作者：马林
出版社：电子工业出版社
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空间目标探测雷达技术试读：
前言
Preface随着科学技术的进步和社会的发展，人类航天活动正蓬勃开展，卫星提供的各种服务深刻地影响了全世界所有人的生活，军事空间应用也在不断扩大。空间在国家的政治、经济、军事等领域的战略地位日益提高。
地球空间环境的战略地位一直在快速地演化。其中，空间碎片会对在轨航天器和载人航天造成非常大的威胁，是近年来国际上最为关注的空间安全问题之一。
随着中国航天活动的发展，空间安全问题尤其是碎片问题也受到国家的高度关注。为此，我国加强了国际交流与合作，国家航天局于1995年正式参加机构间空间碎片协调委员会（IADC）。在参与国际交流与合作的同时，我国着手建立空间环境监测预警体系，加强空间环境与空间碎片的监测能力。
空间目标探测可以采用光电探测和无线电探测等手段。其中，无线电手段尤其是主动探测手段，可以连续地、全天候地进行探测。雷达对低轨道人类空间活动最为密集区域的空间目标探测优势明显，已作为空间目标探测的主要手段之一。
本书内容编排如下：第1章是空间目标探测概述，第2章到第4章分别介绍空间目标探测中的单脉冲测量雷达技术、相控阵雷达技术、多基地和天基雷达技术，第5章和第6章分别介绍空间目标探测雷达天线阵面技术和发射机技术，第7章介绍空间目标探测雷达综合信息处理技术，第8章介绍空间目标逆合成孔径雷达成像及空间目标识别技术，第9章介绍国外空间目标探测雷达系统，第10章介绍空间目标探测雷达技术发展趋势。
本书作者为南京电子技术研究所参与空间目标探测雷达技术研究的工程技术人员。希望通过本书的编写和出版，总结相关的技术研究成果，推动空间目标探测雷达技术的进步，并对相关专业的研究人员、学生有所帮助，对感兴趣的读者有所裨益。
本书由马林著，参与本书编写工作的人员还有杨文军、袁伟明、肖文书、蔡晓睿、黄军、曹向东、王侃、刘明罡、刘刚、张荣涛、刘华军、句彦伟、邓振淼。在本书的成稿过程中，得到了中国电子科技集团公司王小谟院士、张光义院士的指导，得到了电子工业出版社和南京电子技术研究所情报室陈玲主任的帮助，吴长福研究员参与了其中部分内容的编写工作，在此表示衷心的感谢！马 林第1章 空间目标探测概述Chapter 1
◆1.1 引言
◆1.2 人类空间活动的开展
◆1.3 空间目标分类及特性
◆1.4 空间目标探测的重要性和需求
◆1.5 空间目标探测的任务和空间监视系统的基本需求
◆1.6 空间目标探测的手段
◆1.7 国外空间目标探测系统的发展
本章首先介绍了地球空间分布、轨道类型、空间技术发展概况、航天器分类、空间环境现状及空间碎片等几个方面内容，阐述了人类空间活动对空间环境的影响，指明了空间目标探测的重要性；接下来介绍了空间目标分类及各类目标的特性，尤其是卫星、空间站和空间碎片；以上述内容为基础，又论述了空间目标探测的重要性、需求、任务和现有手段；本章最后总结了国外空间目标探测的发展现状。1.1 引言
地球空间环境的战略地位一直在快速地演化。越来越多的国家开始进入和使用太空，商业空间应用的收益在不断增长，卫星提供的各种服务深刻地影响了全世界所有人的生活，军事空间应用也在不停地扩大。所有这些都表明，空间在国家的政治、军事、经济等领域的战略地位日益提高。
在以信息战为核心的未来高科技战争中，空间将发挥越来越重要的作用。不论是在和平时期还是在战争中，“制天权”将成为争夺军事优势的重要手段。空间目标探测和识别是达到这一目的的重要技术手段之一。发达国家非常重视该技术的发展，努力达到和平时期和战时能够实时对空间目标进行监视、跟踪和识别，掌握和实时提供空间目标态势，必要时对危险空间目标作出反应，以便在未来高科技战争中掌握主动权。
随着人类航天活动的发展，空间安全问题已经成为一个国际性的问题。其中，空间碎片会对在轨航天器和载人航天造成非常大的威胁，是近年来国际上最为关注的空间安全问题之一。空间碎片是全球性的问题：一方面，几乎所有的航天国家都不可避免地产生了空间碎片，要控制空间碎片的数量，减缓空间环境的污染，需要所有航天国家的共同努力；另一方面，空间碎片对所有航天器都构成威胁，大型空间碎片的陨落更是涉及全球所有国家的利益，自然为所有国家所关心。
无论是军事空间应用，还是商业空间应用及载人航天，都必须有空间目标探测系统提供支撑。空间目标探测系统是指利用地基或天基探测设备对航天器进入空间、在空间运行及离开空间的过程进行探测和跟踪，对轨道碎片和自然天体的运行情况进行观测，对观测数据进行综合处理、分析，在此基础上进行空间目标编目，以掌握空间态势，向民用和军用航天活动提供空间目标信息支援的国家战略信息获取系统。空间目标探测系统的基本任务是对在地球空间轨道上运行的物体进行探测与跟踪，并提供有关信息，包括每个物体的轨道参数、尺寸与形状，以及用于确定该物体用途的其他数据。空间目标探测系统要探测和跟踪的空间物体主要是卫星、空间站和弹道导弹，同时也要跟踪各种空间碎片，如进入空间轨道的助推火箭、保护罩和其他物体。空间目标探测系统提供的有关空间物体的信息具有重要的军事价值，不仅可以确定潜在对手的空间能力，还可以预测轨道，对可能发生的碰撞和对空间系统的攻击进行告警，以及预测空间物体的陨落等。空间目标探测系统所承担的主要任务如表1.1所示。
