空间目标探测相控阵雷达担负着近地空间新目标的发现、已有过境目标的跟踪、轨道维持，以及空间目标编目、成像、识别、特性研究、威胁评估等任务。为了完成雷达系统担负的多种任务，空间目标探测相控阵雷达系统具有多种工作方式，它们对系统设计、主要指标的确定，具有重大的影响。
空间目标探测相控阵雷达的作用距离大约为3000～5000km，系统规模大，设备复杂，大多采用固定式天线阵面设计（阵面不进行机械运动）。其监视范围是测量站坐标系中方位、俯仰的电扫描范围。为了扩大空域覆盖，可以采用多个阵面设计，例如，可以采用双面阵将方位观测范围扩大到±120°，可以采用三面阵、四面阵实现360°的全空域覆盖。
空间监视的目标与监视设备间存在相对运动。对地基空间目标探测相控阵雷达而言，其运动是地球自转引起的自西向东的运动；对空间目标而言，是近似的南北运动。这两者合成了设备与目标间的相对运动，形成雷达设备的监视能力［1］。
分析空间目标探测相控阵雷达的空间监视能力，需要将方位、俯仰范围转换为相对于地心的经度（地球自转方向）、纬度（目标运动方向）范围。在完成转换后，其空间监视能力可按下式计算，即［1］
其中，n为目标运动角速度；ω为地球自转角速度；ΔL为雷达监视经度范围；L为东西（经度）方向的单位矢量；ΔB为雷达监视纬度范围；B为南北（纬度）方向的单位矢量；Δt为雷达设备的工作时间。
从式（3.1）可以清楚地看出：
（2）相同的ΔL比ΔB可带来更多的效益，故应尽量增大ΔL的值，而ΔB只要满足初轨确定的弧长即可。
空间目标探测相控阵雷达布设在地面，对不同轨道高度的目标在不同观测仰角情况下，观测距离不相同。根据监视空域的范围、空间目标的RCS，估算出雷达系统的威力需求，雷达面向赤道。
图3.1 雷达站与空间目标的几何关系
图3.1给出了雷达站与空间目标的几何关系，利用下面的公式可以计算出观测不同高度、不同仰角时空间目标的距离。
其中，β为地心角；E为雷达波束仰角；Re为地球半径；H为目标轨道高度。
表3.1为不同轨道高度、不同仰角情况下空间目标的观测距离。
表3.1 轨道高度为300～2000km、不同仰角空间目标的观测距离
雷达搜索5°监视屏，对轨道高度为300～900km的轨道目标，搜索距离范围为1500～3000km；搜索25°监视屏，对轨道高度为900～2000km的轨道目标，搜索距离范围为1600～3400km。
相控阵雷达的角度工作范围是指雷达的波束搜索范围，以方位、俯仰表示，是相对于雷达所在地的搜索范围。而空间目标是环绕地球运动的，需要将雷达所在地的搜索范围折算到地球经度与纬度范围，才能确定对空间目标的角度覆盖。
将雷达所在地的搜索范围折算到地球经度与纬度范围，还与雷达站址、阵面方向、目标高度有关。雷达波束搜索范围越大，折算到地球经度与纬度范围也就越大，能够跟踪测量的轨道弧长就越长。
空间目标是环绕地球质心运动的，大部分呈南北向，运动分界面是地球的赤道面，雷达阵面应该面向赤道，以获取最大的有效搜索范围。
图3.2 空间目标探测相控阵雷达结构示意图
阵面倾角是与性能密切相关的参数。从相控阵天线设计的角度出发，在满足空间覆盖要求的条件下，选择阵面倾角要使波束在电扫范围内扫描时偏离阵面法线的最大角度越小越好；另外，波束偏离阵面法线的角度变大，天线增益会变低，波束宽度也增大，在系统设计上，希望在最大作用距离的方向，具有较高的天线增益，所以波束偏离阵面法线的角度越小越好。
空间目标探测相控阵雷达，在探测轨道高度一定的情况下，低仰角处目标距离远，运动角速度小，高仰角处目标距离近，运动角速度大。在系统详细设计时，必须根据综合性能与探测威力范围选择阵面倾角。图3.2给出了空间目标探测相控阵雷达结构示意图。
如果近地空间目标按6615个考虑，假定均匀分布在300～1600km的近地空间内，则单位体积内目标密度为
其中，Re为地球半径，Re＝6378.135km；H1＝300km；H2＝1600km。
