朱慶明,金術(shù)玲,孟祥玲

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

國外天基預警雷達系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術(shù)

朱慶明,金術(shù)玲,孟祥玲

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

天基預警雷達作為重要的信息獲取手段,其采用多種工作模式,可探測空間、空中和地面目標。鑒于天基預警雷達系統(tǒng)的戰(zhàn)略地位,美國、俄羅斯和加拿大等國競相開發(fā)該系統(tǒng)?？偨Y(jié)了天基預警雷達系統(tǒng)的國外發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術(shù),簡要介紹了天基預警雷達的未來發(fā)展趨勢,指出美國雖懷疑其“天基雷達計劃”的可行性,但仍非常重視天基雷達各項關鍵技術(shù)的研究。

天基雷達;預警雷達;合成孔徑雷達;地面動目標顯示;空中動目標顯示

1 引 言

空間是未來戰(zhàn)爭的最后一個戰(zhàn)場,未來戰(zhàn)爭優(yōu)勢的標志是制天權(quán)的爭奪。天基預警雷達是戰(zhàn)略預警的重要組成部分,具有合成孔徑雷達(SAR)成像、地面動目標顯示(GMTI)和空中動目標顯示(AMTI)多個工作模式。天基預警雷達系統(tǒng)是主動探測模式,由于其平臺高度的特殊性,可以不受國界、天氣和時間的限制,且預警時間長,可以探測在軌的其他衛(wèi)星、軌道武器、太空碎片、彈道導彈、巡航導彈、戰(zhàn)略轟炸機等空間、空中或地面目標。因此,天基預警雷達是全面獲取空間、空中以及地面有關目標信息資源的重要手段,是奪取制信息權(quán)的重要保障。因此,目前世界各國加緊推進天基預警雷達系統(tǒng)的研究進程[1-4]。

2 國外天基雷達發(fā)展概況

2.1 美國

美國是最早開始天基預警雷達研究的國家,從20世紀80年代起就陸續(xù)有人提出各種各樣的天基雷達(SBR)方案[5]。美國防部原計劃從2005-2009財年為天基雷達投入40億美元,從而達到在2012年發(fā)射首顆衛(wèi)星的目的。據(jù)報道,美國五角大樓已取消“天基雷達”計劃,但美國空軍仍對天基雷達需求迫切,特別是在天基雷達的動目標檢測特性和全天候成像-監(jiān)視能力,因此,目前美國仍在進行天基雷達的概念研究和關鍵技術(shù)的突破。

下面簡要介紹一下美國曾提出的幾種概念[1]。

(1)單基地天基雷達

單基地天基雷達(Monostatic SBR)就是把現(xiàn)有的機載預警與控制系統(tǒng)(AWACS)和聯(lián)合監(jiān)視目標跟蹤雷達系統(tǒng)(JSTARS)的全部設備和功能搬到太空。這種設想的優(yōu)點是技術(shù)成熟,因有效載荷大而且重,將造成衛(wèi)星很大、很重且成本高,實現(xiàn)起來很困難。

(2)空間電子捷變雷達[6]

空間電子捷變雷達(SPEAR)和SPEAR U/X這兩個計劃同時進行,前一種工作在X頻段,具有SAR/GMTI功能;后一種增加了UHF頻段的雷達,除具有SAR/GMTI功能外,還增加了AMTI功能。

SPEAR可搭載在輕型低地軌道衛(wèi)星上,成本相對較低,采用相控陣雷達發(fā)射/接收天線模塊(TRAM),二維波束掃描,每秒可覆蓋幾千平方公里的空域。星座衛(wèi)星數(shù)量及其需要的最大空隙時間、平均重訪時間如下:最小星座14顆星,最大空隙時間59 min,平均重訪時間17 min;較好用36顆星,最大空隙時間10 min,平均重訪時間2.3 min;最好用75顆星,無空隙,平均重訪時間1 min。

(3)發(fā)現(xiàn)者-II

發(fā)現(xiàn)者-II(Discover II)是由美國空軍、DARPA和美國國家偵察局(NRO)聯(lián)合研制的天基雷達計劃。Discover II具備高分辨力地面動目標顯示(HRR-GMTI)、合成孔徑雷達(SAR)成像和數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)獲取(DTED)功能。Discover II系統(tǒng)雷達工作在X頻段,天線大約40 m2,二維掃描,衛(wèi)星軌道高度770 km,不對全球進行連續(xù)覆蓋監(jiān)視,只對選定重點區(qū)域連續(xù)監(jiān)視。

