地基雷达探测技术的优化方案

地基雷达是空间碎片的重要测量设备，探测空间碎片所用的地基雷达一般为机械扫描雷达或相控阵雷达，其外观分别如图2-2和图2-3所示。

图2-2　机械扫描雷达（见彩插）

图2-3　相控阵雷达（见彩插）

机械扫描雷达利用抛物面反射天线的机械控制来改变天线瞄准方向，从而实现波束定向，一般用于航天器、运载火箭末级和大尺度空间碎片的观测。相控阵雷达则是一种电子扫描雷达，它采用相控阵天线，通过数字电子技术改变发射器的相位，使雷达波束指向预定的搜索范围。相控阵雷达的波束指向变化速度快，并且能够同时跟踪观测多个目标，具有很强的目标搜索和跟踪观测能力，能够对低地球轨道上的大尺寸空间碎片进行有效的探测。

由于受到雷达自身发射功率和工作波长的限制，以及地面杂波和大气损耗的影响，地基雷达较难实现对远距离、小尺寸空间目标的探测。对于LEO区域的小尺寸空间物体的探测，可以通过提高雷达发射功率与工作频率来实现，而对于更高轨道上的小尺寸物体，目前难以实现有效探测。

现阶段，美国与俄罗斯都建立了各自的空间碎片雷达探测网络，负责对大尺寸空间碎片开展例常性观测。HAX雷达和Goldstone雷达是美国用于探测小空间碎片的两部雷达，其中HAX雷达能够观测到距离地面1 000 km高度处2 cm大小的空间物体，而Goldstone雷达能够观测到距离地面500 km高空上0.2 cm大小的空间物体，并且能提供空间碎片环境的统计图。

另外，德国的跟踪成像雷达（Tracking and Imaging Radar，TIRA）也具有很强的探测能力。TIRA雷达采用直径34 m的碟形天线，工作在L波段，该雷达能够探测到距离地面1 000 km高空上2 cm大小的空间物体。TIRA还可以与附近的Effelsberg射电望远镜的100 m直径接收天线配合使用，在这种“双基”模式下，能够探测到1 000 km高空上1 cm的物体。双基模式探测的示意图如图2-4所示。

图2-4　双静态雷达扫描示意图（见彩插）

欧洲非相干散射科学协会（EISCAT^[4]）在挪威的特罗姆瑟设置了930 MHz的UHF雷达和225 MHz的VHF雷达。该协会在斯瓦尔巴群岛朗伊尔城还设置了一个如图2-5和图2-6所示的500 MHz雷达系统，该系统由一个可操纵的直径为32 m的雷达和一个固定的直径为42 m的雷达组成。EISCAT雷达网络的主要任务是进行电离层测量。通过将观测数据传回到专用空间碎片计算机，这些雷达能够实现对LEO碎片进行观测统计，精度可达厘米级。经过试验，EISCAT雷达系统能够实现在波束-停放配置中连续监测LEO碎片群。

图2-5　EISCAT朗伊尔城雷达系统图（1）（见彩插）(www.xing528.com)

图2-6　EISCAT朗伊尔城雷达系统图（2）（见彩插）

斯坦福大学的空间环境与卫星系统实验室与欧洲非相干散射协会合作，使用位于EISCAT的地面雷达观测设施对低轨空间碎片环境进行了观测。该地面测量设施曾用于观测某次碎片碰撞事件，获得了如图2-7所示的探测结果^[5]，图中的每一个条纹都代表一个空间碎片。相关研究尝试根据此探测结果总结碎片的变化特点，并通过建立模型将测量雷达有效截面与碎片形状关联起来，用于预测在轨碎片的轨道演化。

图2-7　斯坦福大学观测站碎片测量结果（见彩插）

欧洲的应用科学研究机构在德国瓦特贝格设置有一台直径为34 m的碟形雷达，用于对空间碎片进行探测、追踪与成像，该机构与许多空间科学研究机构如欧洲航天局（European Space Agency，ESA）等均开展了空间碎片方面的合作研究。ESA在2002年的《空间碎片探测、追踪、成像》报告^[6]中详细描述了这台碟形雷达，它能使用狭频带单脉冲L波段进行追踪和Ku波段进行高分辨率成像。为了阻隔气象条件带来的影响，这台雷达安置在直径为49 m的雷达罩内，峰值功率为13 kW，脉冲持续时间为256 ms，带宽为800 MHz。这台雷达不仅用于在轨空间碎片的探测追踪，还能够分析空间碎片的环境特性、对在轨飞行目标进行成像等。