作者：贲德,王海涛
出版社：电子工业出版社
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天基监视雷达新技术试读：
作者简介
贲德1938年生，吉林省九台市人，毕业于哈尔滨长期从事雷达系统究究与工程管理工作，20世纪60年代中期开始从事相控阵雷达课题研究；70年代初作为主要技术负责人之一，承担我国第一部大型相控阵雷达的研制任务，为我国掌握相控阵这一尖端雷达技术作出了突出贡献；80年代初担任研制机载脉冲多普勒火控雷达的总设计师，率领团队经过艰苦的探索，突破了诸多技术瓶颈，取得雷达领域中的重大成果。多年关注天基雷达项目，是天基雷达发展的主要倡导者。先后获得国家科学技术进步一等奖一次、电子工业部科技成果特等奖两次，以及其他重量级奖项多次。2001年当选为中国工程院院士。
王海涛1980年生，毕业于南京航空航天大学，获博士学位。2008年进入南京电子技术研究所博士后工作站,2010年转入该所总体部工作，多年专注于天基雷达系统的科研工作，在国内外重要刊物和会议上发表多篇论文。空间射频信息获取新技术丛书“十二五”国家重点图书出版规划项目天基监视雷达新技术贲 德 王海涛 著
内容简介
天基监视雷达是空间武器系统的新兴研究热点，它在广域监视和威胁防御方面有卓越的性能，对国防具有重要的战略意义，对国民经济也有很强的应用价值。
本书重点讨论了天基监视雷达的系统设计和关键技术，全书共分10章，包括系统概述，轨道与星座，电离层环境，目标特性，系统仿真，信号检测，杂波抑制，天线技术，指标、参数和系统，双基地和分布式系统。
本书根据作者多年来天基监视雷达研制经验和近年来国内外研究成果编著而成，对于从事天基监视雷达研究和研制工作的工程技术人员具有很高的参考价值。本书也可以作为高等学校相关专业高年级本科生和研究生的教材或参考用书。
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图书在版编目（CIP）数据
天基监视雷达新技术/贲德，王海涛著.—北京：电子工业出版社，2014.9（空间射频信息获取新技术丛书）“十二五”国家重点图书出版规划项目
ISBN 978-7-121-22214-6
Ⅰ.①天… Ⅱ.①贲…②王… Ⅲ.①监视雷达 Ⅳ.①TN959.1
中国版本图书馆CIP数据核字（2013）第308837号
策划编辑：刘宪兰
责任编辑：韩玉宏
印 刷：
装 订：
出版发行：电子工业出版社
北京市海淀区万寿路173信箱 邮编100036
开 本：787×1092 1/16 印张：24.5 字数：627千字
版 次：2014年9月第1版
印 次：2014年9月第1次印刷
印 数：3 000册 定价：68.00元
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我国的雷达事业，经过数十年几代人的努力，从无到有，从小到大，从弱到强，在许多领域已经进入了国际先进行列。为了总结这些经验，给今后的雷达发展打好基础，前些年，我们在众多雷达专家、学者的支持和参与下，在总结长期雷达科研、生产、教学、使用经验的基础上，聚集体智慧，组织了“雷达技术丛书”的编写工作。该套丛书一经电子工业出版社隆重推出，便受到业内同行的热烈欢迎，也成为我国雷达界的一项重要科研成果。
转眼，距“雷达技术丛书”的出版已近十年，在我国国防建设与经济建设需求的推动下，在电子信息技术高速发展的基础上，雷达及雷达相关技术又有了新的进步。近年来，我国在相控阵天线及其发射接收组件技术方面取得了很大进步，并推广应用于各种对空目标监视雷达及各类机载雷达；开展了高分辨率多维雷达信息获取前沿技术研究，实现了机载与星载高分辨率合成孔径雷达（SAR）成像和超宽带雷达成像，这些都在国防建设和各个民用领域发挥着重要作用。在天线、微波、信号处理、数据处理等雷达基础技术快速发展的同时，与通信、网络技术的快速发展相同步，我国在雷达组网、雷达数据融合等雷达系统技术方面也取得骄人的进步，使得雷达成为空间射频信息获取的重要工具。特别值得一提的是，为适应航空、航天和空间应用的需要，我国在用于空间目标探测、跟踪和精密测量的大型单脉冲雷达与相控阵雷达技术方面获得了新的进展，其中相当部分拥有发明专利与自主知识产权。与此同时，在推动我国雷达技术进步的队伍中也涌现出不少优秀的年轻专家。在总结近几年雷达及雷达系统技术快速发展的基础上，为满足雷达信息获取的新要求，包括地基雷达对高速、高机动飞行目标及机载与星载雷达对地面、海面乃至地下目标获取信息的要求，我们再次组织编写了“空间射频信息获取新技术丛书”（以下简称丛书）。该套丛书的正式出版和推广，将有利于正确把握雷达技术发展方向，促进我国雷达事业的创新发展。
