北極500 MHz非相干散射雷達(dá)空間碎片凝視探測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析

唐志美 丁宗華 楊嵩 代連東 許正文 吳健

(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)

引 言

隨著各國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和人類空間活動(dòng)的日益頻繁,空間碎片數(shù)目逐漸增多,空間碎片監(jiān)測(cè)與預(yù)警逐漸受到各國(guó)關(guān)注. 北極是空間碎片的分布密集區(qū),也是當(dāng)前我國(guó)監(jiān)測(cè)研究的薄弱地區(qū). 非相干散射雷達(dá)是目前最強(qiáng)大的地基電離層監(jiān)測(cè)手段,由于其具有發(fā)射功率強(qiáng)、天線增益大、接收機(jī)靈敏度高等特點(diǎn),在空間碎片監(jiān)測(cè)方面具有重要應(yīng)用前景.

自20世紀(jì)60年代以來,國(guó)外以美國(guó)和歐洲非相干散射雷達(dá)科學(xué)聯(lián)合會(huì)(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)為主先后建設(shè)了10多套非相干散射雷達(dá). 其中EISCAT在北極的特羅姆瑟(69.58°N,19.22°E)和斯瓦爾巴德島(78.15°N,16.03°E)建設(shè)了三套非相干散射雷達(dá)[1-2],工作頻率分別是223 MHz、930 MHz和500 MHz(即超高頻(very high frequency, VHF)雷達(dá)、甚高頻(ultrahigh frequency, UHF)雷達(dá)和歐洲斯瓦爾巴特雷達(dá)(EISCAT Svalbard radar, ESR). 在歐空局支持下[3-5],EISCAT在基于非相干散射雷達(dá)的空間碎片探測(cè)方面開展了較全面系統(tǒng)的研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)低地球軌道上小尺寸空間碎片的波束駐留探測(cè)能力,為空間碎片監(jiān)測(cè)與預(yù)警做出了重要貢獻(xiàn). 由于早期傳統(tǒng)機(jī)制的非相干散射雷達(dá)常采用“波束駐留”探測(cè)模式,不能對(duì)空間碎片進(jìn)行跟蹤定軌,其參數(shù)特征分布無法精確獲取,因此近年來美國(guó)、歐洲等地區(qū)對(duì)非相干散射雷達(dá)技術(shù)上進(jìn)行改造,其中備受關(guān)注的是歐洲EISCAT 3D技術(shù)[7]. 國(guó)內(nèi)學(xué)者[6-14]利用EISCAT非相干散射雷達(dá)的原始采樣數(shù)據(jù)開展了空間碎片目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估算和統(tǒng)計(jì)特征分析.

由于受到引力、大氣阻尼等各種內(nèi)外因素的影響,空間碎片處于不斷發(fā)展和演變之中,因此需要對(duì)空間碎片進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)觀測(cè),以便獲取其統(tǒng)計(jì)變化特征,為空間碎片建模提供支撐. 本文分析了EISCAT ESR雷達(dá)2007.5—2008.2的低軌道空間碎片觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)變化特征,并進(jìn)行了初步探討,對(duì)我國(guó)的空間碎片監(jiān)測(cè)和預(yù)警具有重要參考價(jià)值.

1 數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)處理方法

我們通過國(guó)際合作,獲取了EISCAT 500 MHz雷達(dá)(78.15°N,16.03°E)的凝視觀測(cè)數(shù)據(jù). 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間雷達(dá)波束方位角和俯仰角分別固定為181°和82°,發(fā)射天線為拋物面,直徑42 m,接收天線直徑為32 m,半功率波束寬度為1.1°,脈沖重復(fù)周期為20 ms,發(fā)射脈沖采用32位AC碼,碼元寬度為60 μs,占空比為9.6%,系統(tǒng)噪聲溫度75 K,增益45.3 dB,觀測(cè)實(shí)驗(yàn)取四個(gè)固定的距離門區(qū)間:151～494 km、713～1 057 km、1 258～1 619 km和1 838～2 181 km,觀測(cè)時(shí)間為2007年5月5日—2008年2月10日(世界時(shí)),四個(gè)距離門上同時(shí)段觀測(cè). 觀測(cè)期間由于氣候和設(shè)備自身不穩(wěn)定性等原因?qū)е吕走_(dá)發(fā)生故障,因此觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)實(shí)際有效觀測(cè)天數(shù)為73天,每天24小時(shí)連續(xù)觀測(cè).