随着我国载人航天的发展，空间安全问题尤其是碎片问题也受到我国的高度关注。为此，我国加强了国际交流与合作，国家航天局于1995年正式参加机构间空间碎片协调委员会（IADC）。在参与国际交流与合作的同时，我国着手建立空间环境监测预警体系，加强空间环境与空间碎片的监测能力。“十一五”计划提出，我国将建设完善的地基和天基空间碎片监测网，逐步具备精密跟踪1cm以上已知目标和发现新目标的能力，构建自主的动态数据库和碰撞预警系统，提供［1］碰撞与陨落预警服务。表1.1 空间目标探测系统的任务
空间目标探测可以采用光电探测和无线电探测等手段。其中，光电手段是传统的探测手段，技术成熟，建设和运行成本低，对距离较远的高轨道空间目标、地球同步轨道目标有明显的优势；其缺点是发现和搜索能力较弱，受昼夜和无光等条件的影响很大，有不可见期。无线电手段可以连续地、全天候地进行探测，具有多目标探测能力和发现新碎片的能力，对距离较近的低轨道碎片探测优势明显；其缺点是建设和运营成本高，对周围环境有辐射污染。
低轨道区域是人类空间活动最为密集的区域，在这一区域集中着照相侦察卫星、电子侦察卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和海洋监视卫星等航天器，此外宇宙飞船、载人空间站的飞行高度也一般在250～400km的高度上。在这个高度上，运用地基雷达是最佳的空间目标探测手段。在地基雷达中，相控阵雷达技术由于其独特的波束捷变能力，具有自适应、多功能、多目标截获、跟踪等优点；相控阵雷达与计算机控制相结合，可以自适应地改变雷达有关技术参数，适应变化的环境，根据需要选择工作方式和技术参数，改变发射频率，改变功率分配，按需要集中于特别重要的方向；可以实现边搜索边跟踪工作方式，搜索和跟踪数据率可以最佳化；天线波束形状、波束驻留时间、信号脉宽和带宽都可以控制和选择，使相控阵雷达满足空间目标探测要求，完成对空间目标探测、跟踪、测轨、编目、预报、识别等多种任务。1.2 人类空间活动的开展
20世纪，作为人类最伟大的成果之一，空间航天器技术把人类千百年来探索宇宙空间奥秘的梦想变成了现实。从1957年10月4日前苏联第一颗人造地球卫星Sputinik－1升空至今，空间航天技术已经过五十多年的发展。五十多年来随着航天运载器技术、航天器技术和航天测控技术的不断发展与进步，空间技术已广泛地应用于宇宙空间科学研究和各种军事与民用领域中。1.2.1 地球空间分布和轨道类型
我们将地球大气层以外的宇宙空间的飞行称为空间航天飞行，相应的飞行器则称为空间飞行器。通常宇宙空间分为3个区域：近地空间、中空间和远空间。一般将距地球表面60～160km的范围称为近地空间。通常飞机在这个空间不能飞行，只有专用的飞行器如空天飞机、远程导弹等可以飞行，同时仍可用空气动力控制它们的机动。距地面160～500km的高度范围称为中空间。在此高度上采用速度为8～11km／s的载人和不载人空间飞行器，如宇宙飞船、中低轨卫星、载人空间站、航天飞机等空间飞行器。从中空间上限到大约两倍地球到月球距离的高度范围（500～900 000km）以外称为远空间。
与宇宙空间可以分为近地空间、中空间和远空间相对应，人造卫星的轨道也可以分为低轨道（LEO）、中轨道（MEO）和高轨道（GEO），如图1.1所示。此外，还有地球同步转移轨道（GTO）和大偏心轨道（HEO）。LEO上的主要航天器有照相侦察卫星、电子侦察卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和海洋监视卫星，宇宙飞船和载人空间站也一般在这个高度活动。GEO上的航天器主要以气象卫星、通信卫星、早期预警卫星为主。［5］图1.1 轨道类型1.2.2 空间技术发展概况
空间技术是一门涉及多学科、多工业部门的复杂技术。五十多年来，美国和前苏联在发展空间航天技术方面取得了显著进步和多项成果。欧洲联盟、日本、印度和我国也根据各自的需求研究和发展了相应的空间系统和技术。以美国、前苏联为代表的航天技术的开发和利用可以体现空间技术的基本发展概况。
20世纪50年代末和60年代中期，美国、前苏联制订了广泛应用于军事目的的空间航天计划。在此期间对军用卫星、反卫星武器、空间站、航天飞机、反弹道导弹武器方面进行了开发和试验。经过20世纪50年代末到60年代中期运载火箭的研制、发射和航天器的研制、发射、运行，以及地面测控网和地面应用台站的研制与部署，掌握了不载人航天技术，发射了气象、导航、通信、侦察、测地、导弹预警及核爆炸等试验卫星。20世纪60年代中期以后，航天技术首先在军事上得到了广泛应用，大量发射了侦察、军事通信和导弹预警等军用卫星。
进入20世纪70年代，航天技术进一步提高和改进，发射在空间停留时间长的大型载人空间站，研制航天飞机，各种应用卫星向多功能、高性能、长寿命的方向发展，照相侦察卫星的照相分辨率大幅度提高，电子、光学照相侦察兼备，通信卫星扩大通信容量并增强抗干扰能力，各种军用卫星考虑增加防止遭受突击破坏、提高生存能力的措施。
20世纪80年代至90年代开始了更为广泛地将宇宙空间用于军事目的的计划。具有代表性的是美国进行的“战略防御倡议”（SDI）计划，即“星球大战”计划。该计划设想建立一个以航天技术为基础，从空间武器为核心，包括空间、空中和地面在内的“空、天、地”在内的立体导弹防御系统，相继开发和研制了多项有关空间攻防武器和保障系统。20世纪90年代中期，SDI计划终止，修改为发展战区导弹防御（TMD）系统和国家导弹防御（NMD）系统。在这个时期，除发展和建立天地一体战术移动通信系统，提高侦察卫星的分辨率和探测能力，进行防激光和抗核加固，采用隐身、变轨、抗电子干扰技术和携带自卫武器等以外，还制订了新的航天计划，包括太阳系探测、建立永久性空间站、建立月球基地将宇航员送上火星等计划，改进运载火箭技术，进行货运航天飞机和高级空天飞机等计划。