空间目标探测相控阵雷达波束扫描范围是锥角为120°的圆锥，若不考虑地面对俯仰方向扫描的限制，波束扫描的空间是锥角为120°的球扇形，球的半径为雷达测量距离。目标数为该空间体积与单位体积内目标密度的积。
目标数与雷达测量距离R的关系见图3.3。
图3.3 雷达覆盖空域内的目标数
从图3.3可看出，2000km内目标数为62个，3000km内目标数为212个。由于计算单位体积内目标密度用的是300～1600km的目标数，1600～20 000km的目标数极少，所以2000km以外的目标数没有如图3.3所示的多。
仿真分析表明，在雷达阵面方位指向为180°时，2000km内卫星与碎片目标数最大为70个，24h内平均为45个，与上述计算基本相当。考虑适当的余量及空间目标可能增多的趋势，同时测量目标数取80～100个。
空间目标包括大量人造卫星、载人空间站、弹道导弹及由爆炸或碰撞产生的大量垃圾———空间碎片。空间目标RCS与空间目标形状、材料及雷达波长等有关。
图3.4 卫星整体模型
1）人造卫星
随着空间技术的应用与发展，卫星已成功应用于科研、通信、导航、气象、侦察、预警等多个领域。当前，世界各国在空间有一千多颗卫星，其中有超过半数的卫星属于美国。典型卫星一般由卫星结构和有效载荷两个部分组成。太阳能电池帆板占据了卫星可见面的大部分，通常可以当作理想导体处理。热涂层是另一种重要的结构组成部分，这种材料由两层组成，内层是褶皱层，外层是光滑的金箔层。测量结果表明，当频率很高时，相对平坦的表面也变得不平坦了，与理想平板存在一定差异。
卫星整体模型如图3.4所示。图3.5、图3.6分别给出了卫星L波段、X波段两种极化RCS的仿真。
图3.5 卫星在L波段全向RCS
2）空间碎片
人类在开发利用空间技术的同时，也在制造大量的空间垃圾，即空间碎片。空间碎片是人类空间活动的废弃物，是空间环境的主要污染源。
美国利用Haystack等雷达在2～18GHz（波长为15～1.67cm）波段内对小尺寸空间目标的RCS进行观测，测量结果如图3.7所示。
图3.6 X波段的单站RCS曲线
图3.7 空间目标RCS的平均值
在图3.7中，L为目标尺寸；λ为雷达波长；σ为目标RCS。该图画出了空间目标的σ／λ2与L／λ的关系，在L／λ≈0.3处有明显的转折，在L／λ≤0.3时，RCS随L／λ的减小而急剧减小［2］。
空间目标探测相控阵雷达的分辨率是指在空间多目标群中雷达能否将两个或两个以上邻近目标区分开来的能力，分辨目标依靠雷达测量目标参数之间的区别。雷达系统测量目标的参数包括位置参数（距离、方位、俯仰）和运动参数（速度等），只有一个或一个以上的参数具有足够的差别，才能区分两个目标。影响分辨率的因素很多，如发射信号波形、目标回波信噪比、阵列天线波束形状（阵列天线波束宽度随扫描角变化）、信号处理方法等。这里讨论的是忽略噪声、采用最佳信号处理条件下空间目标探测相控阵雷达的固有分辨率。
空间目标探测相控阵雷达多采用两维固态有源相控阵雷达体制，雷达的角度分辨率取决于雷达天线系统波束在方位、俯仰上的3dB点的宽度。波束宽度的大小要综合考虑角度分辨率、测角精度、搜索扫描空域时间、天线增益、副瓣电平等的要求。
当空间目标探测相控阵雷达采用大时宽、大带宽线性调频（LFM）信号时，具有很高的距离分辨率。美国地基雷达（GBR）采用1000MHz瞬时带宽，距离分辨率达到0.15m。
空间目标探测相控阵雷达的横向距离分辨率，在采用大时宽带宽积的信号形式下，基于目标围绕雷达视线的旋转产生的目标各散射点的多普勒频率差而获得。
雷达系统测量精度是空间目标探测相控阵雷达的重要技术战术指标，是有效识别空间目标、空间威胁目标预警的保障条件。
1）定轨精度、测角精度与测距精度的决定因素
空间目标探测相控阵雷达通过测量目标飞行一段弧长上不同时间的位置参数、速度参数，即可精确测量空间目标的轨道参数（轨道倾角、长半轴、短半轴、偏心率、近地点赤经、升交点辐角）。雷达测量弧段越长，位置精度越高，雷达系统对空间目标的定轨精度就越高。
