1.6 空间目标探测的手段

空间目标探测的手段可以分成地基探测和天基探测，各种探测手段可以采用的方式如图1.15所示。

地基探测是利用安置在地球表面的设备测量空间目标的位置。所有地基探测系统均需要克服一个共同的问题：它们均需要在可接受损耗的范围内通过大气层进行观测，从雷达回波或反射光中获得空间目标足够高精度的位置和其他参数。地球大气对两个波长区域的信号是透明的，即所谓的光学和射电窗口，如图1.16所示。

从图1.16可以看出，由于大气的吸收，在光电手段中，紫外、红外等波段都无法利用，可见光波段虽可利用，但仍然受天气云层的限制。无线电手段有机械跟踪雷达、相控阵雷达和电磁篱笆等多种形式。频率较高的无线电波都能穿过大气层，但电离层对无线电波的折射和散射会影响测量的精度。和天基探测相比较，地基探测的优势是便于长期连续监测、便于组网监测、技术成熟、建设和运行成本相对较低。

地基探测中光电手段和无线电手段也各有优势。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目标、地球同步轨道目标有明显的优势；但是其发现和搜索能力较弱，受昼夜和无光等天气条件的影响很大，有不可见期。而无线电手段原则上可以连续地、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目标探测优势明显；但是其建设和运行成本高，对周围环境有辐射污染，探测远距离、高轨道的目标时，需要的无线电波发射功率和天线尺寸急剧增大，不宜采用。

天基探测是将探测设备安置在航天器上，彻底摆脱了大气层的干扰，可以在紫外、红外等波段进行探测。探测设备沿一定的轨道运动，好处是可以对部分空间目标在近距离上进行探测，但是组网比较困难。探测设备受航天技术的限制，本身技术难度大，建设和运行成本高。

1.6.1 空间目标的光学探测

1）光学探测的条件

光学探测是传统的观测手段，它通过恒星本身的发光和行星反射的太阳光进行观测。空间目标本身不发光，需要依靠反射太阳光才能被观测，并且必须同时满足以下 3 个条件。

（1）空间目标：空间目标被太阳光照射，空间目标是亮的。

（2）背景：望远镜视场内的天空背景是暗的。

（3）目视条件：空间碎片处于望远镜的观测范围内且不被遮挡。

这3个条件决定了只有当观测站处于晨昏时段（这时，在地面上因太阳已经落山，或者还没有升起，天空是暗的，在高空运行的空间碎片仍在太阳光的照射下是亮的）且天气晴朗、没有云层阻挡时，才能看到空间目标划过天空。空间目标在运行过程中会有一段时间内3个条件不能同时满足，此时它无法被望远镜观测，则这段时间称为“不可见期”或“间歇期”，其长度与观测站位置和碎片轨道有关，约为数十天至一百多天。

2）望远镜的使用及种类

从图1.16可以看到，一个连续的光学窗口覆盖了0.3μm≤λ≤2μm的波长范围，包括紫外光（0.1μm≤λUV≤0.38μm）、红外光（0.78μm≤λIR≤2μm）和可见光。这些波长的光包含了绝大部分的太阳辐射能量，窗口的中心波长是0.38μm≤λVIS≤0.78μm。在紫外光波段，由于O2和O3分子的谐振，通过光学窗口的信号能量被衰减。而在红外光区域， O2、CO2和水蒸气也会对通过的光有较大的衰减。通过把望远镜放置于高海拔地区可以显著地减小大气吸收效应的影响（海拔高度为5km的大气密度仅是海平面的50%左右）。

光学望远镜必须放置在光污染较小、气象观测和大气观测较好的高海拔区域。用于卫星跟踪的望远镜必须在夜间工作，与此同时，被跟踪的卫星还必须被太阳照射。有两种类型的望远镜：折射式望远镜（使用棱镜系统）和反射式望远镜（使用反射镜面收集和聚焦入射光）。折射式望远镜通常比较复杂，受技术条件的限制孔径最大只能达到1m左右。由于反射式望远镜的孔径可以达到10m，因此它具有较低的成本和质量，可以获得较高的分辨率和图像质量。反射式望远镜可以分成以下几种类型：牛顿望远镜、卡塞格伦望远镜、折轴（Coude）望远镜、克里蒂安（Ritchey-Chretien）望远镜。

3）望远镜观测的性能分析

望远镜通过收集目标辐射或反射的光探测空间目标。对于轨道目标，光源是太阳，光子被目标反射的强度与太阳-目标-观测者之间的角度（太阳的相角为Φ⊙）和目标的反射系数（定义为几何反照率αt，人造空间目标的典型值是αt=0.1）有关。如果目标是一个投影面积为At的简单平面，则望远镜接收到的反射功率为

其中，P⊙=AtF⊙（F⊙是一个天文单元的辐射通量密度）；A=πD2/4是孔径为D的望远镜的接收面积；εt，in和εt，out分别是光子的入射角和反射角，Φ⊙=εt，in+εt，out是太阳相角；ρt是望远镜到目标的距离。因此，望远镜的接收功率及相应的灵敏度与距离ρt的关系是1/。由于雷达的灵敏度与距离的关系是 ，与雷达相比光学传感器在性能上具有一定的优势。因此，光学系统通常用于观测中高轨道的空间目标。