为使丛书较系统地总结和反映我国在空间射频信息获取与应用方面所取得的创新技术与理论成果，同时吸纳国外在该领域的相关前沿基础科研成果，为该领域技术发展提供借鉴作用，本套丛书除包括本版内容之外，还充实了国外引进版内容。全套丛书的内容定位主要突出空间射频信息获取技术的工程设计性，反映空间射频信息获取的新技术。在本版内容中，强调总结我国科技人员近年来在空间射频信息获取技术领域取得的重大科技成果和突破性进展，框架设想上体现新技术和创新发展；在国外引进版内容上，重点吸纳国外空间射频信息获取技术领域的前沿基础科学研究和对该领域技术发展具有借鉴作用的新技术。全套丛书尽可能提供有关研究图表、数据、曲线和计算公式，使设计举例更具有实用性。
丛书的编写创作主要由领域内几位院士和众多中青年专家担纲，他们既要完成繁重的科研和管理任务，又要抓紧时间撰写书稿，工作十分辛苦，在此，我们谨代表丛书编委会，向各册作者和审稿专家表示深深的敬意！我们希望本套丛书所展示的新技术、新成果和新理论等能对从事该技术领域科研、设计、教学、管理工作的人员，部队干部、战士，以及高等学校相关专业的学生、研究生有所帮助，从而促进我国空间射频信息获取技术的发展，为国家信息化建设和国民经济建设作出贡献。
本套丛书的出版，得到了中国电子科技集团公司、中国电子科学研究院、南京电子技术研究所、西安电子科技大学等各参与单位的大力支持，得到了电子工业出版社领导和刘宪兰首席策划编辑的积极推动，得到了参与丛书工作全体同志的热情帮助，在此一并表示衷心的感谢！丛书主编、中国工程院院士王小谟 张光义2013年5月前 言
天基监视雷达是国际上正在研制的新一代雷达，它可为军事和民用服务。军事领域的应用包括广域监视和威胁防御。民用领域的应用包括遥感遥测、交通管制、空间探索和司法行动。天基监视雷达的核心优势在于广阔的视野和全球性的覆盖。这种覆盖之广，超越了政治和地理等因素的限制，相对于陆基和机载雷达有很大的优越性。
半个世纪以来，天基监视雷达研究取得了重大进展，关于天基监视雷达的科技文献不断涌现，它们从不同视角阐述了天基监视雷达的设计要点，而目前尚未见到系统阐述天基监视雷达总体设计和关键技术的专业书籍。本书系作者根据多年天基监视雷达设计体会和工作经验，并结合最新技术和基本理论编著而成。
全书共分10章。第1章对天基监视雷达的研究历程、作用、特点和系统等进行了介绍和概括。第2～4章对轨道与星座、电离层环境和目标特性进行了分析。这部分内容虽然不是天基监视雷达系统的直接组成要素，但却对天基监视雷达设计性能构成重大影响。第5章讨论了天基监视雷达系统的建模技术，它是天基监视雷达设计和分析的基础。第6～8章讨论了天基监视雷达的信号检测、杂波抑制和天线技术，这些内容是天基监视雷达设计的难点和重点。接下来，第9章讨论了天基监视雷达的指标、参数和系统设计。与前面章节以单基地系统作为主要研究对象不同，第10章讨论天基监视雷达的另外两种候选方案——双基地和分布式系统。
本书是“空间射频信息获取新技术丛书”中的一册，主要面向从事天基监视雷达研究和研制工作的工程技术人员，也可作为高等学校相关专业高年级本科生和研究生的教材或参考用书。
本书第1章和第9章主要由贲德编写，其余章节主要由王海涛编写，全书由贲德统稿。周荫清、于文震、林幼权、胡学成、杨正龙、袁先明、刘爱芳、华瑶、王秀春、王卫民、王友林、叶琦、穆冬、朱根才、常建平、潘明海、周建江、朱兆达、朱岱寅、周峰、汤俊等专家对书稿提出了宝贵的建议和意见。由于作者水平有限，书中的缺点和错误在所难免，敬请广大读者批评指正。
本书的成稿，得益于中国电子科技集团公司、南京电子技术研究所和电子工业出版社的大力支持，得益于南京电子技术研究所科技部预研处赵玉洁处长所做的大量协调工作，得益于电子工业出版社社长敖然和首席策划编辑刘宪兰的热情帮助，在此向所有为本书出版付出心血的人表示衷心的感谢！作 者2014年6月第1章 系统概述
◆国外概况
◆天基雷达类型
◆天基监视雷达
天基雷达（Space Based Radar，SBR）是指以卫星为载荷平台的雷达，雷达观测不受空域和地理条件限制，能实现对全球范围全天［1，2］时、全天候监视，对现代军事具有重要意义。雷达在太空轨道上运行，它所观测的目标种类多样，有不动的地面和海面，有地面慢速运动的车辆、海面慢速运动的舰船，有空中快速目标飞机、巡航导［3-6］弹和太空高速目标弹道导弹、卫星等。雷达身处太空，所处的环境十分复杂，温度变化范围大，雷达信号要穿过电离层和对流层，［7-10］存在地面杂波和海面杂波及各种电磁干扰的影响。因此，复杂的环境决定了天基雷达的特殊性，是当代最复杂、研制难度最大的雷达。经过长期努力，天基交会雷达和天基合成孔径雷达（Synthetic ［11］Aperture Radar，SAR）已经得到成功的应用，而能观测动目标的天基监视雷达，尤其是能观测空中动目标的天基监视雷达，由于研制难度太大，尽管世界上有实力的国家都在努力研制，在关键技术上都有进展，但要做成一部能够实用的雷达，尚有较大的距离。1.1 国外概况