21世纪初10～25年，随着卫星小型化技术的发展，人类将开展更大规模的宇宙空间探测。登陆飞船将到达金星、木星及土星，继续探测天王星和海王星等，人类将更加深入地了解宇宙的奥秘。预计到21世纪中期，人类将实现太空工业化、商业化目标。1.2.3 空间航天器的类别与作用
根据轨道特点的不同，航天器分为无人航天器和载人航天器两大类。各种用途的人造地球卫星、远程弹道导弹、空间探测器属于无人航天器。载人飞船、空间站和航天飞机为载人航天器。
空间技术对科学研究和国民经济的发展起着重要的作用。卫星通信、卫星导航、气象观测、大气测量、卫星遥感等，已成为衡量国民经济发展程度和综合国力的重要标志。
在军事上，空间技术更显示出巨大的威力。以侦察、预警、通信、导航和各种战场保障为目的的航天系统已成为战略指挥、控制系统的中枢，是现代军事强国战略力量的重要支撑部分。部署在空间的各类侦察卫星可对地面军事设施及部队调动等情况了如指掌，卫星通信和卫星导航为部队指挥调动与精确定位提供了技术保障，各种战略导弹则是现代战争中远程精确打击的主要手段。在海湾战争、科索沃战争中，以美国为首的多国部队动用了七十余颗卫星为其军事行动服务，在现代化技术战争中起了重要作用。随着空间航天技术的进一步发展，更多、更先进的航天器将广泛应用于军事目的，外层空间已成为继陆、海、空之后的另一战场，未来战争将是陆、海、空、天四维一体化的战争。1.2.4 空间环境的现状
从1957年第一颗人造地球卫星上天至今，人类半个世纪的空间活动在空间中留下了大量的碎片目标。这些人造空间目标是人类空间活动的缩影。它们均是通过运载火箭发射的，包括有效载荷、末级火箭箭体及一些与发射活动有关的物体，如箭体连接器、镜头盖等。除此以外，还有一些无意产生的物体，如航天员在舱外活动时无意丢失的螺丝刀、火箭发动机燃烧产生的渣粒、前苏联侦察卫星泄漏的冷却液及卫星的剥蚀物等。其中，空间目标最主要的是在轨航天器或火箭爆炸产生的，有些在发射20年后还停留在轨道上。
为了对地球轨道上的人造物体及空间环境有一个清晰的了解，有必要对尺寸较大的目标建立统一的信息库，包括它们的轨道、来源（与哪一次发射有关）和目标特性。最复杂的空间目标编目数据集是美国国家航空航天局（NASA）卫星状态报告（SSR）及美国战略司令部（前身是美国空间司令部）的所谓双线元（Two－Line Element）编目表。所有这些数据均是来自美国空间监视网（Space Surveillance Network，SSN）的观测数据和轨道测定。由于SSN的雷达和望远镜的灵敏度限制，目前在LEO上只能对尺寸大于等于10cm的空间目标进行观测和编目，在GEO上的观测物体大小则为1m左右。
从1957年到2002年1月，一共进行了4191次发射，共释放了17 050个空间目标，包括有效载荷、火箭箭体及与任务有关的物体。这些发射活动共产生27 044个可检测和跟踪的目标。在这27 044个目标中，有18 051个已经进入大气层烧毁，目前留在轨道上的仍有8993个[1]目标。图1.2显示了在轨编目空间目标数量的演化情况。从1962年开始，在轨目标数呈近线性增长，每年大约增加260个。由于太阳活动会影响大气密度，导致空间目标陨落的速度发生变化，因此线性率变化的周期为11年。1990年到1991年，随着前苏联的解体，人类的航天活动明显减少了。而在此之前，前苏联的航天发射在最高峰时曾占据世界航天发射总数的80%。从1965年到1990年，每年的航天发射保持在110± 10次左右，前苏联解体之后，发射数量减少了一半左右。从2001／2002年开始，发射次数稳定在每年60次左右。在发射次数减少、太阳活动周期及航天器发射后的钝化措施等因素的共同影响下，从1994年开始在轨目标数量保持在9000个左右。［2］图1.2 各种类型在轨编目空间目标数量的演化（PL为载荷，RB为火箭箭体，PM为与载荷有关的物体，PD为载荷产生的碎片，RM为与火箭箭体有关的物体，RD为火箭箭体产生的碎片）
图1.3显示了发射活动的演变历史及这些发射活动的参与国家。［2］图1.3 每年的航天发射次数及主要参与国家[2]
对8993个在轨编目目标进行分类，31.8%是有效载荷（其中的6%目前仍在工作）；17.6%是废弃的火箭末级及助推器；10.5%是与发射有关的物体；剩下的39.9%是碎片，这些碎片主要是由于爆炸产生的（28.4%是由于末级火箭爆炸，11.5%是由于卫星爆炸）。对它们的轨道区域进行划分，69.2%的空间目标分布在高度低于2000km的LEO上；9. 3%在GEO上；9.7%在HEO上（包括GEO的转移轨道GTO）；3.9%分布在LEO和GEO之间的MEO上；还有大约7.8%位于GEO外；另有一小部分（大约150个目标）进入了地球逃逸轨道。
1997年在轨编目目标的空间分布如图1.4所示。这是计算机根据1997年美国空间司令部空间目标编目数据库中所有目标的瞬时位置得到的快照图像。从中可以清楚地看到轨道倾角约为0°、偏心率约为0.0、高度约为35 876km的GEO。GEO的编目目标数以每年30个的数量增长，到2002年GEO上共有484个有效载荷（目前仍在工作的及失效的）、108个火箭箭体或助推发动机。图1.4 1997年在轨编目空间目标的全局快照［来源：欧洲空间局（ESA）］