由于美國國會不愿為天基雷達項目注入資金,已經(jīng)在2000年取消了Discover II中的兩顆衛(wèi)星的演示驗證,并在2004年指示空軍取消天基雷達計劃的探測跟蹤任務,而要求致力于研究和開發(fā)工作。雖然該計劃已被取消,但還具有很高的參考價值。

(4)有源雙基地天基雷達

有源雙基地天基雷達(Active Bistatic SBR)星座由3～4顆地球同步軌道(GEO)(軌道高度35 880 km,搭載雷達發(fā)射機)和24～26顆低地球軌道(LEO)(搭載雷達接收機)組成。當要求實現(xiàn)AMTI功能時要求發(fā)射天線直徑超過100 m,而實現(xiàn)SAR/GMTI功能的雷達發(fā)射天線更大。有源雙基地天基雷達的另一種設計思想是使發(fā)射機放在LEO上,接收機放在無人機上。

(5)無源雙基地天基雷達

無源雙基地天基雷達(Passive Bistatic SBR)概念設計只能用于實現(xiàn)AMTI功能。Passive Bistatic SBR的設想類似于Active Bistatic SBR,只是雷達發(fā)射機不是搭載在衛(wèi)星上,而是一些地面電視、廣播的發(fā)射機無源雙基地和衛(wèi)星上搭載的接收機組網(wǎng)來發(fā)現(xiàn)兩者之間存在的運動目標。

(6)小衛(wèi)星天基雷達

小衛(wèi)星由于具有低成本、可以一箭多星發(fā)射等優(yōu)點,是當前航天領域的一個研究熱點。小衛(wèi)星天基雷達(Smallsat SBR)可以用來實現(xiàn)GMTI/SAR或者實現(xiàn)AMTI功能。如果選擇100顆以上的小衛(wèi)星星座,采用UHF頻段可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)連續(xù)動目標監(jiān)視,可實現(xiàn)類似GPS工作模式,多顆衛(wèi)星同時觀測同一個目標,通過多星數(shù)據(jù)綜合進行目標探測。

(7)Techsat 21

應用分布式衛(wèi)星技術(shù),通過多顆協(xié)調(diào)衛(wèi)星上雷達天線形成分布式多基口徑(Distributed Multistatic Aperture)能夠?qū)崿F(xiàn)GMTI/SAR/AMTI功能。由于采用了多個視角和大的等效口徑,可以探測很小雷達散射面積的目標。美國空軍在1998年提出Techsat 21計劃,將8顆X頻段小SAR(77 kg)衛(wèi)星分布在半徑250 km的圓形軌道上,可實現(xiàn)單發(fā)、多收、1 m地面分辨率、1.5 m/s慢速動目標顯示,20 km觀測帶。采用X頻段,各衛(wèi)星頻率略有差異,所有雷達接收自己的反射信號和其他衛(wèi)星的反射信號,通過干擾形成大的等效孔徑。

對美國各天基雷達概念設計的發(fā)展成熟程度評價如表1所示,表2給出了幾種天基雷達的具體參數(shù)。

表1 天基雷達概念設計的發(fā)展成熟程度評價表Table 1 Development maturity evaluation form of space-based radar concept design

表2 天基雷達概念的具體參數(shù)對照表Table 2 Parameters comparison of space-based radar concept

2.2 俄羅斯

俄羅斯預警衛(wèi)星壽命短,總體水平遠不及美國,但在雷達衛(wèi)星方面,1991年發(fā)射了Almaz-1 SAR衛(wèi)星,S頻段分辨率10～15 m。1996年發(fā)射了Almaz-1B載有S、P和X 3個頻段的SAR,壽命 2年。新世紀將發(fā)射Almaz-2,有效載荷質(zhì)量將達6.5 t,壽命提高到5年。并且根據(jù)戰(zhàn)區(qū)導彈防衛(wèi)計劃的需要,在1999-2001年期間先后發(fā)射了宇宙2366、宇宙2369、宇宙23783顆預警衛(wèi)星,可見俄羅斯在SBR研制方面是不甘落后于美國的。