EISCAT ESR雷達(dá)的原始采樣數(shù)據(jù)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)采樣率為1 MB/s,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16位. 參照我們之前的信號(hào)與數(shù)據(jù)處理方法[9-11],提取空間碎片的距離、速度、信噪比、雷達(dá)散射截面積SRC等參數(shù). 由空間碎片散射截面積可估算得出等效直徑,其中散射截面積與等效直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系為近似公式[6]

(1)

2 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.1 空間碎片在不同高度的統(tǒng)計(jì)分布特征

圖1給出了每個(gè)距離門區(qū)間對(duì)應(yīng)的空間碎片數(shù)目分布.其中縱坐標(biāo)為指數(shù)形式．由圖可見,空間碎片主要分布在700～1 050 km和1 400～1 600 km空間高度區(qū)間上,其中800～1 000 km的空間碎片數(shù)目明顯高于其他高度區(qū)間,這與以往的統(tǒng)計(jì)結(jié)果完全一致. 在300 km以下區(qū)域無有效碎片,其中在900 km處監(jiān)測(cè)到空間碎片數(shù)目最多,為14 025個(gè)．在第四個(gè)距離門區(qū)間內(nèi),空間碎片數(shù)目明顯較少,平均數(shù)目在數(shù)百量級(jí)．

圖2給出了不同軌道高度上空間碎片的徑向速度分布.徑向速度為正值,表示空間碎片逐漸遠(yuǎn)離地球;徑向速度為負(fù)值,表示空間碎片逐漸靠近地球. 從圖可見徑向速度主要分布在-1.25～1.25 km/s,遠(yuǎn)離地球和靠近地球的空間碎片數(shù)目相當(dāng).

圖3給出ESR雷達(dá)在不同軌道高度上空間碎片散射截面積對(duì)應(yīng)的等效尺寸的分布特征.由圖可見,ESR雷達(dá)探測(cè)的空間碎片等效直徑主要分布在3～10 cm,同時(shí)在350～491 km探測(cè)到了尺寸相對(duì)較小的空間碎片,這是由于距離越近,雷達(dá)的探測(cè)靈敏度越高.

圖1 空間碎片的軌道高度分布特征Fig.1 The characteristics of the orbital height distribution of space debris

圖2 軌道高度上空間碎片徑向速度的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of radial velocity of space debris on orbital heights

圖3 軌道高度上空間碎片等效直徑的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of equivalent diameter of space debris on orbital heights

2.2 空間碎片數(shù)目、徑向速度和等效尺寸的日變化特征對(duì)比

圖4為北極地區(qū)空間碎片數(shù)目的逐日變化對(duì)比.由于雷達(dá)存在故障時(shí)期,部分天數(shù)內(nèi)未探測(cè)到空間碎片,因此用黑色圓點(diǎn)表示探測(cè)到碎片的天數(shù)所對(duì)應(yīng)的空間碎片數(shù)目. 由圖可看出,空間碎片數(shù)量總體上有逐漸增加的趨勢(shì). 73天共探測(cè)到88 679個(gè)空間碎片,平均每天檢測(cè)到1 215個(gè),最多一天檢測(cè)到1 458個(gè). 在部分探測(cè)天數(shù)上空間碎片數(shù)量突增顯得十分異常,可能與特定的空間事件有關(guān). 實(shí)際上,雷達(dá)的空間碎片探測(cè)效能與雷達(dá)頻率、功率、所處地理位置、波束指向與掃描方式等因素有關(guān). 另一方面,空間碎片分布不均勻,與軌道高度、傾角等有關(guān). 研究發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)碎片分布在傾角60°至110°的區(qū)域內(nèi). 因此,雷達(dá)站緯度越高,越有可能探測(cè)到更多的空間碎片[5]. 在北極地區(qū)觀測(cè)的空間碎片數(shù)量較多,主要是因?yàn)榈乩砭暥雀?空間碎片分布相對(duì)密集,因此單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)的空間碎片數(shù)目多.