图1.5示出了在轨编目空间目标的质量演化情况。从20世纪60年代中期开始，每年的空间目标质量平均增长速度是110t，最多的一年增长了1500t。到2002年，总质量达到5100t。图1.6示出了同一时期内空间目标雷达散射截面积（RCS）的增长情况。到2002年，空间22目标总RCS达到42 000m，最多的一年增加了3600m。空间目标质量和RCS的增长不仅与各种火箭的运载能力和横截面积有关，还与它们的发射频率有关。截至2002年，Soyuz火箭、Cosmos火箭、Molniya火箭、Atlas火箭、Delta火箭、Proton火箭、Tsyklon火箭、Titan火箭、Vostok火箭、Ariane火箭的发射次数分别为1099、422、301、286、280、269、248、199、149和147。这些火箭在轨道上残2留的箭体RCS通常为15～30m，质量通常在数吨。2002年在轨空间目标的质量和RCS主要分布在科学研究、商业和军事最感兴趣的区域。其中，在轨空间目标的质量45.0%分布在LEO区域；28.8%分布在GEO附近；6.4%分布在MEO上；8.7%分布在GTO和HEO上；11.1%分布在GEO外。RCS的分布则与质量分布相反，40.9%集中在GEO附近，34.8%在LEO区域。出现这种现象的原因是GEO卫星通常具有较大的太阳能电池板和天线，而低轨卫星为了克服大气拖曳效应（即克服大气阻力），通常设计得更紧凑。［2］图1.5 在轨编目空间目标的质量演化［2］图1.6 在轨编目空间目标的RCS演化
由于LEO的大气拖曳扰动及HEO的月球－太阳扰动和大气拖曳扰动的影响，许多编目的空间目标逐渐坠入大气层烧毁，还有一小部分通过有意降低轨道或再入控制进入大气层烧毁。到2002年，从1957年以来编目的27 044个空间目标有18 051个目标进入大气层烧毁，占总数的66.7%。与此同时，在自然力或人工降轨机动措施的作用下总共有27 050t（占总数的84%）空间目标进入大气层，这些目标的累2积RCS达到85 000m（占总数的67%），平均每年再入的编目空间目2标质量为800t，RCS为2100m。1.2.5 空间碎片问题
截至2002年1月，总共有174次在轨空间目标破碎事件被认为与新碎片的产生有关。在许多情况下，不仅仅是碎片来源，甚至是破碎产生的原因都可以在一定程度下被确定。在174次事件中，有48次是减速爆炸或碰撞，共产生2244个在编碎片；有52次可能是由于推进系统爆炸产生的，共产生3558个在编碎片；有7次与电子系统故障有关（主要是电池爆炸），共产生618个在编碎片；有10次是由于空气动力产生的，其中至少有一次是碰撞；另外还有57次事件无法确定发生的原因。除了两次GEO发生的爆炸，其余破碎事件均发生在2000km高度以下，有80%发生在LEO上，17%发生在HEO和GTO上。
1996年7月24日，法国的Cerise卫星（编号为95－033B）和一个阿丽亚娜一号H－10火箭末级爆炸产生的碎片（编号为86－019F）发生了碰撞，这是在轨空间目标发生的第一次无意碰撞。H－10火箭末级是1986年2月22日发射SPOT－1卫星时上天的，并在1986 年11月13日发生爆炸。这次爆炸在空间中产生了历史上最严重的碎片云，共有488个编目碎片（直到2002年1月，仍有33个碎片在轨道上）。除了这次事件外，至少还有两次碰撞与SDI试验有关。1985年9月13日，Solwind P78－1卫星被一个反卫星导弹摧毁，导弹是由一架战斗机发射的。拦截点选择在加利福尼亚海岸线，此时卫星正处于上升阶段，轨道倾角为97.6°，高度大约是530km。这次试验的地点选择在新产生的碎片云可以被部署在阿拉斯加的SSN传感器监视到的区域，并且试验产生的碎片在轨寿命不会太长（截至2002年1月，试验产生的285个编目碎片只剩下两个仍在轨）。另一次有意碰撞发生于1986年9月5日，碰撞发生在USA－19卫星和德尔塔（Delta）火箭末级之间。这次碰撞仅产生13个碎片。图1.7示出了每年破碎事件发生的次数，平均每年发生4.5次。
碎片对在轨航天器造成严重的威胁，其破坏力来自它的速度。空间碎片和航天器撞击时的平均相对速度是10km／s，即36 000km／h。撞击时的动能（与速度的平方成正比）十分巨大，与高速公路上时速为100km的汽车相比，空间碎片的能量和质量为其13万倍的汽车相当。也就是说，一个10g质量的空间碎片撞击航天器时，它的撞击效果就和质量为1300kg、时速为100km的汽车撞击的效果一样，后果将是灾难性的。图1.8示出了被空间碎片击穿的EURECA卫星太阳能电池板。
正当人类雄心勃勃地进军空间、一次次地庆祝征服空间的辉煌胜利时，日益严重的空间碎片问题却敲响了警钟：人类对空间环境的开发已走上了与地面环境相同的“先污染，后治理”的老路，在不知不觉间已经对空间环境造成了严重污染。由于空间碎片具有极大的破坏力，空间环境污染的治理比治理地面环境的困难大得多。当前保护空间环境的措施主要是：①限制空间碎片的产生；②清除已有的空间碎片，包括目前已经在轨道上的碎片和今后航天任务可能产生的碎片；③采取区域性的措施，保护航天活动最有价值的区域，减小对航天器的威胁。包括中国在内的世界主要航天国家（组织）共同倡议在地球外层空间划出两个必须受到保护的区域，即近地轨道区域和地球同步轨道区域，如图1.9所示。在这两个保护区域工作的航天器失效后及在这里形成的碎片都需要采取一定的措施使之离开这两个区域。这两个区域的范围分别为［2］图1.7 历史上的在轨卫星解体事件（截至2002年1月）图1.8 被空间碎片击穿的EURECA卫星太阳能电池板（来源：欧洲空间局）（1）区域A：近地轨道区域，从地球表面延伸到2000km高度的球壳形区域。（2）区域B：地球同步轨道区域。
区域B高度下界＝地球同步轨道高度（35 786km）－200km［15］图1.9 保护区域