2.3 加拿大

除了美國和俄羅斯外,加拿大也積極發(fā)展天基預警雷達。加拿大從20世紀80年代末開始與美國國防部聯(lián)合研制RADARSAT-1,90年代中期部署,主要用于防御飛機和空中/海上發(fā)射的巡航導彈。加拿大的RADARSAT-2衛(wèi)星已于2007年12月14日發(fā)射升空,計劃任務壽命7年[7]。RADARSAT-2搭載的主要圖像傳感器是具有多種成像模式能力的C頻段SAR雷達,保留了RADARSAT-1衛(wèi)星目前所有的成像模式,并進行了重要的創(chuàng)新和改進。RADARSAT-2采用多極化工作模式,大大增加可識別地物或目標的類別,可為用戶提供3～100 m分辨率、幅寬從10～500 km范圍的雷達數(shù)據(jù)。此外,加拿大還制定了天基預警雷達的研究規(guī)劃,主要目的是為廣闊的北美區(qū)域提供空中預警,并開始天線、展開結(jié)構(gòu)及信號處理方面的研究。

總之,目前世界上已有很多國家把發(fā)展天基預警雷達技術(shù)作為空間、空中以及地面目標探測技術(shù)的重點,以便盡早形成陸、海、空、天一體化的預警探測系統(tǒng),從而在未來戰(zhàn)爭中贏得主動權(quán)。

3 天基預警雷達系統(tǒng)關鍵技術(shù)

由于天基預警雷達系統(tǒng)是一個組成非常復雜、任務要求極高、技術(shù)難度極大的系統(tǒng),因而關鍵技術(shù)極多,其中有些關鍵技術(shù)相互矛盾,相互制約。天基預警雷達系統(tǒng)與目前已投入使用的用于戰(zhàn)場監(jiān)視的星載高分辨率合成孔徑成像雷達相比技術(shù)難度更大,國外目前也只在進行關鍵技術(shù)攻關。下面簡要論述天基預警雷達衛(wèi)星平臺設計技術(shù)和載荷系統(tǒng)技術(shù)的關鍵技術(shù)。

3.1 天基預警雷達衛(wèi)星平臺設計技術(shù)

天基預警雷達系統(tǒng)是一個全新的系統(tǒng),載荷的重量、體積、功耗均遠遠大于在軌運行的雷達載荷。在衛(wèi)星平臺設計中需重點突破大熱耗衛(wèi)星系統(tǒng)熱控方法、大型相控陣天線展開機構(gòu)技術(shù)和大功耗供配電技術(shù)等。

(1)大熱耗衛(wèi)星系統(tǒng)熱控方法

衛(wèi)星的天線為大型的外露設備,結(jié)構(gòu)復雜,如何實現(xiàn)大面積陣面的等溫化是熱控設計的一個難點;天線工作功耗很大,并且不同模式下功耗變化范圍大。如何降低天線陣面溫度,減小溫度波動是熱控設計的又一個難點;熱控設計方案還需要滿足衛(wèi)星和天線多姿態(tài)工作的指標要求。

(2)大型相控陣天線展開機構(gòu)技術(shù)

天基預警雷達為保證探測威力,采用超大相控陣天線,尺寸達數(shù)百平方米,而同時衛(wèi)星發(fā)射時又要保持比較小的體積,如何有效在空中展開天線并保證相應精度是天基雷達研究的一個重點[8]。天線展開機構(gòu)技術(shù)主要包括天線展開機構(gòu)系統(tǒng)設計、低沖擊壓緊釋放裝置研究、大輸出力矩聯(lián)動驅(qū)動展開技術(shù)研究和大型高精度天線的試驗驗證技術(shù)。

3.2 天基預警雷達載荷系統(tǒng)技術(shù)

天基預警雷達作為天基預警雷達系統(tǒng)的核心載荷,其性能的優(yōu)劣對天基預警雷達系統(tǒng)整體性能起著決定性的作用。總體上說,天基預警雷達載荷系統(tǒng)技術(shù)與機載雷達并沒有本質(zhì)區(qū)別,但由于衛(wèi)星平臺和作戰(zhàn)任務的不同需要特殊考慮和精心設計。

(1)天基預警雷達載荷總體技術(shù)

主要包括目標特性分析,深冷空間電磁傳播特性分析,工作頻率選擇和波形設計以及雷達資源管理等。

(2)片式有源相控陣技術(shù)

