國外天基預警雷達系統發展現狀及關鍵技術

朱慶明,金術玲,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發展現狀及關鍵技術

朱慶明,金術玲,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的戰略地位,美國、俄羅斯和加拿大等國競相開發該系統。總結了天基預警雷達系統的國外發展現狀及關鍵技術,簡要介紹了天基預警雷達的未來發展趨勢,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

空間是未來戰爭的最后一個戰場,未來戰爭優勢的標志是制天權的爭奪。天基預警雷達是戰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星、軌道武器、太空碎片、彈道導彈、巡航導彈、戰略轟炸機等空間、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的研究進程[1-4]。

2 國外天基雷達發展概況

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年發射首顆衛星的目的。據報道,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)就是把現有的機載預警與控制系統(AWACS)和聯合監視目標跟蹤雷達系統(JSTARS)的全部設備和功能搬到太空。這種設想的優點是技術成熟,因有效載荷大而且重,將造成衛星很大、很重且成本高,實現起來很困難。

(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星上,成本相對較低,采用相控陣雷達發射/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。星座衛星數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)發現者-II

發現者-II(Discover II)是由美國空軍、DARPA和美國國家偵察局(NRO)聯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)成像和數字地形圖數據獲取(DTED)功能。Discover II系統雷達工作在X頻段,天線大約40 m2,二維掃描,衛星軌道高度770 km,不對全球進行連續覆蓋監視,只對選定重點區域連續監視。

由于美國國會不愿為天基雷達項目注入資金,已經在2000年取消了Discover II中的兩顆衛星的演示驗證,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AMTI功能時要求發射天線直徑超過100 m,而實現SAR/GMTI功能的雷達發射天線更大。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AMTI功能。Passive Bistatic SBR的設想類似于Active Bistatic SBR,只是雷達發射機不是搭載在衛星上,而是一些地面電視、廣播的發射機無源雙基地和衛星上搭載的接收機組網來發現兩者之間存在的運動目標。

(6)小衛星天基雷達

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

(7)Techsat 21

應用分布式衛星技術,通過多顆協調衛星上雷達天線形成分布式多基口徑(Distributed Multistatic Aperture)能夠實現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)衛星分布在半徑250 km的圓形軌道上,可實現單發、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,各衛星頻率略有差異,所有雷達接收自己的反射信號和其他衛星的反射信號,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。

表1 天基雷達概念設計的發展成熟程度評價表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對照表Table 2 Parameters comparison of space-based radar concept

2.2 俄羅斯

俄羅斯預警衛星壽命短,總體水平遠不及美國,但在雷達衛星方面,1991年發射了Almaz-1 SAR衛星,S頻段分辨率10～15 m。1996年發射了Almaz-1B載有S、P和X 3個頻段的SAR,壽命 2年。新世紀將發射Almaz-2,有效載荷質量將達6.5 t,壽命提高到5年。并且根據戰區導彈防衛計劃的需要,在1999-2001年期間先后發射了宇宙2366、宇宙2369、宇宙23783顆預警衛星,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/海上發射的巡航導彈。加拿大的RADARSAT-2衛星已于2007年12月14日發射升空,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衛星目前所有的成像模式,并進行了重要的創新和改進。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范圍的雷達數據。此外,加拿大還制定了天基預警雷達的研究規劃,主要目的是為廣闊的北美區域提供空中預警,并開始天線、展開結構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展天基預警雷達技術作為空間、空中以及地面目標探測技術的重點,以便盡早形成陸、海、空、天一體化的預警探測系統,從而在未來戰爭中贏得主動權。

3 天基預警雷達系統關鍵技術

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

3.1 天基預警雷達衛星平臺設計技術

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

(1)大熱耗衛星系統熱控方法

衛星的天線為大型的外露設備,結構復雜,如何實現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星和天線多姿態工作的指標要求。

(2)大型相控陣天線展開機構技術

天基預警雷達為保證探測威力,采用超大相控陣天線,尺寸達數百平方米,而同時衛星發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]。天線展開機構技術主要包括天線展開機構系統設計、低沖擊壓緊釋放裝置研究、大輸出力矩聯動驅動展開技術研究和大型高精度天線的試驗驗證技術。

3.2 天基預警雷達載荷系統技術

天基預警雷達作為天基預警雷達系統的核心載荷,其性能的優劣對天基預警雷達系統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技術與機載雷達并沒有本質區別,但由于衛星平臺和作戰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

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

天基預警雷達要求的天線面積非常大,如不采用特殊結構的輕型天線,將使整個衛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與天線高效集成,形成與載體共形的靈巧蒙皮,從而構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

天基預警雷達系統研究中,衛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,其中特別是發射功率管的效率問題。常規功率管的效率僅有20%～30%,在導致能量大量浪費的同時也增加了系統散射設備的復雜度和重量。寬禁帶高效T/R組件技術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

衛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采用先進的信號處理技術抑制雜波、檢測目標。

(5)天基預警雷達高可靠性技術

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。因此,必須采用各種措施加強天基預警雷達的可靠性。

4 未來發展展望

美國曾針對天基雷達的發展作了總體規劃,預計在2025年之前實現一個功能完整的天基雷達系統(可以實現SAR、GMTI和AMTI,覆蓋全球)。在戰略上分成了3個階段:近期,利用天基雷達實現GMTI功能;中期,實現全球GMTI和區域性AMTI的功能;遠期,利用60～80或更多顆衛星實現覆蓋全球的連續GMTI和AMTI功能。

由于發現者-II的需求不清,經費預算增長過快,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,繼續用于研究和開發“天基雷達”所需的關鍵技術。美國空軍在美國國會放棄發現者-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”計劃可行性和經濟承受力產生了懷疑,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”計劃發展框圖。另據2009年3月的有關報道,由于經費問題,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、德國等國部署商業可用系統(包括加拿大的RADARSAT-2、德國的SAR-lupe、TanDEM-X 衛星)的經驗,美國空軍預選擇美國政府內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展仍然坎坷頗多,如突破關鍵技術,明確需求,降低成本,減少投資,從而實現天基雷達星座。

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中的特殊地位直接決定的。

5 結束語

未來戰爭是信息化的戰爭,制天權、制信息權的爭奪是未來戰爭優勢的標志,天基預警雷達系統是一種探索空間、空中及地面信息的重要手段。從國外的發展情況來看,各國都非常重視并競相研制天基預警雷達系統。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的研究。

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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

金術玲(1978-),女,吉林永吉人,高級工程師,主要研究方向為雷達系統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情報研究;