区域B高度上界＝地球同步轨道高度（35 786km）＋200km
除了采取以上措施外，还必须建立完善的空间碎片跟踪体系，通过监测迅速发现新的碎片，并能够完整、及时、连续地获得精确的轨道资料，提高碎片与航天器碰撞的预警能力。其中，区域A属于地基空间目标探测雷达的作用范围，而区域B主要是靠地基光学探测系统和天基空间目标探测系统完成空间监视任务。1.3 空间目标分类及特性1.3.1 空间目标分类
空间目标主要指卫星（包括工作的和失效的卫星）、空间站、进入空间轨道的助推火箭、保护罩和其他物体，发射后的弹道导弹进入地球外层空间后也可以看成是空间目标。以上提到的都是人造空间目标，除此以外，空间目标还包括进入地球外层空间的各种宇宙飞行物。空间目标探测的主要目的是跟踪正常工作的在轨航天器（包括本国的和其他国家的航天器），监视失效的航天器和其他空间碎片的运行情况，通过测定它们的轨道对可能发生的碰撞进行预警，为航天器发射和载人航天等空间活动提供保障。因此，把空间目标分成两类：一类是目前仍在工作的卫星和空间站；另一类是空间碎片，已失效的卫星也归为这一类。此外，由于弹道导弹仅在飞行过程中进入地球外层空间，因此把它单独归为一类。下面分别对各类空间目标进行简要的介绍。
1.卫星、空间站
空间技术的发展离不开空间探测，各类航天器是空间目标探测系统要观测的目标，为说明空间目标探测系统的重要作用，必须了解这些目标的发展简况。军用航天器从功能上可分为航天支援装备和航天攻击与防御装备。航天支援装备包括通信卫星、导航卫星、侦察卫星等各种军用卫星。航天攻击与防御装备包括各种空间定向能与动能武器、空天飞机等。至今，世界各国发射的各类航天器总数已达五千余个，其中军用航天器约占总数的70%。
1）侦察卫星
同传统的航天侦察监视相比，侦察卫星的突出优点是监视点高、范围大、速度快，并且不受国界、地理、时间和气象条件的限制。采用卫星星座，能实现全球范围的近实时侦察与监视。侦察卫星可分为照相侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星、核爆炸探测卫星。（1）照相侦察卫星载有可见光、红外和微波等遥感器，可对地面目标进行摄像式探测以获取图像，通过分析图像，可获取军事目标的特性和地理位置。目前，有光学成像侦察卫星和雷达成像侦察卫星。（2）电子侦察卫星主要用于截获各种雷达、通信电子信号以获取电子情报信息。将这些信号转发至地面站，经过分析，可获得敌方预警与防空雷达的配置和性能参数、战略导弹试验的遥控数据及军用电台等电子设备的设置。（3）海洋监视卫星主要用来对海上舰船和潜艇进行探测、跟踪、定位、识别、监视动向、获取军事情报。根据其工作原理，可分为雷达型与电子侦察型。雷达型通过星载雷达对海洋实施监视，电子侦察型通过截获舰船上的雷达、通信和其他电子设备发出的无线电信号实施海洋监视。（4）导弹预警卫星主要用于洲际弹道导弹（ICBM）和潜射导弹来袭报警，也可用于监视导弹试验和航天发射活动。导弹预警卫星载有可见光和红外等遥感器，可探测火箭发动机尾焰及其红外辐射，能在弹道导弹和火箭发射后2～3min内发出警报。目前只有美国和俄罗斯拥有导弹预警卫星。
2）通信卫星
通信卫星是部署在空间的微波中继站，具有通信距离远、容量大、可靠性高和不易被摧毁等优点。一颗军用卫星的通信容量已从20世纪60年代初的240路电话提高到目前的11万路电话。目前，发达国家利用卫星完成的通信占总军事通信量的80%，卫星通信已成为军事指挥、控制与通信系统中的重要环节。美国目前有3个独立的军用通信系统：国防卫星通信系统、舰队卫星通信系统和空军卫星通信系统。利用现有通信系统，总统的作战命令在1min内即可到达战略部队，3～6min内可逐级下达到一线部队。通信卫星一般工作于同步轨道和大椭圆轨道上，采用多星组成星座实现全球通信。
3）导航卫星
导航卫星综合了传统天文导航和地面无线电导航的优点，实现了全球、全天候、高精度的导航定位，在军事上具有极其重要的意义。目前只有美国和俄罗斯拥有独立的卫星导航定位能力。美国的“导航星”全球定位系统（GPS）和俄罗斯的“全球导航卫星”系统是世界上现有的两种卫星导航系统。美国的“导航星”全球定位系统由空间系统、地面控制系统和用户定位设备3个部分组成。空间系统由18颗工作卫星组成，配置在6个20 000km高度的圆形轨道上，轨道倾角为55°，周期为12h，每个轨道上均匀分布3颗卫星，该配置可保证地球上任何地点在同一时刻都能看到4颗卫星，以满足全球实时精确定位。它具有C／A和P码频率调制。P码为军用码，其定位精度优于15m，测速精度高于0.1m／s，授时精度为100ns。C／A码为民用码，定位精度为100m。
4）气象卫星
气象卫星根据军事需要，搜集全球或特定地区上空的气象信息，预报天气形势，为各军兵种和战区提供气象资料，并为制定军事行动提供必要的气象支持。美国国防气象卫星布洛克－5－D2是美国目前主要使用的气象卫星。气象卫星是近极地圆形太阳同步轨道卫星，轨道高度为833km，周期为101min，一对卫星每天可对全球任何地区扫描4次。星上载有各种光学、红外和微波探测仪器。
5）测地卫星
测地卫星是用来进行大气测量的卫星系统，它能精确测定地球的形状和大小、重力场和地磁场分布、地球表面诸点的精确地理坐标和相对位置。测地卫星所获取的数据主要供地球物理研究，并具有较大的军用价值，特别是对提高洲际导弹惯性制导的精度至关重要。美国利用激光地球动力学卫星对全球进行精密测量，以建立一个精度为10cm的地球坐标系统。
6）空间站
