表现突出。系统中的每个独立孔径单元均具备信号收发功能，并通过空间功率合成技术，实现了发射功率和天线孔径的大幅提升，为远程目标的精确探测提供了有力保障，这是传统星载雷达所难比拟的。
（2） 在目标分辨力与动目标检测方面展现出卓越性能。突破了集中式星载雷达对天线孔径的固有限制，充分利用其空间分布特性，实现对目标的多角度、多方位观测，可获取更丰富的目标信息，从而提高分辨率和探测精度并改善目标动态检测性能。
（3） 展现出高度的灵活性与可配置性。天基分布式孔径雷达可以根据探测需要灵活编队以适应新任务，还可将新技术卫星补充进分布式系统，可提供多载荷、多角度的观测，还可与其他类型传感器或系统进行数据融合，不仅可进一步提高探测精度和分辨率，还可实现多样化的功能。
（4） 具备高可靠性和强故障抵抗能力。个别卫星出现故障或失效，系统也能够通过编队重组或资源调度与任务重新分配等策略，实现降级使用。
（5） 成本效益显著，技术风险较低。可采用批量研发的小卫星取代大卫星，便于进行批量生产和快速部署。
3 天基分布式孔径雷达关键技术
作为一种颠覆性的雷达技术，天基分布式孔径雷达在实际工程中还未有成功案例，其技术实现在各方面都面临大量难题，包含高精度编队飞行、时空频同步、波束形成等各方面的技术问题。
3.1 高精度编队飞行技术
为实现相参合成，天基分布式孔径雷达需要各雷达节点间保持极近距离（几米至几千米），同时维持极高的位置精度。这样一是降低干扰和信号衰减，提高相参合成效率，二是可增强系统灵活性，进行编队快速重构，节约燃料，三是可减小误差，降低轨道摄动等引起的星间漂移速度。这些都依赖于更高轨道控制精度和导航精度的编队飞行技术编队实现。
随着微推力技术发展，星间精密控制成为可能。最具代表性的近距离飞行编队包括瑞典OHBSweden公司于2010年发射的PRISMA任务，如图4 所示采用微推力推进系统，推力量级可达10−7~10−3 N，任务期间两颗卫星间距由数千米变化到两米，星间距100 m时，在厘米级导航精度下其编队保持控制精度可达米级[10]；ESA计划于2024年12月发射PROBA-3任务，可在大椭圆轨道上实现144 m星间距的毫米级误差双星编队飞行任务，该任务也是世界上首个精密卫星编队飞行任务。
激光测距为近距离精密测量和高精度导航提供了途径。近距离下激光测距通常精度可达毫米级，此外，更先进的激光干涉测距等技术也逐步应用于空间领域的高精度、高动态测量，如在引力波探测编队任务LISA、GRACE中可达到皮米级和纳米级的星间测距精度，为天基分布式孔径雷达星间高精度测量提供了技术途径[11]。
3.2 高精度时空频同步技术
在高精度时频同步方面，天基分布式孔径雷达需要多星间异源相位同步。实际部署时，不同单元件为保持相参效果，需保证信号处理时相位严格统一，对飞行器间时频同步提出较高要求。区别地面通过直连分发高精度频率源保持同步方法，现有卫星主流采用主从模式和广播同步算法估计从卫星间的时间相位和频率偏差，保证星间时间对准。传统同步方法精度受星载频率源、星间通信方式限制，精度难以进一步提升。为提升精度，保证不同卫星间微波信号相参性，需要引入新一代空间高精度时间同步传输方法。该技术方案有两大关键技术：小型低功耗高精度频率源和卫星双向时间频率传输。
近年来，随着星载高精度频率源需求的持续增长，我国空间站已率先部署了冷原子喷泉钟，旨在向北斗导航卫星提供高精度时间传输服务，进而提升北斗系统的时间性能及其自主时间维持能力。传统的高精度频率源，如高精度晶振、原子钟以及光钟等，在应用于复杂的空间环境时面临着诸多挑战：高精度晶振因精度受限且易受环境温度波动影响而不尽如人意，冷原子喷泉钟与光钟则因体积庞大、系统结构复杂而难以在卫星平台上搭载；微波原子钟（如铯钟、铷钟等），尽管已应用于空间导航卫星，但其尺寸与功耗过大，往往超出了星上资源的承载能力[14]。针对小型化、低功耗的高精度频率源这一技术瓶颈，科研人员提出了在卫星上搭载芯片级原子钟的解决方案。芯片级原子钟由光电探测组件、原子气室、光学组件和激光组件构成，如图6 所示，作为一种全新的原子钟类型，基于相干囚禁原理，通过调节微波频率信号来控制相干光场，进而激发原子基态的两个超精细能级跃迁至同一激发态能级并发生共振，从而生成高精度的标志频率信号。与恒温晶振相比，芯片级原子钟在体积与功耗上相当，但其长期稳定度却提高了3个数量级以上。而与传统铷原子钟相比，芯片级原子钟在体积与功耗上更是降低了2个数量级以上[15-16]。鉴于此，美国DRAPA已启动了高稳定度芯片原子钟的研发计划，欧亚各国也纷纷计划跟进。在我国，北京大学与成都天奥电子股份有限公司也已各自研发出了芯片级原子钟产品。
双向时间频率传输中，由两用户相互发射测距信号，各自独立测量双向单程伪距值，通过对这些伪距数据进行处理，可以精确计算出星间相对距离以及星间相对时钟偏差。传统双向时间频率传输最早起源于20世纪60年代，随着卫星通信技术的同步发展，世界主要的守时试验室都有建立基于双向时间频率传输的守时网络。目前我国提出应用于空间站和北斗卫星间基于双向测量的卫星高精度时间传递网络，时间同步精度优于10 ns[14]。传统方法受限于信号传输机制，时间传输精度难以进一步提高，未来发展方向将采用星间激光双向时频传输技术：星上各自搭载一台激光光学频率梳对高精度频率源进行光学采样，两星采样后激光信号远距互发，并进行比对，最后实现两地时间高精度同步，如图7 所示[17]。理论计算采用星间激光双向时频传输技术后，同步时间同步精度将优于0.1 ns[17]，可进一步满足天基分布式孔径雷达相位同步精度需求。
3.3 波束合成技术
波束合成技术旨在利用特定形状的波束来传递有用信号或目标方向信号，同时抑制非目标方向的干扰。在天基分布式孔径雷达的波束合成过程中，需重点攻克以下关键技术难题。
（2）结合轨道摄动特性，在编队布局优化的基础上设计稳定编队构型以抑制漂移，如法国空间局（CNES）提出的“干涉车轮（Cart Wheel）”构型，可提供稳定的垂直基线和沿航迹向基线[20]，此外需结合编队漂移程度找出波束劣化边界，为轨道控制提供依据。
（3）需要研究自适应低副瓣波束形成算法，能够自适应调整天线发射模式，自主调节阵元间的相位和各天线单元的发射功率，降低副瓣影响，当前西安电子科技大学提出的发射方向图零限展宽技术已用于实现分布式雷达的栅瓣抑制[21]。
4 结语
天基分布式孔径雷达作为一种新技术，在空间碎片感知中有着广阔的应用前景。本文针对当前空间碎片的小体积、大动态，难以被探测发现和轨道预测困难等现实问题，提出采用天基分布式孔径雷达的解决方案，对其原理和关键技术进行总结，为我国未来的关键技术发展给出建议和展望。