天基預警雷達要求的天線面積非常大,如不采用特殊結(jié)構(gòu)的輕型天線,將使整個衛(wèi)星平臺和運載火箭無法承受。片式有源陣列模塊(TAAM)是一種可與不同載體平臺自適應共形的有源相控陣天線。通過將一個復雜的射頻子系統(tǒng)與天線高效集成,形成與載體共形的靈巧蒙皮,從而構(gòu)成一個多功能天線孔徑。這樣既能增加天線的有效口徑,減小天線的體積、重量,又能保持載體平臺原有的空氣動力學特性。

(3)寬禁帶高效T/R組件技術(shù)

天基預警雷達系統(tǒng)研究中,衛(wèi)星平臺對載荷的一個重要的限制就是電源功率限制,如何在有限的電源功率下盡可能提升載荷威力是天基預警雷達研究中首先需要解決的問題。T/R組件的效率是制約雷達效率的一個重要部分,其中特別是發(fā)射功率管的效率問題。常規(guī)功率管的效率僅有20%～30%,在導致能量大量浪費的同時也增加了系統(tǒng)散射設備的復雜度和重量。寬禁帶高效T/R組件技術(shù)的突破將對天基預警雷達的研制起到巨大推動作用。

(4)先進的信號處理與目標跟蹤技術(shù)

衛(wèi)星平臺的快速運動不但使得場景的雜波譜分布在空間和時間上具有特定的耦合關系,而且會導致目標回波在積累期間存在距離走動、跨多普勒走動等問題,給信號處理帶來困難。這就需要天基預警雷達系統(tǒng)采用先進的信號處理技術(shù)抑制雜波、檢測目標。

(5)天基預警雷達高可靠性技術(shù)

天基預警雷達研制費用高、運行維護難,通常要求一次試驗成功,并且要求系統(tǒng)能夠在空間長時間運行,這就對空間預警雷達的可靠性提出嚴峻的挑戰(zhàn)。因此,必須采用各種措施加強天基預警雷達的可靠性。

4 未來發(fā)展展望

美國曾針對天基雷達的發(fā)展作了總體規(guī)劃,預計在2025年之前實現(xiàn)一個功能完整的天基雷達系統(tǒng)(可以實現(xiàn)SAR、GMTI和AMTI,覆蓋全球)。在戰(zhàn)略上分成了3個階段:近期,利用天基雷達實現(xiàn)GMTI功能;中期,實現(xiàn)全球GMTI和區(qū)域性AMTI的功能;遠期,利用60～80或更多顆衛(wèi)星實現(xiàn)覆蓋全球的連續(xù)GMTI和AMTI功能。

由于發(fā)現(xiàn)者-II的需求不清,經(jīng)費預算增長過快,而且缺乏如何從演示驗證階段過渡到實際應用的方案或設想等原因,2000年美國國會取消了該項目采購計劃,但仍向國家偵察局撥款3 000萬美元,繼續(xù)用于研究和開發(fā)“天基雷達”所需的關鍵技術(shù)。美國空軍在美國國會放棄發(fā)現(xiàn)者-II試驗驗證工作之后仍支持天基雷達計劃,并堅持希望進行太空試驗。同時,美國國會對“天基雷達”計劃可行性和經(jīng)濟承受力產(chǎn)生了懷疑,甚至認為該項目不應該作為國防部的采購計劃,而更適合作為一項技術(shù)預研項目,并對“天基雷達”計劃2004、2005財年的預算申請資金進行了大幅度的削減。

為了恢復國會對“天基雷達”計劃繼續(xù)投資的信心,美國空軍在2005年對“天基雷達”計劃進行了修改和重組,將項目更名為“空間雷達”計劃,并重新制定了詳細的“空間雷達”計劃發(fā)展框圖。另據(jù)2009年3月的有關報道,由于經(jīng)費問題,美國五角大樓于2008年取消了天基雷達計劃,但美國空軍方面仍對天基雷達需求迫切,特別是在天基雷達的動目標檢測特性和全天候成像-監(jiān)視能力方面。自“天基雷達”計劃取消以來,美國空軍仍做出了探索性選擇,希望復蘇天基雷達星座計劃,考慮借鑒加拿大、德國等國部署商業(yè)可用系統(tǒng)(包括加拿大的RADARSAT-2、德國的SAR-lupe、TanDEM-X 衛(wèi)星)的經(jīng)驗,美國空軍預選擇美國政府內(nèi)部及與其他政府進行合作。由此可見,未來美國天基雷達計劃的發(fā)展仍然坎坷頗多,如突破關鍵技術(shù),明確需求,降低成本,減少投資,從而實現(xiàn)天基雷達星座。