美国于20世纪60年代，开始了用于战略和战术监视任务的天基动目标显示和SAR系统的研制工作。在经历较长时间后，SAR技术取得了较大进展，而动目标显示技术的进展甚微。在1995年召开的美国空军会议上，与会者着重研究了将空中预警控制系统（Airborne Warning and Control System，AWACS）和联合监视目标攻击雷达系统（Joint Surveillance Target Attack Radar System，JSTARS）的动目标显示功能移至卫星平台上的可能性。为此，美国专门组织了一个由众多技术专家和军事专家组成的研究组，包括空军作战司令部（ACC）、空军空间司令部（AFSPC）、导弹系统指挥中心（SMC）、菲利普实验室、林肯实验室、罗姆实验室、航天公司、METRE公司、喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、天基红外系统计划局等单位的专家。
专家调研后表示，以1995年的技术水平，要把AWACS和JSTARS传感器的功能搬到空间平台上实现是不现实的，因为系统要求卫星的数量会很大，设备笨重，投资巨大。表1.1.1列出了空间传感器的基本参数。表1.1.1 空间传感器的基本参数
研究认为，在卫星上实现地面动目标显示（Ground Moving Target Indication，GMTI）比实现空中动目标显示（Airborne Moving Target Indication，AMTI）可能性大，因为GMTI对天线孔径尺寸和功率要求较小。
调研的另一个问题是在2000年后把AWACS和JSTARS传感器搬上空间的可能性问题。这个问题主要是以当时正处于开发和部署的几个大型电信系统和为这些系统开发的技术，使大型天基雷达星座的费用达到更能接受的程度为前提的。
卫星/无人机/双基地雷达系统（SUBSS）是开发计划的组成部分，目标是研究如何实现更轻、功率更低的天基雷达星座系统，使费用变得易于接受。双基地雷达系统采用独立的发射和接收飞行平台，通常把大功率发射机放在中高轨道的卫星上，把接收系统置于低轨道的卫星上，或者把发射机放在低轨道的卫星上，将接收机置于有人或无人机上。双基地系统方案降低了对雷达功率孔径积的要求。
1996年，菲利普实验室成立了由多个部门专家参加的天基雷达系统综合研究组，开展天基预警雷达系统顶层设计概念研究，提出与AWACS和JSTARS不同的设计概念，即ST/Rawman CONOPS。它所需的功率和孔径较小，该方案主要不同之处在于，去除了连续广域监视（Wide-Area Surveillance，WAS）的要求，而强调对重点或可疑区域的连续监视，并对在已知活动区的那些目标进行连续跟踪；建立一个监测屏，以发现那些没有在可疑区域内探测到的目标和漏掉的目标；同时，提出一个天基预警雷达设计方案，即ST/Rawman天基预警雷达。这个综合研究组所做的另一项重要工作是，对天基雷达系统的关键技术进行了分析。它重点研究了能够大量降低卫星质量的技术，指出天线和实时计算技术是降低卫星质量的两个重要技术领域，并对天基预警雷达GMTI/SAR和AMTI多功能的发展进行了分析。它指出天基预警雷达需要进一步研究的技术内容有雷达系统方案、天基雷达天线、雷达信息处理、空间计算、空间电源、空间结构、射频元器件、防辐射电子设备、自动目标识别、电子抗干扰措施（Electronic Counter-Counter Measures，ECCM）、新材料、热和振动控制、网络和信息融合、雷达集成和测试等。
美国预警和威胁告警技术计划集成产品小组（S&TWTPIPT）针对美国空军主要需求，即“不受限制、全天候、全天时、全球预警系统”，提出了多种天基雷达的顶层设计概念，具体见表1.1.2。表1.1.2 美国天基雷达的顶层设计概念
表1.1.3列出了几个设计概念的技术参数。表1.1.3 几个设计概念的技术参数
其余有关的研究计划包括MTI CONOPS、MTI Roadmap等，对天基动目标显示（Moving Target Indication，MTI）系统的检测对象、系统能力、特点、系统结构和发展规划等方面做了大量的研究工作。特别的，MTI Roadmap研究计划对美国的天基MTI系统的研究发展进行了规划，制定了近期、中期和远期的发展目标。其中，近期的发展目标是，部署一个天基预警雷达系统，具有GMTI能力；中期的发展目标是，部署一个天基预警雷达系统，可以实现全球的GMTI和区域性的AMTI能力；远期（至2025年）的发展目标是，利用60～80颗或更多卫星，完成全球的GMTI和AMTI任务。
美国空军于2001年提出天基雷达计划，旨在增强美国空军空间战略力量。该计划的任务是建造一个由8～10颗雷达成像卫星组成的星座，系统采用SAR、GMTI、AMTI和数字地图高度数据（Digital Terrain Elevation Data，DTED）等技术，为国防部和情报部门提供持久的全球情报、监视与侦察（Intelligence，Surveillance and Reconnaissance，ISR）信息。