圖4 單位天數(shù)內(nèi)探測(cè)到的空間碎片數(shù)目分布Fig.4 The number of space debris detected per day

分析不同軌道高度空間碎片數(shù)量的日變化特征,選取四個(gè)特定軌道高度分別為:350 km、860 km、1 460 km、1 960 km,統(tǒng)計(jì)得出其對(duì)應(yīng)的碎片數(shù)量變化趨勢(shì),如圖5所示．由圖5可知:860 km處碎片數(shù)目占比和波動(dòng)較大;1 460 km處次之,數(shù)目起伏較小;350 km和1 960 km處碎片數(shù)量幾乎沒有變動(dòng),較為穩(wěn)定. 此處得到的空間碎片占比符合之前得到的空間碎片主要高度分布區(qū)間[14].

同時(shí)由圖5可看到,860 km附近的碎片數(shù)量出現(xiàn)兩個(gè)峰值,間隔約五個(gè)月,其他三個(gè)軌道高度區(qū)間均無此現(xiàn)象. 進(jìn)一步分析860 km附近其他高度上有無此現(xiàn)象,因此縮小高度步長(zhǎng),選取接近860 km的四個(gè)軌道高度:750 km、800 km、900 km、950 km. 結(jié)果發(fā)現(xiàn),除了860 km外其他四個(gè)軌道高度上均無此現(xiàn)象. 已知近地空間碎片運(yùn)動(dòng)周期約90～120 min,因此圖5中860 km的空間碎片數(shù)目出現(xiàn)5個(gè)月前后突增突減起伏,很可能是受到某個(gè)空間活動(dòng)的影響,從而發(fā)生了劇烈變化.

圖5 四個(gè)特定高度上空間碎片的數(shù)目變化情況Fig.5 Variation of the number of space debris on four specific orbital heights

進(jìn)一步對(duì)比分析空間碎片分布特征在夏季和冬季的差別,取5天觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理,分別為:2007年的5月28日、5月29日、6月3日、6月4日、6月5日和2008年的1月20日、1月21日、1月23日、2月3日、2月10日. 如圖6所示， 在高度上,2007年5—6月空間碎片數(shù)量主要分布在800～900 km以及990～1 050 km,850～870 km期間出現(xiàn)碎片數(shù)量峰值,2008年1—2月碎片主要分布在800～1 050 km,碎片數(shù)量較為均勻. 因此從八個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間尺度來看,空間碎片數(shù)目在700～1 050 km的軌道高度區(qū)間上有發(fā)散趨勢(shì). 2007年5—6月5天共探測(cè)到5 763個(gè)碎片,2008年1—2月5天共探測(cè)到6 823個(gè)碎片,835～885 km高度上空間碎片數(shù)量增加明顯,1 435～1 485 km的空間碎片數(shù)目變化很小.

圖7為2007年夏季和2008年冬季在不同高度上的空間碎片數(shù)目分布.由圖可看出,空間碎片徑向速度主要分布在-1～-0.5 km/s和0.5～1 km/s區(qū)間．從八個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間尺度來看,速度主要分布區(qū)間依然不變,但是2008年1—2月探測(cè)的空間碎片數(shù)目較2007年5—6月增加很多. 另外還可以看到:正向速度上空間碎片數(shù)目變化較為規(guī)律,幾乎同等增長(zhǎng)200個(gè)左右,峰值個(gè)數(shù)從740個(gè)增加到930個(gè);而負(fù)向速度上數(shù)目增長(zhǎng)不太規(guī)律,其中速度為-0.7 km/s的碎片個(gè)數(shù)增長(zhǎng)最多,約從680個(gè)增加到950個(gè),零值速度附近幾乎無變化,其他地方增加100個(gè)左右.