總之,美國雖然懷疑“天基雷達”計劃的可行性,但對天基雷達的研究方興未艾,這是由天基雷達在未來信息戰(zhàn)中的特殊地位直接決定的。

5 結(jié)束語

未來戰(zhàn)爭是信息化的戰(zhàn)爭,制天權(quán)、制信息權(quán)的爭奪是未來戰(zhàn)爭優(yōu)勢的標志,天基預警雷達系統(tǒng)是一種探索空間、空中及地面信息的重要手段。從國外的發(fā)展情況來看,各國都非常重視并競相研制天基預警雷達系統(tǒng)。美國雖取消天基雷達計劃,但仍非常重視天基雷達各種關鍵技術(shù)的研究。

[1]DavisM E.Technology Challenges in Affordable Space Based Radar[C]//Proceedings of 2000 IEEE International Radar Conference.Arlington,Virginia:IEEE,2000:18-23.

[2]Huang J,Feria A,Lopez B,et al.Deployable and Lightweight Array Antenna for space application[C]//Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Antennas and Propagation.Salt Lake City,UT:IEEE,2000:1244.

[3]Croci R,Delfino A,Marchetti F.Space Based Radar Technology Evolution[C]//Proceedings of the 6th European Radar Conference.Rome,Italy:IEEE,2009:601-604.

[4]Richard J,Enjolras V,Phalippou L,et al.Overview of Future Evolution of Spaceborne Altimetry Missions,Techniques and Technologies[C]//Proceedings of the 6th European Radar Conference.Rome,Italy:IEEE,2009:17-20.

[5]Lane S A,Murphey T W.Overview of the Innovative Space-Based Radar Antenna Technology Program[J].Journal of Spacecraft and Rockets,2011,48(1):135-145.

[6]ChristophHeer.T erraSAR-X Next GenerationTechnology Aspects[C]//Proceedings of the 3rd International Asia-Pacific Conference o Synthetic Aperture Radar.Seoul:2011:1-4.

[7]Seguin G,Ahmed S.RADARSAT constellation,project objectives and status[C]//Proceedings of 2009 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.Cape Town:IEEE,2009:894-897.

[8]Huang J.The development of inflatable array antennas[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2001,43(4):44-50.

ZHU Qing-ming was born in Changshun,Guizhou Province,in 1964.He is now a senior engineer.His research concerns intelligence for radar system.

Email:qmzhu@163.com

金術(shù)玲(1978-),女,吉林永吉人,高級工程師,主要研究方向為雷達系統(tǒng)工程及雷達目標檢測與跟蹤;

JIN Shu-ling was born in Yongji,Jilin Province,in 1978.She is now a senior engineer.Her research concerns radar system engineering and radar target detecting and tracking.

Email:jslnwpu@126.com

孟祥玲(1980-),女,黑龍江青岡人,工程師,主要從事雷達系統(tǒng)情報研究。

MENG Xiang-ling was born in Qinggang,Heilongjiang Province,in 1980.She is now an engineer.Her research concerns intelligence for radar system.

Email:mengling0200@163.com

Current Developments and Key Technologies of Foreign Space-based Warning Radars

ZHU Qing-ming,JIN Shu-ling,MENG Xiang-ling
(The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230088,China)

As an important information acquisition method,space-based warning radars with multiple work modes can detect various space,air and ground targets.In view of the important strategic position of spacebasedwarning radars,many western countries such as USA,Russia and Canada are now racing to develop the radars.This paper summarizes current developmentsand key technologies of space-based radars,discusses their developing trends,and finally points out that USA still pays attention to the key technologies study of spacebased radar although the feasibility of its Space-based Radar Plan is doulted.

space-based radar;early warning radar;synthetic aperture radar;ground moving target indication;air moving target indication

TN959.74

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.047

1001-893X(2012)06-1054-05

2012-05-23;

2012-06-06

朱慶明(1964—),男,貴州長順人,高級工程師,主要研究方向為雷達系統(tǒng)情報研究;