天基雷达计划是由原来的发现者Ⅱ（DiscoverⅡ）计划演变而来的。发现者Ⅱ计划是美国国防部先进研究项目局（DARPA）在1998年支持的名为“监视、目标瞄准与侦察卫星”（Starlite）计划，其任务是在2010年发射两颗天基雷达成像演示验证卫星，然后再考虑下一步应用，部署由24颗卫星组成的实用性星座。但是，后来由于美国国会认为发现者Ⅱ计划需求不清，与国家侦察局（NRO）的“未来成像体系”（FIA）的任务分工不明，缺乏如何从演示验证过渡到实际应用的方案或设想，因此取消了该计划。
为了继续发展天基雷达成像侦察卫星，美空军于2001年提出了天基雷达计划。该计划与发现者Ⅱ计划的重要区别在于，天基雷达计划不需要经过演示验证，一步到位，直接建立实用星座。美空军认为，近年来在关键技术上已取得长足进步。因此，整个系统的全寿命成本将大幅度下降。2005年1月，美空军将天基雷达计划改名为空间雷达（Space Radar，SR）计划。美国空军与国家侦察局在2007年6月将这项计划定为绝密级计划，从2008年起，不再将计划确切的经费数字和研发进展的详细信息，在美国国防部预算文件中公开报道。
空间雷达计划将为美国国家情报部门和联合作战司令部提供全天候、全天时的监视、侦察能力。空间雷达是一部现代多功能雷达，它具备SAR成像、高分辨率地图信息（High Resolution Terrain Information，HRTI）、先进的空间情报、GMTI及全空域的监视能力。
计划改名建议源于2004年9、10月份成立的老虎队，老虎队由所有利益相关者、参与计划或直接面对用户的所有机构组成。创造出“空间雷达”这个新名称的目的是为了突出该计划拥有全新的综合能力。
美国空间雷达计划目前尚处于概念研究阶段。2004年4月，空军授予洛克希德·马丁公司和洛克希德·格鲁门公司各3000万美元的成本加固定酬金合同，研发天基雷达概念。2006年12月，空军授予这两家公司各4900万美元的成本加固定酬金合同，进行空间雷达的建模与仿真，开展研发风险和技术的论证，最终要求这两家公司都要提出一个空间雷达方案参加评选。方案重点是电扫阵列天线技术，最后选中一家公司为主承运商。
2009年，美国国防部部长罗伯特·盖茨提出有保密项目的2010年预算受到了影响。有分析认为，该项目一直备受技术风险大、成本费用不断攀升的困扰。该项目由空军和情报局共同开发，双方提出的系统要求差异很大。空军要求侧重重访率，情报局的要求则强调分辨率。既要同时满足空军和情报局的要求，又要成本可以承受，如此集成的任务几乎变得无法实现，最终很可能是各干各的。尽管空间雷达计划进行得并不顺利，但空间雷达的重要作用和重要性得到各方面的认可，开发工作仍在稳步进行。
世界上其他有实力的国家，如俄罗斯、加拿大、德国、法国、以色列、日本及印度等国，都在大力发展天基雷达。它们已经在开发天基SAR工作上取得了一定成绩，上述各国都有载有SAR的卫星在轨道上运行。1.2 天基雷达类型
天基雷达可分为3种类型：第一类是用于航天器轨道会合的交会雷达；第二类是遥感卫星上的雷达，包括地球和行星资源探测雷达，主要用于地面测绘、散射计、测高和地面下的探测，SAR是第二种类型的主要代表；第三类是具有观测固定目标、动目标等多种功能的大型监视雷达。1.2.1 轨道交会雷达
这类雷达的作用是完成航天器轨道交会时的卫星回收和航天器的定位，是一种跟踪雷达，已经成功地应用于航天飞机、“双子星座（Gemini）”和“登月计划（Apollo）”宇宙飞船项目中。在美国航天飞机项目中，为航天飞机轨道飞行设计了Ku波段雷达。该雷达在1983年6月22日首先使用在挑战者号航天飞机STS-7上，完全实现了设计初衷，顺利完成了轨道交会、卫星回收及定位功能。在轨道交会时，雷达以跟踪方式进行工作。雷达截获目标后，转入跟踪状态，此时雷达提供目标的距离、速度和这两个参数的视线惯性率的数据。单脉冲角度跟踪使天线轴始终指向目标，当相对位置和速度数据满足交会所要求的精度时，跟踪阶段结束，完成交会任务。
在1984年2月的航天飞机STS-11的飞行中，用Ku波段雷达来检验人类太空行走机动装置（MMU）的操作，雷达完成了对航天员在空间逗留漫步达100m距离期间的捕捉和跟踪。雷达还对MMU的雷达散射截面积（Radar Cross Section，RCS）进行测量，其大小为4～25.1m。表1.2.1.1列出了航天飞机STS-11Ku波段雷达的主要性能参数。表1.2.1.1 航天飞机STS-11Ku波段雷达的主要性能参数1.2.2 天基合成孔径雷达（SAR）
通过雷达从太空对地面进行遥感始于1975年，美国航空航天管理局（NASA）发射了大地测量轨道卫星（GEOS-C）SAR，以后相继有海洋卫星（Seasat）SAR、1981年航天飞机上的成像雷达SIR-A及1984年航天飞机上的成像雷达SIR-B，都属于第二类天基雷达。
Seasat-A发射于1978年6月26日，轨道的远地点高度为783km，近地点高度为778km，极地轨道具有108°的倾角和100.5min的周期。