实现载人航天，是航天活动发展的必然阶段。把人送入太空，长时间停留在太空，以期实现在其他星球居住，是人类航天活动的一个重要目标。目前，尚需要找出解决太空恶劣环境的办法，建立大型空间站，在太空营造一个适合人类生存的环境，也许是唯一的选择。空间站的作用：①既可为人类进行遥感和各项微动等科学试验提供平台，也可对航天器进行维修或为航天器补充燃料；②充当其他星球探测的中转站；③服务于军事用途———用作反卫、反导基地等。
7）空间攻防武器
空间攻防武器主要包括反卫星武器、部分轨道轰炸器和天基反导、反卫武器等。未来空间战中空间武器主要包括空间定向能武器（激光武器、高功率微波武器、粒子束武器）、空间动能武器（动能导弹空间武器、电磁炮空间武器）、空天飞机与空间轨道站等。
2.弹道导弹
弹道导弹自第二次世界大战问世以来，经过半个世纪的发展和演变，已经发展成为多种类型，能从多种陆、海、空平台发射，打击各类目标的远程武器。目前能研制生产弹道导弹的国家已达27个，导弹型号数达八百多个。目前，美国、俄罗斯、英国、法国等国是弹道导弹数量最多、种类最全、性能最先进的国家。
据不完全统计，全世界有近40个国家拥有弹道导弹，现役弹道导弹已达13 500枚。其中，射程为50～500km的近程战术弹道导弹（TBM）约8000枚；射程为500～4000km的中远程弹道导弹约2000枚；射程为5000～14 000km的弹道导弹约3000枚。
弹道导弹按射程分类主要有战场近程导弹（射程＜150km）、中近程导弹（射程为150～799km）、中程导弹（射程为800～2399km）、中远程导弹（射程为2400～5499km）、洲际导弹（射程为5500～14 000km）、潜射导弹（射程为100～12 000km）。对弹道导弹防御通常分为战区弹道导弹防御和战略导弹防御两类。战区弹道导弹射程以3500km为界（速度为5km／s），大于3500km的列入战略导弹一类。
3.空间碎片
空间碎片是指除还在正常使用的航天器以外的所有仍留在外层空间的人造物体，包括失效的有效载荷、运载工具、有效载荷与运载工具所产生的残碎片和微粒物质，以及载人飞行时抛入外层空间的各种工具和废弃物等。1.3.2 空间目标共有的特性
空间目标的特性包括轨道特性、动力学特性、RCS起伏特性及其他特性。本小节总结了空间目标共有的轨道特性和动力学特性，1.3.3小节将分别说明各类空间目标的特性。
1）空间目标的轨道特性
空间目标在轨道上的运动是无动力惯性飞行，在本质上空间目标与自然天体的运动是一致的，故研究空间目标的运动可以用天体力学的方法。空间目标在运动时受到地球引力、月球引力、太阳及其他星体引力、大气阻力和太阳光辐射压力等的作用，轨道存在摄动。但是对轨道的实际分析表明，空间目标受到的主要力是地球引力。假设空间目标只受到地球引力的作用，同时假设地球是一个质量均匀分布的球体，则空间目标与地球构成二体运动系统，开普勒三大定律和牛顿万有引力定律是研究空间目标运动轨道的基础。
在二体系统中，空间目标严格按照椭圆轨道运行，地球位于椭圆的一个焦点上。描述空间目标运动情况的6个轨道参数为轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角、长半轴和偏心率。在这6个轨道参数中，只有平近点角是时间的函数，其他轨道参数均为常数。不同任务、不同类型的卫星所选择的轨道参数是不同的。空间碎片大都分布在人造卫星常用的轨道上，平均相对速度约为10km／s。
2）空间目标的动力学特性
空间目标除了受到地球引力的作用外，所受到的其他作用力统称为摄动力，摄动力包括月球引力、太阳及其他星体引力、大气阻力和太阳光压等。不同轨道高度上的空间目标所受的摄动力大小不同，在近地轨道（轨道高度为2000km以下）上运行的空间目标所受到的摄动力主要是地球的非球形引力和大气阻力；对于轨道高度为300km以下的空间目标，大气阻力是主要的摄动力；对于在较高轨道上运行的空间目标，太阳和月球引力是主要的摄动力。
正常工作的卫星都具有姿态控制能力。目前，姿态控制方式主要有自旋稳定姿态控制、重力梯度稳定姿态控制、磁力稳定姿态控制和3轴稳定姿态控制等。其中，自旋稳定姿态控制和3轴稳定姿态控制是应用最广泛的两种姿态控制方式。空间碎片没有姿态控制和轨道控制能力，其运动表现为不规则的翻滚运动。1.3.3 各类空间目标的特性
1.各种卫星和空间站的特性
军事卫星在外层空间按照预先设定的轨道运行，其轨道参数是根据卫星所覆盖的地域和战术技术工作方式等因素而定的。其轨道有地球同步轨道、大椭圆轨道、极地轨道和近圆轨道等，其高度达100～40 000km。
自1957年前苏联首次成功发射人造卫星以来，截至2011年1月，世界上在轨运行的空间目标超过16 000个，其中半数以上的卫星为军事卫星。军事卫星可分为电子侦察卫星、导弹预警卫星、海洋监视卫星、照相侦察卫星、导航卫星、气象卫星、测地卫星、通信卫星、反卫卫星等。据统计，目前在轨运行的空间人造物体（含碎片）已有约27 000个。预计到2015年前各国发射的卫星将达到两千多颗。
1）中低轨卫星轨道分布
