0 引 言
地基行星雷达主要原理是利用地面大口径天线发射雷达信号并接收小行星反射的回波信号。地基行星雷达可实现小行星表面地形测绘，获取小行星表层特性，在小行星科学研究中具有独特价值。由于地基行星雷达与小行星之间的相对运动，回波信号存在时间延迟和多普勒频移，通过测量获取上述测量数据可实现小行星精密定轨，将轨道位置误差从数千千米降低到数千米，有效监测小行星位置，提高小行星撞击预警能力，保护地球安全[4]。
本文介绍了国内外深空组阵行星雷达（Deep Space Array Planetary Radar，DSAPR）技术现状及优势，重点分析了我国喀什深空站天线阵系统的深空组阵行星雷达的能力，为后续系统建设提供参考。
1 组阵行星雷达技术概况
1.1 组阵行星雷达基本原理
单孔径天线地基行星雷达接收小行星回波信号的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）与发射机功率、天线发射增益及接收增益成正比，与小行星距离的四次方成反比，可以表示为：
式中，$ {P_{\mathrm{t}}} $ 为发射机功率；$ {G_{\mathrm{t}}} $ 为天线发射增益；$ {G_{\mathrm{r}}} $ 为天线接收增益；$ R $ 为小行星的距离。
对于单孔径天线而言，增大天线口径和提高发射机功率是提升信噪比的主要手段。然而，单孔径天线的建设规模有限，其口径不可能无限增大，导致其发射增益和接收增益受到限制。目前，GBT是世界最大的全可动天线，口径为110 m；而国内立项论证的最大全可动天线口径为120 m。此外，在当前技术水平下，发射机功率也存在极限。例如，行星雷达中使用的连续波发射机，S频段的最大功率为1 MW，X频段的最大功率为450 kW。
自20世纪70年代开始，天线组阵技术被提出，并随后被广泛应用于雷达通信等领域。深空组阵行星雷达是由多套雷达协同观测的目标探测装置，如图1 所示。其核心思想是利用多台地基发射雷达进行组阵，实现发射信号空间合成，从而使雷达发射信号在极远距离处的同相叠加，提升等效发射功率；同时，利用多套雷达协同接收，大幅提升回波信号的信噪比。
N个天线组阵空间信号合成，理想的等效辐射全向功率（Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP）为：
式中，$ {\text{EIR}}{{\text{P}}_j} $ 为天线$ j $ 的等效辐射全向功率；$ P_{{\mathrm{t}}-j} $ 为天线$ j $ 单独发射信号时的发射功率；$ G_{{\mathrm{t}}-j} $ 为效率天线$ j $ 的发射增益。
对于均匀阵，各单元发射功率与发射增益相同，实际合成功率等效辐射全向功率表示为：
等效系统品质因素可以表示为：
回波信号的信噪比可表示为：
式中，$ \text { EIRP } $ 为单个发射天线的等效全向辐射功率；$ G_{{\mathrm{s}}} / T_{{\mathrm{s}}} $ 为单个接收天线的系统品质因素；$ \lambda $ 为深空组阵雷达信号波长；$ \sigma $ 为雷达反射截面积；$ \tau $ 为信号积分时间；$ R $ 为雷达到小行星的径向距离；$ {k} $ 为玻尔兹曼常数；$ B $ 为回波信号的频谱带宽。
雷达探测距离可表示为：
通常上行发射和下行接收信号的合成难以达成理想状态，通常上行、下行合成效率用$ \eta_{q} $ 、$ \eta $ 表示。此时，$ N $ 个天线组成的均匀阵，上下行均合成时信噪比表达式为：
雷达探测距离可表示为：
为了实现对更远距离的近地小行星和太阳系外部小行星的观测，需要提高回波信号的信噪比。美国下一代行星雷达技术中确定了以下3条技术发展路线：
（1）上行组阵发射信号空间合成。利用多个小型天线阵列，配置较低功率发射机，可以实现甚至超过当前大口径天线行星雷达的发射能力。
（2）下行组阵接收信号合成与干涉。利用多个小型天线阵列（如下一代甚大阵列（next-generation VLA，ngVLA）、平方公里阵列 (Square Kilometre Array，SKA ）或甚长基线阵列（Very Long Baseline Array，VLBA）、澳大利亚望远镜致密阵列（Australia Telescope Compact Array，ATCA）），进行信号合成与干涉，可以实现甚至超过当前大口径天线行星雷达的接收能力。