被观测物体的相对亮度定义为

其中，l是目标的亮度，l0 是强度为0.0（记为0m 0）的星星的参考亮度。下面列出一些常见天体的亮度：太阳是-27m0，月球是-12m5到-10m3，金星是-4m5，天狼星是-1m5。人眼可以感觉到的极限亮度是6m0，而用于空间监视和空间碎片观测的望远镜，其检测门限达到20m0。

望远镜捕获到的目标反射光通过光组件变换为图像，从被跟踪目标接收到的总能量与曝光时间成正比。在跟踪模式下，积累时间每增加3倍可以使灵敏度提高约Δmag≈1m0。理论上，图像的分辨率由与器件有关的点扩展函数决定，可通过孔径直径D和入射光的波长λ按照比例D/λ进行调节。人眼的角分辨率为60″（弧度秒），而一个直径D=0.2m的望远镜分辨率可达65″。地基望远镜分辨率受限于当地的观测条件，设备的性能主要由光收集效率和信噪比决定。各种孔径望远镜对1000km和地球同步轨道距离上能观测到的空间目标尺寸见表1.5。

1.6.2 空间目标的雷达探测

1.雷达探测所用波长范围

由于地基光学系统只能在晨昏时段且天气晴朗、没有云层阻挡的条件下才能进行观测，因此它们的应用受到很大的限制。而对通过地球大气的射电窗进行观测的地基雷达来说，这些限制不再存在。如图1.16所示，可以用于碎片观测的射频信号波长范围为1cm≤λ≤100cm，等效的频率范围是0.03GHz≥f≥30GHz。通常按照波长逐渐增大的趋势把射电窗分成许多频段：Ku波段（1.67cm≤λKu≤2.5cm）、X波段（2.5cm≤λX≤3.75cm）、C波段（3.75cm≤λC≤7.5cm）、S波段（7.5cm≤λS≤15cm）、L波段（15cm≤λL≤30cm）、P波段（30cm≤λP≤100cm）和VHF波段（1m≤λVHF≤10m）。由于大气衰减和反射，波长更长的电磁波无法通过大气层。而由于水分子和O2 分子的谐振，波长更短的电磁波在通过大气层时也会受到很大的衰减。

2.两种雷达天线系统

有两种类型的雷达天线系统：传统的反射器天线和相控阵天线。

1）反射器天线

反射器天线通常可以在一定的方位角和俯仰角范围内在水平和垂直两个方向旋转跟踪目标。德国的跟踪和成像雷达TIRA是一部典型的反射器天线雷达，该雷达的4个喇叭馈源通过双曲反射器向抛物面天线馈电，天线波束宽度是发射天线直径Dt和信号波长λ的函数，即

其中，Θ3dB表示天线的3dB波束宽度。天线方向图上某个位置的信号幅度可以表示为

通常，雷达天线方向图的第一副瓣小于等于Pmax/100，即第一副瓣比主瓣低20dB以上。在接收模式下，4个喇叭馈源作为天线波束指向的控制器，保证4个输入具有相同的电平。

2）相控阵天线

对于相控阵雷达，天线阵由大量的天线单元组成（天线单元数可以达到10 000甚至更多），如图1.17所示的Eglin雷达。可以把许多天线单元组合成子阵，最终得到合成方向图。通常，相控阵天线的波束扫描范围是±60°左右，因此单一天线阵可以覆盖120°的空域，利用3个在圆周上均匀分布的天线阵就可以实现360°的覆盖。由于不需要机械旋转，相控阵雷达可以同时跟踪许多目标。因此，美国的USSTRATCOM利用多部相控阵雷达完成例行空间警戒任务。

3.雷达探测分析

大部分雷达，无论是反射器雷达还是相控阵雷达，都可以测量双程信号传输延时Δt2w=tr-te（tr和te分别是接收时间和发射时间）、最大增益指向上的水平角A和俯仰角h、接收信号频率fr 和发射信号频率fe 之间的双程多普勒频移Δf2w、接收信号功率Pr和雷达脉冲的极化信息。由双程信号传输延时可以得到目标到雷达的距离ρ为

其中，c=299 792.456 2km/s，为光速。由双程多普勒频移可以确定目标的距离变化率ρ·

除了距离、距离变化率和方位角之外，雷达回波还包含了目标的RCS特性（RCS的变化包含了目标姿态的动态变化），信号极化的变化则包含了目标外形的信息。目标的RCS特性取决于它的材料特性、外形和方向，此外，它还与目标大小与雷达信号波长的比值rλ=lt/λ有关，如图1.18所示。与光学测量系统的光强相似，以分贝平方米为单位的RCS可以表示为