空间目标探测相控阵雷达测角精度主要取决于阵列天线的波束宽度和目标雷达回波信噪比。测距精度则主要取决于信号的瞬时带宽和目标雷达回波信噪比。
2）不同应用设计的不同精度要求
针对不同的应用设计，提出了不同的精度要求。
（1）空间监视预警雷达的精度要求如下。
跟踪数据率：自适应分配。
跟踪精度：满足预警需求。
（2）空间监视高分辨成像识别雷达的精度要求如下。
跟踪数据率：自适应。
跟踪精度：满足目标分类、识别方法需求。
3）测量精度主要考虑的方面
雷达系统工程师根据系统作战任务的需求，进行系统设计，测量精度主要考虑以下几个方面［3］。
（1）与雷达设备有关的误差如下。
测角误差：包括天线单元的幅度和相位误差对指向精度的影响、数字移相器的量化误差对指向精度的影响、接收机系统热噪声、单脉冲和差通道间隔离度、电轴漂移等。
测距误差：包括热噪声、距离－多普勒耦合、脉冲抖动。
（2）与目标有关的误差如下。
测角误差：包括目标闪烁、动态滞后等。
测距误差：包括目标闪烁、动态滞后等。
（3）与电磁波传播有关的误差。包括对流层折射、电离层折射等。
空间目标探测相控阵雷达系统作用距离远，信号重复频率低，用于跟踪的数据率较低，主要是通过提高单次测量目标信噪比，提高测量精度；同时可以利用空间的标校卫星，对雷达系统误差进行标定，提高雷达的测量精度，改善定轨精度，提高空间目标分类、识别能力。
空间目标探测相控阵雷达通过测量数据对目标进行定轨。定轨能力取决于以下几个方面：测量数据的种类与精度、测量数据的分布与时间长度、定轨方法。
空间目标探测相控阵雷达能提供测距、测角或测速数据，使用这些数据进行定轨。
空间目标探测相控阵雷达阵面固定不动，跟踪弧段小于天线方位、俯仰机械轴能转动的跟踪雷达，因此应尽可能扩大阵面的电扫范围，以便延长跟踪弧段与跟踪时间。
在搜索与跟踪能量的分配上，必须采取措施，例如，将搜索区域限制在目标进入的高仰角或低仰角处，分段搜索，分屏搜索，提高跟踪能量的比例，保证测量数据率。
轨道确定算法包括两部分内容，一是初轨确定算法，二是精密定轨算法。初轨确定是利用单圈观测资料快速计算目标的轨道根数；精密定轨是通过初轨计算结果，利用多圈测量数据及各种摄动因素，采用数值方法确定精确轨道。
和平时期，空间目标探测相控阵雷达用于空间目标的发现、监视、编目、分类、识别。在非和平时期，空间目标探测相控阵雷达可以应用于军事目的，通过对空间目标的监视、预警、分类、识别，支持空间防御。雷达系统设计师在设计空间目标探测相控阵雷达时，要充分考虑复杂电磁环境下雷达系统的对抗能力及生存能力。现代的多种雷达对抗措施，都可以应用到空间目标探测相控阵雷达。
1）空间目标探测预警相控阵雷达的主要技术指标
波束扫描范围：120°的圆锥。
阵面倾角：45°。
目标数：80～100；
作用距离：RCS为1m2，约6000km。
空间目标探测相控阵雷达是常年值班雷达，系统要求采用冗余设计，提高系统的可靠性。
2）空间目标探测高分辨成像识别雷达的主要战术指标
波束扫描范围：30°，机扫加电扫满足大空域覆盖要求。
系统瞬时带宽：≥1000MHz。
作用距离：RCS为1m2，约4000km。
空间目标探测相控阵雷达布站最基本的原则是获取尽可能强的探测能力。空间目标探测相控阵雷达方位扫描范围一般大于俯仰扫描范围，因此大型固定阵面的相控阵雷达应将其探测范围大的方位面面向南北方向布设。也就是说，将低纬度地区的设备面南布设，将高纬度地区的设备面北布设，以获得大的监视范围［1］。
大型空间目标探测相控阵雷达的作用距离远，是空间攻防体系中的主要传感器，其阵地固定、电磁辐射能量大的特点，造成了难于伪装和隐蔽及抗打击能力薄弱，所以研究解决大型相控阵雷达的防护问题是非常必要的。大型相控阵雷达的防护应从雷达系统本身的设计、阵地部署和整个空间监视网络系统等方面加以解决。6bIb4bW6NKtp1cVAtJCSBhDvcqgk4qaeRYVZFmpigtU5DjeCtZWiLoeYcsia0tp5