（3）高可靠、大功率发射机。研制模块化固态发射机，利用低功率固态功放高效合成，实现大功率输出，并保持系统的稳定性。
1.2 上行组阵雷达技术
1.2.1 美国国家航空航天局上行组阵雷达技术验证
美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）利用戈尔德斯顿深空通信综合设施（Goldstone Deep Space Communications Complex, GDSCC）DSS-24、DSS-25和DSS-26 3个34 m天线，开展了上行组阵雷达技术的验证工作。3个天线的空间位置及组成的基线如图2 所示，形成的空间基线长度B1=238 m、B2=301 m、B3=500 m。天线工作在X频段，频率为7.18 GHz，发射机功率为20 kW，组阵后发射机等效功率可达到180 kW。针对月球距离，不同基线组合发射信号的空间合成效果，其远场强度情况如图3 所示，3个天线上行空间合成后远场强度显著增强。
1.2.2 NASA新型组阵雷达
NASA已经开始新型组阵雷达项目研究工作。通过采用更高功率发射机并提高分辨率，获取更多近地小行星及轨道碎片数据，从而增强小行星跟踪与识别能力。组阵雷达的发展路线如图5 所示，按照4个阶段逐步实施，分阶段形成相应能力。
第一阶段——Ka频段目标观测与监视（Ka-Band Objects Observation and Monitoring，Ka-BOOM）。肯尼迪航天中心在现有的8 GHz和30 GHz的地面通信设施的基础上，开发了Ka频段上行组阵概念验证设施原理样机，如图6 所示。Ka-BOOM主要基于通信信号开展高频段组阵雷达关键技术验证，验证大气波动对于上行组阵的影响，支持后续NASA地基行星雷达方案设计[21]。
第二阶段——全时相位组阵雷达（Phased Array Radar Always Yewsful，PhARAY）利用戈尔德斯顿34 m和70 m开展技术验证，实现X频段通信模式下的异地分布式（16 km）上行组阵实时补偿技术。
第三阶段——Ka频段组阵雷达近地小行星精确表征项目（Ka Band Array Radar for Near-Earth Objects Accurate Characterization，KARNAC）。基于Ka频段通信模式下上行组阵验证情况，开展Ka频段雷达信号组阵相参合成验证。KARNAC的工作频率为34~36 GHz，单天线发射机峰值功率为25 kW，上行组阵后等效功率可达到225 kW。
第四阶段——空间目标组阵雷达（Space Object Array Radar，SOAR）。SORA采用发射功率为100 kW的多个相控阵发射单元组阵，信号带宽最高为4 GHz，距离分辨率可达5 cm，对小行星探测距离从0.1 AU提升到0.5 AU，最终实现对90%直径大于140 m的近地小行星的跟踪、识别及表征[22]。
1.2.3 美深空先进雷达
美国天军2017年启动深空先进雷达能力（Deep Space Advanced Radar Capability，DARC）概念项目，并于2022年在美国新墨西哥州白沙导弹靶场完成技术演示验证，开发和验证了适用于地球同步轨道目标的超高性能、超多目标、超远距离新型雷达，如图7 所示。同年，诺斯罗普·格鲁门公司获得了1号站点雷达开发合同。
深空先进雷达与美国天军现役雷达和光学设备相比，其优势在于：雷达发射功率更大，可实现全天时、全天候地球同步轨道目标监测；弥补现有太空监视网对深空目标监视能力的不足，实现了对太空低轨、高轨及深空目标的全方位监视。
美国正在开展3套DARC雷达系统部署，3个站点分别位于美国得克萨斯州、英国与澳大利亚，各站点间经度间隔约120°。每个站点配置了10~15个15 m口径天线进行组阵，可实现对地球同步轨道区域10~20 cm目标的7天24小时不间断监视[23]。
1.2.4 中国复眼
1.3 下行组阵技术
1.3.1 NASA下行组阵技术
下行组阵技术最早由NASA提出，主要用于深空航天器遥测数据接收。其基本原理是通过调整多个单孔径天线接收信号的延迟和相位，确保多个天线收到的信号相干，通过信号相干叠加，增强信号的信噪比。目前，下行信号合成方法主要包括全频谱合成、复符号合成、符号流合成、基带合成等，信号处理算法主要有Simple算法和Sumple算法[27]。