当rλ≫1时，目标的电磁散射特性位于光学区，此时雷达信号在目标表面发生反射，类似于光的镜面反射；当0.5＜rλ＜10时，目标的电磁散射特性位于谐振区，此时入射雷达信号与目标各散射中心的回波发生干涉；当rλ＜0.5时，目标的电磁散射特性位于瑞利区，此时目标可以看成体目标。在光学区，目标RCS Arcs与它的几何反射面积At 具有相似的幅度，即Arcs/At≈1.0=常数。而在瑞利区，随着目标尺寸的减小，RCS快速减小， Arcs与At之间的关系为Arcs/At∝（lt/λ）4。此时，目标的被检测概率也随之减小。由于在谐振区存在模糊，因此把测量得到的RCS转化为等效的几何反射面积时必须进行特殊处理。

与光学望远镜通过被动地观测目标的反射光相比，雷达通过主动照射目标然后对回波信号进行处理完成目标探测。雷达的接收信号功率Pr 是发射信号功率Pe、发射天线和接收天线的面积Ae和Ar、发射信号波长λe、目标到雷达的距离ρ及目标RCS Arcs的函数，即

其中，Ae/λ2e 度量了发射天线的增益Ge（定义为Ge=4πAe/λ2e）。从式（1.9）可以看出，对于给定的目标距离和RCS，接收信号的功率随着发射信号功率的增大而增大，随着发射天线和接收天线孔径的增大而增大，随着雷达信号波长的增大而减小。

对于传统的跟踪或单站雷达，发射天线和接收天线孔径是相同的，即Ae=Ar。而对于双基地雷达及电磁篱笆，接收天线孔径通常大于发射天线孔径。双基地雷达的一个例子是德国Effelsberg无线电观察站（天线孔径为100m），和FGAN研究所的TIRA发射天线（天线孔径为34m），发射天线位于 Wachtberg，与Effelsberg的地面距离为21km。电磁篱笆最著名的例子是美国的NAVSPASUR空间监视系统（原由美国海军负责，现在由美国空军负责）。它由均匀分布于北纬33°的3套一样的子系统组成，每个子系统包括一个发射天线和两个接收天线。发射天线向空间某个固定区域发射电磁波，空间目标反射的电磁波被监控同一区域的接收天线接收。为了对观测数据进行处理，发射机和接收机必须对数据流进行同步。

4.相控阵雷达技术与设计特点

空间目标监视相控阵雷达主要适用于对各类空间卫星、航天飞行器、战区和战略弹道导弹的监视、跟踪、分类、识别，获取卫星、导弹目标轨道和弹道数据，如高价值目标的实时信号特征检测，确定目标形状、体积和轨道参数；为提供空间飞行器自由行动和武器部署需要对目标进行精确探测和跟踪；实时监视和侦察飞行器、天基武器变化状态，进而进行分类等。

相控阵雷达技术由于其独特的波束捷变能力，具有多功能、多目标截获、跟踪、自适应等优点，能满足对当代雷达提出的许多新要求。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。

技术的进步推动了固态发射机和收发（T/R）组件在雷达、通信等各个领域的广泛应用，经过二十多年的发展，固态有源相控阵雷达已成为空间目标探测的重要手段。当前相控阵雷达主要采用的技术与设计特点如下。

1）自适应技术

雷达工作由计算机进行控制和参数管理，具有多种自适应能力：①天线波束指向自适应；②天线波束形状自适应；③工作频率自适应；④工作波形自适应；⑤信号处理自适应；⑥工作方式自适应；⑦自适应数字波束形成技术。

2）宽带高分辨率技术

空间目标监视相控阵雷达要求具有高的距离分辨率，需要对目标信号特征进行分析。当前雷达信号的瞬时带宽已达1GHz以上，使对目标的距离分辨率优于0.3m。

3）全固态收发组件

固态雷达发射机具有宽频带、宽脉冲、高工作比、低峰值功率、高可靠性、高效率、能实现组件化和模块化、维护方便等优点。固态有源相控阵使馈线收发损失各降低3～5dB。移相器功率容量降低，使相控阵雷达的优点和潜力得到进一步发挥。P、L、S、C及X波段的固态收发组件已在大中规模相控阵雷达上采用。

4）目标识别技术

空间目标监视相控阵雷达要求能区分各类空间目标（卫星、导弹、末级火箭等），这就要求雷达具有目标识别功能。

5）大容量目标实时数据处理技术

空间目标监视相控阵雷达具有实时处理100～200批目标和对两万到3万个点迹目标编目处理空间目标数据库的能力。

6）天线阵面口径密度加权设计技术

阵列稀布方法，在全空域范围内收发天线均具有适合的副瓣电平，单脉冲测角需要的和差波束形成，宽带密度加权天线阵的设计等均是设计的重点。

7）高分辨率二维成像和三维成像技术

宽带雷达可以得到目标的高分辨率二维像和三维像，利用这个技术可以极大地提高空间目标识别的能力。图1.19是俄罗斯Mir空间站的二维ISAR像。图1.20是美国的Skylab空间实验室的三维像。从图1.20可以看出，其中的一块太阳能电池板受损，而另一块电池板则只有部分展开。