按照不同的分类方案，卫星轨道可以分为不同的类型。为实际运用方便，通常有下面几种分类。（1）椭圆和圆轨道。卫星根据发射时的角度和速度，围绕以地球为中心的椭圆和圆轨道飞行。卫星距地面最近时的飞行高度为近地点高度，距地球最远时的飞行高度称为远地点高度。高度一定的运行轨道是圆轨道。俄罗斯的通信卫星多采用椭圆轨道，导弹预警卫星也采用椭圆轨道。（2）极地轨道。极地轨道是通过南极或北极、稍微有点倾斜角的轨道，是观察地球最合适的轨道。气象卫星、照相侦察卫星、电子侦察卫星采用的大都是极地轨道。美国侦察卫星为了侦察位于北半球高纬度地域的俄罗斯领土情况，也采用极地轨道。（3）同步轨道。卫星每天绕地球运转一圈之后，又返回原来位置的轨道称为同步轨道。轨道面在赤道上的同步轨道又称为静止轨道，轨道倾角为0°。静止轨道位于地球赤道以上36 000km的高度，看上去卫星处于静止状态。通信、气象、早期预警、广播、导航等许多卫星都使用赤道360°上空180个位置的静止轨道。太阳同步轨道往往在同一时刻通过同一地区。（4）回归轨道和准回归轨道。在回归轨道上运转的卫星每天一次甚至数次返回原来的轨道位置。卫星围绕地球运转期间，地球本身也在自转，相隔数周期后，卫星又返回原来的轨道上，这样的轨道称为回归轨道，不是在一天后返回而是数天后返回原轨道上的称为准回归轨道。
卫星在轨道上运行，由于受到来自地球重力和其他天体的影响，往往会偏离正常轨道。因此每隔一些时间需要修正轨道，高精度地保持卫星的轨道面和轨道的倾角是保障卫星寿命的关键。
2）空间目标轨道高度
军事卫星采用的轨道高度一般为100～2000km。180～700km高度范围内有照相侦察卫星、电子侦察卫星；在300～1500km高度的轨道上，通信卫星、导航卫星、气象卫星、海洋监视卫星比较多；在静止轨道上以气象卫星、通信卫星、早期预警卫星为主。就卫星轨道倾角而言，90°～120°范围内一般分布着美国的卫星，60°～90°范围内分布着俄罗斯的卫星，这是各自根据监视地域的经度和分布卫星情况而选定的。美国、俄罗斯两国的导航卫星、海洋监视卫星均分布在60°～90°的范围内。
宇宙飞船、载人空间站的飞行高度一般为250～400km。
地基空间目标探测雷达一般用于重点监视高度为2000km以下的中低轨照相侦察卫星、电子侦察卫星、通信卫星、空间飞船、航天与空天飞机等空间飞行器。
随着微小型卫星和卫星应用技术的发展，轨道高度为600～1500km的中低轨卫星将占较大的比例。
表1.2给出了几种典型卫星的RCS值。表1.2 几种典型卫星的RCS值
2.空间碎片的特性
空间碎片的大小差别极大，小的只有微米量级，大的可达数十米，按其大小大致可分为3类。（1）大空间碎片：指10cm以上的空间碎片，是目前地基探测网能测量其轨道的碎片，航天器一旦被它撞击将损坏严重。（2）小空间碎片：指1mm以下的空间碎片，通过天基直接探测或分析回收物的表面获得它的信息，需要通过采取适当的防护措施来提高航天器的抗御能力。（3）危险碎片：介乎大、小空间碎片之间的碎片，目前尚无有效的探测方法，对航天器的损坏能力比小空间碎片大，防护困难；数量比大空间碎片多，航天器躲避困难，是十分危险的碎片。
由于小空间碎片对航天器的危害较小，且不容易被地基探测网探测到，因此这里不对其进行深入分析。图1.10示出了尺寸分别为1mm≤d＜1cm、1cm≤d＜10cm和d＝ 10cm的空间碎片数量分布密度与高度的关系曲线。从图中可以看出，低轨道区域（2000km以下）、地球同步轨道高度和半同步轨道高度上有3个明显的峰值，其中低轨道区域的碎片数量最多。低轨道区域是人类空间活动最频繁的区域，载人航天活动主要在这个区域进行。由于低轨道区域处于地基空间目标探测雷达网的监测范围，因此有必要对该区域内的空间碎片进行更深入的研究。图1.11示出了近地轨道的空间碎片数量分布密度与高度的关系。从图中可以看到，在近地轨道空间碎片的分布也有几个峰值，海拔高度分别为780km、890km、950km、1410～1420km和1480km。［3］图1.10 3种不同尺寸的空间碎片数量分布密度与高度的关系曲线［4］图1.11 近地轨道的空间碎片数量分布密度与高度的关系曲线
空间碎片的来源很多（如图1.12所示），不同来源产生的碎片尺度也不相同。地基探测系统能够测定的大空间碎片主要是遗弃的航天器、运载火箭箭体和操作性碎片，爆炸解体碎片则大小都有，固体火箭喷射物、撞击产物和表面剥落物基本上都是小空间碎片。图1.13示出了各种来源的空间碎片所占的比例。可以看出，航天器解体是最主要的碎片来源。［16］图1.12 空间碎片的来源［4］图1.13 各种来源的空间碎片所占的比例
不同类型的碎片具有不同的特性，下面分别给出几种典型空间碎片的特性。
1）遗弃的航天器和火箭箭体
航天器在空间有一定的工作时间，材料的老化、元器件性能的衰退、燃料的耗尽等原因，使它工作一定时间以后就会出现各种故障，最后停止工作，这是“工作寿命”。通常航天器的寿命为几年或几十年。停止工作的航天器仍在轨道上运行，在大气阻力的作用下逐渐陨落，从轨道上消失。航天器陨落前停留在轨道上的时间称为“轨道寿命”。如果它的轨道很高，在1000km以上，由于受到的大气阻力很小，它的轨道寿命可达数万年甚至数百万年。
遗弃的航天器和火箭箭体通常具有较大的质量。例如，1979年陨落的Skylab，其质量达到74t；而1991年陨落的Salyut－7，质量达到40t。火箭箭体的质量通常是几吨甚至几十吨。例如，发射航天飞机的火箭箭体质量达到78t，Zenith火箭、长征2－F火箭和Tsyklon火箭的箭体质量分别为9t、5.5t和4.8t。
遗弃的航天器和火箭箭体的RCS通常也较大。例如，发射航天飞2机的火箭箭体RCS达到83m，一般火箭助推器的典型RCS是15～230m。
2）解体产生的碎片
解体是最主要的空间碎片来源。航天器因各种原因解体，会产生大量大小不同的碎片。美国NASA给出了碎片的有效RCS计算公式，即2其中，d是碎片的直径，单位是m；A的单位为m。
3.弹道导弹的特性