在“旅行者”2号与天王星交会期间，NASA利用深空网测控天线（64 m和34 m）与射电天文天线（64 m）进行下行组阵试验，成功接收了航天器的下行信号。在“伽利略”号与木卫四的交会期间，NASA利用戈尔德斯顿多个测控天线（70 m和34 m）及帕克斯射电天文天线（64 m），构建了多天线组阵系统，正式参与任务操作，使“伽利略”号的下行遥测数据率从40 bit/s提高到120 bit/s[28]。
目前，NASA的3个深空站均配备了1个70 m和3个34 m深空测控天线。根据具体任务需求，这些站点能够正常进行下行组阵，接收航天器信号。其中，戈尔德斯顿深空通信综合设施内天线组阵如图9 所示。
1.3.2 国内下行组阵技术
在探月工程的推动下，北京跟踪与通信技术研究所、北京遥测技术研究所和航天工程大学等单位开展了相关的研究和试验工作。嫦娥3号探测器在月球表面成功着陆、着陆器与巡视器分离后，利用1 个12 m天线+2个18 m天线组成的试验验证系统完成下行组阵试验。与单个18 m天线相比，多个天线组阵后的图像数据接收质量显著提高。试验结果表明，合成效率达到95%，等效口径达到25 m[29]。
为提高深空测控网的数据接收能力，在“天问”一号任务的推动下，中国在喀什深空站建设了3个35 m口径天线，与原有1个35 m天线共同组成天线阵系统。通过下行组阵接收技术，喀什深空站在X频段的测控通信数据接收能力已达到与佳木斯深空站66 m深空测控设备相当的水平[30]。在4亿千米的距离下，接收的最大码速率达到64 kbit/s。
2 喀什深空组阵行星雷达
2.1 喀什深空站的基本情况
喀什深空站位于新疆维吾尔自治区喀什市莎车县境内，地处昆仑山北麓、帕米尔高原脚下以及塔克拉玛干沙漠西缘。2013年，该站通过探月工程建成一套S/X/Ka三频段35 m深空测控设备。2019年，通过“天问”一号任务，又建成3个35 m口径天线，最终形成4个35 m天线组成天线阵系统，如图10 所示[31]。
2.2 喀什深空组阵行星雷达优势分析
喀什深空站配备了4×35 m天线组阵，配置了X和Ka频段大功率发射机，通过上行组阵可以大幅度提升发射能力。喀什35 m天线阵系统作为地基行星雷达，具有以下主要优点：
（1）发射和接收能力大幅提升。利用现有的4×35 m天线组阵，发射增益提高16倍，接收增益提高4倍，系统整体增益提高64倍。
（2）支持Ka频段探测。GSSR使用X频段40 MHz带宽，距离分辨率为375 cm；若采用Ka频段，信号带宽可达4 GHz，距离分辨率提升至3.75 cm；基于宽带雷达回波信号的多基线干涉测量技术，可显著提高空间角度分辨率。喀什深空站的4个35 m口径天线主反射面支持40 GHz频率，具备可升级Ka频段雷达探测的能力。
（3）电磁环境优良。喀什深空站周边山峦与站址的高差也都在100 m以上，遮蔽条件良好，电磁环境优良。喀什深空站上空无航线，大功率上行发射不会影响航空飞行。
（4）可扩展性好。喀什深空站预留了较大的可用面积，且气象条件较为理想，非常适合建设大规模天线组阵。未来可在该站内规划建设20个35 m天线，并根据任务需求进一步扩展更多的天线进行组阵。
3 喀什深空组阵行星雷达能力分析
3.1 喀什4×35 m深空组阵雷达
喀什深空站在现有4×35 m天线阵系统的基础上，配置了X频段50 kW和200 kW发射机。该雷达在探测不同直径小行星时，探测距离与信噪比之间的变化曲线如图11 ~图12 所示。当信噪比设定为30时，不同直径的小行星的最远探测距离结果如表1 所示。
图 11 喀什4×35 m深空组阵雷达探测能力（X频段50 kW发射机）Fig.11 Kashi 4×35 m DSAPR detection capability (X band 50 kW transmitter) |
图 12 喀什4×35 m深空组阵雷达探测能力（X频段200 kW发射机）Fig.12 Kashi 4×35 m DSAPR detection capability (X band 200 kW transmitter) |
表 1 喀什4×35 m深空组阵雷达不同配置条件下探测距离Table 1 Kashi 4×35 m DSAPR detection range with different transmitter |