Seasat-A是由5个子系统构成的聚焦型SAR，这5个子系统是雷达天线、雷达传感器、至地面的数据链路、地面数据记录仪及格式化和地面数据处理器。天线是8块由符合馈电网络馈电的微带阵列，工作于1275MHz。天线阵长为10.74m，宽为2.16m，进入轨道后展开。固态雷达发射机从稳定本振得到线性调频信号，产生800W脉冲功率。当天线偏离天底20°角、仰角波束宽度为6°时，在地球表面覆盖范围是带宽为100km的条带形区域。一旦雷达传感器中的接收机收到反射信号，具有时间灵敏度控制的射频放大器将回波放大，该信号和稳定的本振信号混频通过模拟数据链路发送到地面站。在地面站，解调器将雷达传感器的本振信号和回波信号还原，还原后的同步解调视频雷达信号被雷达数据记录仪及格式化处理子系统转换成数字形式。通过转换，信号被缓存且被一个高密度磁带记录仪记录下来。雷达信号处理机将记录下来的雷达信号，转换成一个二维的天线观测区域RCS图。仰角方向（与航迹垂直）上，用时间波门选通压缩后的回波信号，得到的分辨率为25m；方位角方向（沿航迹）上，通过信号处理，在信号处理间隔周期间内，对相参回波信号进行聚焦，也得到横向分辨率25m。SAR在轨总质量达223kg，需要电源功率为624W。
表1.2.2.1列出了Seasat-A的技术数据。表1.2.2.1 Seasat-A的技术数据续表
在Seasat-A的主要任务是：（1）获取深海区海洋波浪的雷达图像；（2）获取沿海岸线区域的海洋波浪图和水陆相互作用的数据；（3）获得海水/淡水有冰和雪覆盖时的雷达图像。
其次，它还要完成：（1）获取陆地表面的雷达图像；（2）为地球表面绘图获取数据；（3）获取陆地与海面粗糙度（起伏）、水的种类、地面物质差异、植物和地形估计所需要的数据；（4）获取监视环境变化的数据；（5）证明具有全天候、全天时测量能力；（6）获取设计未来高分辨率天基雷达的有用数据。
在后来美国天基雷达的活动中，SAR性能不断改善。例如，1988年发射的“长曲棍球（Lacrosse）”卫星SAR，其成像分辨率小于1m。到20世纪末，发现者Ⅱ（DiscoverⅡ）计划，把天基雷达成像性能提高到新的水平，其分辨率达0.3m。发现者Ⅱ的系统参数列于表1.2.2.2中。表1.2.2.2 发现者Ⅱ的系统参数续表
发现者Ⅱ的任务是：（1）全天候、全天时近似连续的全球GMTI搜索/跟踪和高分辨率成像；（2）采集战区GMTI和图像的动态信息；（3）准实时地把GMTI和图像信息直接传递到战区用户；（4）采集精确的数字地形高度数据。
发现者Ⅱ是一项美国空军、国防部先进研究项目局（DARPA）国家侦察局和陆军联合开发的技术演示计划。1998年2月4日正式确定了联合开发计划，新计划确定由24颗SAR卫星构成星座。演示计划由两颗卫星组成，实际演示检测和跟踪地球表面的目标、高分辨率SAR成像和精确采集数字地形高度数据的能力，同时还验证天基系统的全天候、全天时工作能力、全球的监视能力及系统的经济性。
除美国以外，还有俄罗斯、德国、日本、意大利、英国等国家都开发了天基SAR。表1.2.2.3列出了世界上主要天基SAR。表1.2.2.3 主要天基SAR一览表续表1.3 天基监视雷达
天基监视雷达是当代研制难度最大的雷达，它的任务是对地球进行大范围的监视，完成对多目标的探测和跟踪。它所观察的对象包括空中动目标（如太空中的卫星、弹道导弹、战略轰炸机、作战飞机、巡航导弹）、地面动目标（如地面上行进的坦克、车辆及海面上的舰船）和地面固定目标（如对地面观测成像）。因此，天基监视雷达是一种多功能雷达，它应具有AMTI工作方式、GMTI工作方式和SAR工作方式。1.3.1 天基监视雷达的作用（1）弹道导弹的特点是射程远、速度快、威力大。洲际弹道导弹的射程可达上万千米，具有7km/s的速度，并可携带核弹头。防御它的第一步是探测到它，而且发现越早越有利于防御，给下一步反导提供更多的预警时间。地面预警雷达威力再大，也只有当导弹飞行高度超过地平线时，才有可能探测到。为了防御从北方进攻的导弹、尽早发现目标，美国的弹道导弹防御系统把预警雷达推前布置，把雷达阵地几乎放在北极圈，推前了几千千米。尽管如此，雷达探测目标还是受地球曲率的限制。对于射程上万千米的洲际弹道导弹，最多只能提供大约15min的预警时间。
雷达以卫星为平台情况就不同了，这样能站得高看得远，大大地扩展探测范围；而由多个卫星平台组成一个覆盖全球的雷达网，可实现导弹一离开发射架就被发现，可提供和导弹飞行全程时间一样的预警时间，而且可以全程跟踪观测，是一种十分理想的预警手段。