弹道导弹作为防空体系需要对付的目标与飞机目标具有很大的不同，弹道导弹（BM）飞行时间短。对于射程为120～3000km的弹道导弹，其飞行时间为2.7～15min，弹头再入速度为1.1～5km／s，弹2头RCS小（σ＝0.1～1m），目标的再入角度大。对于射程为120～2500km的弹道导弹，其再入角为44.7°～39.4°；弹道高度不同，其顶点最高高度为30～600km。表1.3为导弹飞行时间，再入速度等与弹道导弹射程的关系表。弹道导弹飞行路径特性如表1.4所示。图1.14为弹道导弹标准弹道曲线图。充分考虑弹道导弹的特性是设计有关观测雷达的前提条件。表1.3 导弹飞行时间、再入速度等与弹道导弹射程的关系表表1.4 弹道导弹飞行路径特性
对于射程为10 000km的洲际弹道导弹，其飞行时间为25～35min；2弹头再入速度为7～7.7km／s；弹头RCS小（σ＝0.1～1m）；弹道高度不同，其顶点最高高度为1600km。未来10年内将采用多弹头及真假弹头突防，释放诱饵，采用机动、分散、隐蔽和突然作战方式。这要求弹道导弹探测系统应具有反应时间快、作用距离远、覆盖空域大、多目标处理及真假弹头识别能力。对TMD系统在预警、跟踪、识别、数据处理、通信、指挥和控制及作战管理方面应具有高度自动化和快速可靠的反应能力。图1.14 弹道导弹标准弹道的曲线图1.4 空间目标探测的重要性和需求1.4.1 空间目标探测的重要性
由于以下原因，空间目标探测的重要性不断提高。（1）商业空间活动的规模和复杂度不断增大，在轨卫星的数量呈增长的趋势；（2）空间碎片问题受到越来越广泛的关注；（3）空间在军事应用中的重要性不断提高。
商业和民用空间用户主要关注变化的空间环境，因此前两个因素是他们关注的重点。而第3个因素则纯粹是军事需求。不同的需求对空间目标探测的要求也是不同的，因此根据演化的需求导致不同的技术和组织解决方案。1.4.2 空间目标探测的需求
空间目标探测的需求如下。
1）空间碎片的监视和告警
从20世纪60年代开始，空间监视就已成为美国空间司令部的任务之一。目前，全世界只有美国和俄罗斯有比较完善的SSN，但有迹象表明许多国家也有建立独立的空间监视系统的计划。例如，在1996年7月24日法国的Cerise卫星被一块空间碎片撞毁之后，法国政府就决定建立自己的空间监视系统，减少对美国的依赖。虽然建立空间目标监视系统需要巨额的费用，但基于国家战略利益，不能纯粹依靠国外，必须独立自主，自力更生，逐步建立和完善自己的空间监视系统。
要提高监视和跟踪空间小目标（特别是1cm左右的小碎片）的能力，X波段相控阵雷达是比较好的选择。发展这样的雷达技术同时还可以提供弹道导弹中段的跟踪能力，促进国家反导系统的发展。
2）协调卫星工作和航天发射活动
目前，地球轨道上有数千颗卫星，包括正常工作的和已失效的卫星。为了满足将来的军事、民用和商业空间应用，必须有精确和及时的空间态势感知能力。今天，许多国家的民用和军事卫星共享着相近的轨道而没有采取近实时的防碰撞措施。随着卫星数量的增加，必须有相应的组织负责协调卫星工作。
随着我国航天技术的发展及空间在我国战略地位的不断提高，保护我国的空间资产和空间资源已成为越来越紧迫的任务。为此，必须建立完善的空间目标轨道数据库，减少对外国的依赖。
3）空间监视和空间控制
近几年，美军在控制空间的军事发展战略中将空间态势感知能力提升到十分重要的位置。空间监视系统作为空间态势感知系统最重要的组成部分，在今后的发展中将被赋予更多的军事应用任务。增强空间态势感知能力，支持空间对抗的进攻与防御，从而夺取空间优势，是美国大力改进现有的空间监视系统和研制部署新型空间监视设施的最主要动机。
空间监视与预警，其目的是防御敌方从空间发起的攻击。通过陆、海、空、天各种探测预警和侦察监视手段与设备、通信网络和计算机处理中心组成的空间预警系统连续不断地工作，严密监视敌方空间活动，及时判断敌方来袭目标及其有关参数，实时处理所获取的信息，向国家指挥当局、各高级军事部门及政府有关机构提供敌方战略武器空袭的情报，及时决策、采取攻防措施，为有效保存、使用己方战略武器和为民防提供必要的预警时间。空间监视的最终目的是空间控制。精确的空间态势对我国的战略决策和军事部署具有非常重要的作用。
4）情报需求
空间态势感知的另一个较为紧迫的需求是必须具备精确的卫星识别能力，以确定他国卫星是否具有军用载荷及何种军用载荷。随着在轨卫星数量的增加，这种需求日益迫切。1.5 空间目标探测的任务和空间监视系统的基本需求1.5.1 空间目标探测的任务
空间目标探测的任务是对重要的空间目标进行精确探测和跟踪，确定可能对航天系统构成威胁的空间目标的尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性；对目标特性数据进行归类和分发，进行编目数据库。具体地说，空间目标探测系统的主要功能是跟踪本国发射的航天器，并对其进行测量和控制；连续地监视观测别国的航天器，查清国别、用途及可能造成的威胁。
从监视空间的观点来看，所有航天器可以分为发射电信号和不发射电信号两大类。属于发信型的首先是自己发射的航天器，可利用航天器自带设备进行测控和跟踪。对于别国的卫星，基本上属于非发信型的，这些航天器的发射时间、地点和特征，一般事先是不知道的。例如，照相侦察卫星仅在飞越别国领土上空时才开始工作，而发送、遥控和侦察信号则是在其本国领土或其他基地上空。利用无线电侦察的办法，对这类卫星非常有限。对这类卫星的探测主要靠远程地面雷达和地面光学设备，特别是使用相控阵雷达完成空间监视，其主要任务是：①发现、跟踪目标；②识别目标；③监视轨道目标的陨落；④提供精确数据，进行卫星目标编目、预报。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]