| 直径/m | 探测距离/（×104 km） | SNR | |
| 50 kW | 200 kW | ||
| 20 | 106.7 | 150.9 | 30 |
| 50 | 150.4 | 212.8 | 30 |
| 140 | 221.4 | 313.1 | 30 |
| 320 | 301.8 | 426.9 | 30 |
| 800 | 425.6 | 601.9 | 30 |
| 2 000 | 600.1 | 848.7 | 30 |
| 5 000 | 846.2 | 1 196.8 | 30 |
| 10 000 | 1 210.9 | 1 712.5 | 30 |
由图11 ~图12 和表1 可知，喀什的4×35 m深空组阵雷达配置50 kW发射机，对直径20 m目标的最远探测距离为106.7×104 km，对直径140 m目标的最远探测距离为221.4×104 km。若该雷达配置升级为200 kW发射机，其对直径140 m目标的最远探测距离为331.1×104 km。
喀什深空组阵行星雷达要达到GSSR同等能力，则需满足：
组阵数目与发射机功率满足如下关系：
GSSR与喀什深空组阵行星雷达部分参数如表2 所示。可以看出，喀什深空组阵雷达达到GSSR同等能力水平，组阵天线的数量与发射机功率之间的关系见图13 所示。
表 2 GSSR与喀什深空组阵行星雷达部分参数Table 2 The parameter of GSSR and Kashi DSAPR |
| 参数 | GSSR | DSAPR |
| 发射机功率/kW | 450 | — |
| 天线增益/dBi | 73.9 | 68.1 |
| 接收温度/K | 44 | 50 |
由图13 可知，若以现有X频段50 kW发射机为基础，将4个35 m天线扩展至10个35 m天线，形成深空组行星阵雷达，即可达到GSSR同等能力水平；此外，利用现有的喀什4×35 m组阵，配置X频段120 kW发射机，同样可以达到与GSSR同等的能力水平。
3.2 喀什20×35 m深空组阵雷达
在喀什深空站4×35 m天线阵系统的基础上，配置X频段200 kW发射机，并扩展构成20×35 m深空组阵雷达。该雷达在探测不同直径小行星时，探测距离与信噪比之间的变化曲线如图14 所示。在信噪比设定为30的条件下，不同直径小行星的最远探测距离结果如表3 所示。
图 14 喀什20×35 m深空组阵雷达探测能力（X频段200 kW发射机）Fig.14 Kashi 20×35 m DSAPR detection capability (X band 200 kW transmitter) |
表 3 喀什20×35 m深空组阵雷达探测距离（X频段200 kW发射机）Table 3 Kashi 20×35 m DSAPR detection range（X band 200 kW transmitter） |
| 直径/m | 探测距离/（×104 km） | SNR |
| 20个200 kW | ||
| 20 | 504.6 | 30 |
| 50 | 711.6 | 30 |
| 140 | 1 046.9 | 30 |
| 320 | 1 427.4 | 30 |
| 800 | 2 012.7 | 30 |
| 2 000 | 2 838.0 | 30 |
| 5 000 | 4 001.7 | 30 |
| 10 000 | 30 |
由图14 和表3 可知，20个35 m深空组阵雷达，配置X频段200 kW发射机，可实现对140 m直径小行星的探测距离达到1 046.9×104 km（0.07 AU）。
4 结 语
深空组阵雷达技术是当前地基行星雷达探测的主要技术方向之一，是实现远距离行星探测的可行手段。本文以喀什深空站天线阵系统为基础，分析了基于该站多天线组成的深空组阵行星雷达技术的优势。针对喀什深空站天线阵系统形成的4×35 m和20×35 m深空组阵行星雷达，开展了探测能力分析。研究结果表明，配置X频段50 kW发射机的10×35 m深空组阵雷达以及配置X频段120 kW发射机的4×35 m深空组阵雷达，均可以达到GSSR同等能力水平；而配置X频段200 kW发射机的20×35 m深空组阵雷达，可实现对直径140 m、距离1 046.9万公里的小行星的探测。