(a) 2007年夏季(a) Summer, 2007

(b) 2008年冬季(b) Winter, 2008圖6 2007年夏季和2008年冬季不同軌道高度上的空間碎片數(shù)目分布Fig.6 The number distribution of space debris with different orbital heights in the summer of 2007 and in the winter of 2008

(a) 2007年夏季(a) Summer, 2007

(b) 2008年冬季(b) Winter, 2008圖7 2007年夏季和2008年冬季在不同速度上的空間碎片數(shù)目分布Fig.7 The number distribution of space debris with different velocities in the summer of 2007 and in the winter of 2008

圖8為2007年夏季和2008年冬季在不同等效尺寸上的空間碎片數(shù)目分布.空間碎片等效尺寸仍然主要分布在3～10 cm,從八個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間尺度來看,其主要分布區(qū)間仍然不變. 但是值得注意的是,等效直徑在2～3.1 cm的碎片數(shù)目變化異常,約從1 300個(gè)減少到100個(gè),這應(yīng)該與2007年5月特別空間事件造成的碎片數(shù)目突增有關(guān),同時(shí)說明當(dāng)時(shí)事件產(chǎn)生了大量小尺寸空間碎片. 3.1～6 cm區(qū)間的空間碎片數(shù)量增多,可能是由于更小尺寸的空間碎片相互碰撞與合并等產(chǎn)生的.

(a) 2007年夏季(a) Summer, 2007

(b) 2008年冬季(b) Winter, 2008圖8 2007年夏季和2008年冬季在不同等效尺寸上的空間碎片數(shù)目分布Fig.8 The number distribution of space debris with different equivalent diameters in the summer of 2007 and in the winter of 2008

2.3 空間碎片數(shù)目的地方時(shí)變化特征對(duì)比

如圖9所示,每隔三個(gè)月選取一天特定探測(cè)的日期,對(duì)比分析得出碎片數(shù)量在地方時(shí)上的變化特征. 由圖看出,碎片分布存在一定規(guī)律,在上午6—8LT和下午12—14LT空間碎片數(shù)目變密集. 其中最為突出的是以2007年5月13日為代表的夏季時(shí)期,在上午6—8LT和下午12—14LT期間出現(xiàn)碎片數(shù)量異常猛增的情況,這與當(dāng)時(shí)的某特定空間事件有關(guān).

圖9 空間碎片數(shù)目的地方時(shí)變化特征對(duì)比Fig.9 The temporal number variation comparison of space debris

3 討論與總結(jié)

本文研究結(jié)果與國(guó)內(nèi)學(xué)者[9-14]以往觀測(cè)研究結(jié)果基本一致:空間碎片主要分布在800～1 050和1 400～1 600 km兩個(gè)軌道高度區(qū)間,并且在800～1 000 km空間碎片數(shù)目明顯高于其它探測(cè)距離門區(qū)間;徑向速度約-1.25～1.25 km/s;等效直徑主要分布在3～10 cm. 文章基于與EISCAT合作獲取的大量數(shù)據(jù),進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析得出一些有意義的結(jié)果,完善我國(guó)對(duì)北極空間碎片特征分布變化的認(rèn)識(shí). 從數(shù)天的短時(shí)間尺度來看,空間碎片數(shù)目分布變化較小;從八個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間尺度來看,空間碎片的高度、速度和等效尺寸參數(shù)主要分布區(qū)間仍然不變,但是碎片數(shù)量增加明顯,并且在860 km有約135天的突增突減變化. 從地方時(shí)分布來看,在上午6—8LT和下午12—14LT空間碎片數(shù)目呈現(xiàn)變密集的趨勢(shì). 以上結(jié)果有助于加深對(duì)北極空間碎片分布特征的認(rèn)識(shí),對(duì)我國(guó)空間碎片建模與預(yù)警具有重要參考意義.

但是由于EISCAT 500 MHz雷達(dá)采用波束駐留方式進(jìn)行空間碎片探測(cè),主要是對(duì)穿越雷達(dá)波束內(nèi)的空間碎片流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,不能對(duì)空間碎片進(jìn)行識(shí)別、跟蹤、定軌和編目. 因此,基于空間碎片重返周期一般為90～110 min,本文統(tǒng)計(jì)73天內(nèi)探測(cè)到的空間碎片總數(shù)目為88 679個(gè),其中可能存在被重復(fù)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)的情況. 另外,所提取的空間碎片參數(shù)(距離、速度和信噪比等)精度還需進(jìn)一步分析驗(yàn)證. 這些是本文下一步工作計(jì)劃.

致謝:本文數(shù)據(jù)來自于EISCAT,在此表示感謝.