虽然卫星平台上可以装载红外传感器，可以实现导弹一发射就被发现，但导弹的助推火箭关机后没有了热源，红外传感器工作有困难，不能实现导弹飞行全程跟踪观测。（2）由多个卫星平台组成星座，实现对全球覆盖，能快速截获空中运动目标。由于是从上往下观测，更有利于发现隐身飞机和巡航导弹这样的小目标。隐身飞机是对雷达的一大威胁，因为目标RCS变得很小，使雷达很难发现，即使发现了，目标差不多又飞临头上，来不2及采取防御措施。美国B-52飞机的RCS是100m，而隐身飞机F-1172物理尺寸与B-52差不了多少，RCS仅为0.025m，相差达4000倍。如果一部雷达对B-52的探测距离为100km，则对F-117的探测距离约为10km，由此可见隐身目标对雷达观测的影响。但目标隐身是有方向性的，即后向散射（地面雷达观测方向）是隐身的，但在其他方向（特别是飞机上方），其隐身能力变差，甚至是不隐身的。天基监视雷达正是从上往下观测空中目标的，所以有利于探测隐身目标。（3）天基监视雷达具有发现地面运动目标和海面舰船目标的功能，这样可以实现对敏感地区战场情况的侦察，及时掌握战场态势，以便作出决策。（4）天基监视雷达具有对地面和海面目标成像功能，可以大面积掌握地面和海面情况。（5）天基监视雷达通过观测能够精确地确定目标的位置，以引导火力装备的瞄准和精确打击。（6）天基监视雷达可以为部队作战提供支援性措施，如气象观测、空中交通管制等后勤保障服务。
天基监视雷达运行在太空中预定轨道上，与地面雷达或机载雷达有显著的差别。1.3.2 天基监视雷达的特点
天基监视雷达是从太空向地球探测的，会遇到复杂的环境问题。针对不同的环境因素，雷达需要采取相应的措施，以保证其能正常工作。因此，雷达也就变得十分复杂。
天基监视雷达遇到的环境问题有：高低温度变化范围大、真空环境且环境条件并非常数（随时间、地点不同而变化）。从地面至500km高空，大气密度降低12个数量级；压力降低10个数量级，高真-10-5-7空可达10Pa（高轨）、10～10Pa（近地低轨）；太阳照射时，温度可达150℃，而在太阳照射不到时，温度会低到-150℃。如此大的温度变化范围，对天基雷达工作和所用的材料都是巨大的考验。
1.热环境效应
环境温度变化会引起天线结构变形，使得天线增益下降。图1.3.2.1给出了当误差相关间隔远大于波长时，变形ε引起的随机相位误差所产生的结果。
从图中可以看出，约1/10波长的变形，就可以产生2dB的增益下降。因此，对于尺寸为50m的平面相控阵天线，工作在波长10cm时，如果要保证天线增益下降不超过2dB，那么阵列平面的均方根变形必须小于1cm；如果阵列工作波长为3cm，则阵列平面变形要小于3mm。
文献［1］介绍了在同步轨道上的21.34m直径的抛物面反射体的热变形，并在钛和石墨复合材料间进行反射体特性比较。一般，相同性能的反射体天线的容差比相控阵天线要严格得多。图1.3.2.2给出分析结果，在给定均方根误差为0.076cm时，石墨复合材料的性能更优越。如果此误差是波长的1/50，那么天线就可以在3.8cm波长上很好地工作。图1.3.2.1 随机相位误差产生的天线增益损耗图1.3.2.2 天线热变形
在设计天基监视雷达天线时，可以通过选择合适的材料，使变形比允许的变形低。图1.3.2.3给出了直径为71m的空馈天线的增益损耗与变形（以波长计）的关系。可以看出，当扫描角为20°时，若变形为5个波长，则增益下降1dB。
2.辐射环境的影响图1.3.2.3 空馈天线变形产生的增益损耗
天基监视雷达处在太空环境中，它还存在宇宙射线和太阳耀斑的高能粒子照射问题。该问题会使雷达中电子元器件性能下降或工作状态变化，甚至使元器件损坏。为了保证雷达电子线路在高能粒子照射下正常工作，需要采用抗空间辐射加固技术，如增加屏蔽层厚度、改进电子元器件的生产工艺，以满足抗辐照性能要求。
天基监视雷达电子设备由于受到辐照粒子的作用，引起表面电荷积累，不等量带电形成强静电场而引起放电，将会造成天线定向失灵，数字电路逻辑紊乱，部件和材料性能变差，飞行器表面污染，开关转换失灵。美国在1971—1986年期间，39颗卫星故障，静电放电引起的故障占13.53%。因此，对此要引起足够重视，解决的办法主要有利用互联电缆屏蔽或用滤波器连接器实现整机保护。对设备内部的局部保护可采用改善接地方式、接口电路滤波及选择稳定电路等方法。
另外，雷达天线是处在空间等离子体的包围之中的，静电荷在大面积的天线积累，这是需要解决的特殊问题。因此，天基监视雷达必须设计为具有合理的太空自然环境寿命。这种环境是轨道高度的函数，当卫星处在中高轨道时（要避开约3200km的范阿伦内辐射带和高度约为14 400～19 200km的范阿伦外辐射带）辐射对天基监视雷达电子设备的影响，是卫星内部组件固有的防辐射能力和所用防护罩厚度的函数。图1.3.2.4绘出了350～6500海里高度内的轨道上的卫星所经受的总辐射剂量与其使用铝防护罩厚度的关系。从图中可看出，天基监视雷达的T/R组件、元器件防辐射的技术条件，需要达到能防总剂5量5×10拉德（rad）才合适。对工作在多个可选择的轨道上、在自然环境中要执行多种任务的天基监视雷达而言，这样的防辐射能力是足够的。图1.3.2.4 5年期任务的总辐射剂量与铝防护罩厚度的关系
3.电离层的影响
地球上空约60km至上千千米是电离层，电离层中电子密度是不均匀的，而且随时间（日、季节和太阳周期等）、地球位置（极区、极光带、中纬度及赤道）和太阳活动（太阳光斑等）的变化非常大，是一种很复杂的介质。雷达信号在这样的介质中传播，会出现多方面的影响，包括衰减、相移、时延、色散、极化旋转、折射和多径效应等。对雷达信号检测最主要的影响是信号的幅度和相位闪烁，它会影响雷达信号的相参积累。天基监视雷达要探测的都是远距离的“下视”目标，一般信号噪声比很小，需要通过相参积累提高信噪比检测目标。电离层的存在会影响信号的相参积累，这是值得重视的一个问题。虽然可以通过选择雷达的工作频率来解决这一问题，例如，工作在L波段的信号，由于电离层的影响，其相参积累时间不大于0.2s，而对于工作在C波段或更高频段上的信号，其相参积累时间不受电离层影响，看上去似乎只要提高雷达的工作频率就能克服电离层的影响，但是问题不那么简单。雷达信号传播不仅要通过电离层，而且还要通过大气的对流层，对流层对雷达信号的影响主要是吸收衰减，信号的频率越高，吸收衰减越严重。因此，选择雷达的工作频率时，要折中考虑。本书后续章节将对电离层环境进行详细讨论。
4.杂波影响
天基监视雷达对地探测，天线波束有时不可避免地要打地，如图1.3.2.5所示。若波束照射到地面，则产生地杂波；若波束照射到海上，则产生海杂波。无论是地杂波还是海杂波，都比要探测的目标强得多。杂波严重影响对目标的检测，因此天基监视雷达必须考虑如何在强杂波干扰中检测目标。图1.3.2.5 天基监视雷达工作情况
图1.3.2.5说明了天基监视雷达在杂波中检测问题，雷达天线波束指向下方，在地球上产生主波束脚印（也有称足印），被探测的目标在脚印范围内。为了探测目标，一方面通过增加功率提高信噪比，另一方面就是要对杂波进行抑制。关于杂波抑制问题将在后续章节中叙述。
天基监视雷达不但要探测空中动目标，还要探测地面动目标，而且还要观测静止不动的目标。因此，它观测的目标既有速度在7km/s以上的卫星和弹道导弹，也有速度为音速的飞机和巡航导弹，还有慢速的坦克、地面车辆和海面舰船，以及地面上的固定目标。雷达要观测速度变化范围如此大的各类目标，无论是信号设计还是处理方式，都会变得复杂。
另外，所要观测目标的大小变化很大，导弹和隐身飞机的RCS只有零点几平方米甚至更小，一般飞机为几平方米到上百平方米，坦克为十几平方米，而舰船的RCS可达几千平方米。这样大的目标RCS变化，给雷达提出了特殊的动态范围要求。
雷达的作用距离远，目标数量大，观察空域广。低轨卫星的轨道也有上百千米，雷达要对整个地球进行观测，因此很容易理解上述特点。
天基监视雷达要通过通信网络进行卫星与地面、卫星与卫星之间的数据传输。由于数据量巨大，要求更大带宽的数据链。预计通信带宽要比当前能力提高3个数量级，卫星间及地面设备整个系统定时精度要精确到纳秒量级。
卫星发射耗资巨大，雷达本身造价也很高。雷达上天以后，一旦出现故障无法维修，只有报废。所以，对雷达可靠性的要求十分苛刻。
严格的质量和体积限制，对天基预警雷达具有特殊的意义。
卫星上的初级电源十分有限，在有限的能源下，要求雷达有高的性能。例如，最关键指标雷达的作用距离至少要有上千千米。由于能源的限制，雷达的发射功率不可能做得很大，能源与指标要求之间的矛盾十分突出。解决的办法是开源节流，节约能源、提高效率是非常重要的措施。一般雷达发射机的效率为20%左右，而天基监视雷达发射机的效率要达到70%以上。1.3.3 概念和要考虑的问题
天基监视雷达与地面雷达、机载雷达及船载雷达相比有很大差别，无论是承载雷达的平台本身、系统工作环境、雷达工作特点，还是结构工艺要求，都与其他类型雷达有本质差别。
1.卫星轨道的选择
设计天基监视雷达，首先确定卫星的轨道高度和所要观测的目标大小，然后再确定能可靠检测目标所需功率孔径积。因此，可见卫星轨道参数对天基监视雷达设计的重要性。
卫星轨道按形状分，有双曲线、抛物线、椭圆和圆几种。对于天基监视雷达首选的是圆轨道，其优点是对地面观测能提供均匀的覆盖及对目标检测所要求的功率孔径积不变，再者是圆轨道要求实现全球覆盖所需的星座规模最小。
卫星轨道按高度分，有地球静止轨道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）、低轨道（LEO）（轨道高度在1000km以下）、中轨道（MEO）（轨道高度为1000～20 000km）、高轨道（HEO）（轨道高度在20 000km以上）。
卫星轨道还有其他几种分法，若按轨道面倾角分，则可分为极地轨道（倾角为90°）、赤道轨道（倾角为0°）和倾斜轨道（倾角在0°和90°之间）。
卫星轨道还可按卫星同地面上任意一点的相对位置关系进行区分，如地球同步轨道、太阳同步轨道等。
除了执行特殊任务外，一般卫星轨道选择高度不会低于400km，因为在太低的轨道高度上地球的大气阻力会影响卫星的工作寿命。
卫星的轨道越高，提供的视野越大，要实现全球覆盖的卫星数目就越少。轨道高度低于800km，要求实现全球覆盖的卫星数目就会迅速增加。
另外，卫星轨道也不应该选择在高度为3200km和14 400～19 200km附近，因为这两个高度分别对应着范阿伦（Vam Allen）内、外辐射带。为了保护卫星上的电子设备，较强的辐射要求更严格的屏蔽，而更大的质量则要求更高的发射费用。
为了对卫星轨道建立必要的概念，这里对卫星轨道进行简单描述。卫星运动的机理是牛顿运动学三定律和万有引力定律。当卫星按一定的空间位置和速度绕地球运动时，离心力正好与卫星和地球间的万有引力相平衡。在没有其他外力作用下，这一运动就不会停止。卫星运动的位置轨迹就是轨道。
对于天基监视雷达，卫星轨道选择要考虑的具体参数有：卫星轨道周期T、速度v和高度H。沿圆轨道绕地球飞行的卫星速度为SBROrb
式中，r为卫星到地球中心的距离，地球半径R=6372.797km，Ear432r=R+H；μ为引力常数与地球质量的乘积，μ=3.983 9×10m/s。EarOrb
卫星轨道周期为
式中，v为卫星远地点的速度；v为卫星近地点的速度。对于圆ap轨道，有v=v，所以圆轨道上卫星周期T为apc
式中，v为圆轨道上卫星速度。c
表1.3.3.1列出了圆轨道上卫星的速度和周期的计算结果。表1.3.3.1 圆轨道上卫星的速度和周期的计算结果
2.卫星星座
在天文学中，星座是指对整个天空中恒星的区域划分。国际天文学联合会将全天恒星划分为88个星座。星座是由多颗星构成的。
对于天基监视雷达，要实现对整个地球的连续监视，特别是对空中动目标的监视，对数据率要求很高，需要10s左右的数据间隔，单颗卫星是无法完成这样的任务的。对于卫星轨道高度H=1000km的Orb卫星，其轨道周期为100min左右，如果它运行的第一圈的某一时刻是在北京上空，那么由于地球自转的原因，在它运行第二圈的对应时刻，它可能是在西安上空。而两次观测同一地点的时间间隔，差不多是24h，远大于10s。为实现对地球的全覆盖，特别是能对动目标的连续监视，要由一群卫星按一定的规律分布在不同的轨道上，构成一个星座。星座内卫星的数量多少与卫星的轨道高度密切相关。轨道高，卫星上的雷达视野宽，星座内的卫星数量少；反之，星座内的卫星数量多。图1.3.3.1给出了实现全球覆盖所需的卫星数量与卫星轨道高度的关系。图1.3.3.1 实现全球覆盖所需的卫星数量与卫星轨道高度的关系
星座的分类如下。（1）按地域和时间要求划分，有全球连续覆盖星座、特定地区连续覆盖星座、全球间隙覆盖星座、特定地区间隙覆盖星座。（2）按轨道高度划分，有低轨星座、中轨星座和高轨星座。（3）按轨道形状划分，有圆轨道星座和椭圆轨道星座。（4）按覆盖重数划分，有单重覆盖星座和多重覆盖星座。
对星座的具体要求，由其所担负的任务决定。轨道越高，组成星座的卫星数越少；圆轨道星座用于全球覆盖，椭圆轨道星座用于特定局部地区覆盖；用于对地观测和电视广播，单重覆盖星座已能基本满足要求，而对于通信和导航定位任务，则要求多重覆盖星座。在有些特定的应用背景下，也可能是组合星座，如高轨道卫星与低轨道卫星的组合、圆轨道卫星与椭圆轨道卫星的组合等。
星座的设计原则是，先依据任务要求确定星座类型，再确定轨道参数和组成星座的卫星数。具体星座设计问题将在后续章节中详细论述。
3.天基监视雷达与地球的相对位置关系
天基监视雷达与地球的相对位置关系如图1.3.3.2所示。
在图1.3.3.2中，卫星轨道高度为H；圆轨道运行，速度为Orbv；雷达天线波束指向控制位于轨道面内（方位角为0°），擦地角SBR为φ；雷达与擦地点间的距离为R；角θ为下视角；A点称为星下Gra点；角φ为地心角；R为地面距离，即星下点到擦地点间的距离。g
天基监视雷达与地球的相对几何关系如下。
1）擦地角φ与下视角θ的关系Gra图1.3.3.2 天基监视雷达与地球的相对位置关系
式（1.3.3.4）说明擦地角与下视角和卫星轨道高度的关系。下视角越小，卫星轨道高度越高，擦地角越大。
2）擦地角φ与地心角φ和下视角θ的关系Gra
3）雷达与擦地点间的距离R与φ、θ的关系
4）星下点到擦地点间的距离R与φ的关系g
5）R与H和R的关系Orbg
式（1.3.3.8）说明雷达到地面上的斜距与卫星轨道高度和地面距离（星下点到擦地点间的距离）的关系。对于不同的卫星轨道高度，由式（1.3.3.8）绘出的曲线如图1.3.3.3所示。图1.3.3.3 R与H和R的关系Orbg
6）φ与H和φ的关系OrbGra
式（1.3.3.9）说明地心角与卫星轨道高度和擦地角的关系。由式（1.3.3.9）绘出的曲线如图1.3.3.4所示。
7）φ与R的关系Grag
因此，擦地角为
由式（1.3.3.10）对不同的卫星轨道高度绘出的φ与R的关系曲Grag线如图1.3.3.5所示。
8）R与卫星轨道高度H的关系gOrb
按式（1.3.3.7）
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