上天真“香”-天基预警雷达初揭秘

前言：

天基预警雷达概念提出的出发点是将地基预警雷达搬到天上，以便实现站的高看得远的目的。但是天基预警雷达的概念从提出到现在已经过去超过三十年，除了目前已经广泛用于遥感的星载合成孔径雷达（SAR），实际上并没有真正用于预警功能的雷达出现在天上。近年了，随着技术的进步以及电源、天线技术方面的突破，把雷达放到天上的想法又开始萌动。

天基雷达如果用于预警探测，其所面临的系统设计、性能约束、信号处理等方面有哪些难题呢？曲老师准备用几个专题，慢慢跟小伙伴们聊一聊。今天先跟大家简单聊聊天基预警雷达的基本概念、关键技术以及历史发展吧。

一、天基预警雷达的军事需求

现阶段能远距离发现导弹、飞机的预警探测系统主要是地面的大型相控阵雷达 、天波和地波超视距雷达 、空中的机载预警雷达，但是这些雷达有着自身的局限。对于地面大型雷达而言，虽然其可以远距离发现高空目标 , 但是它不能远距离发现中低空目标 , 同时这些雷达站一般建立在远离国境线的安全地带 , 因此只能发现再人段的远程弹道导弹；天波和地波超视距雷达有远距离发现低空目标的能力 , 但其探测精度比较差 , 雷达性能受电离层影响比较大，也只能观测到再人段的弹道导弹。空中的机载预警雷达系统虽然能较远距离发现低空人侵的空中目标 , 但其威力的范围有限，而且受到留空时间限，不适用于长期的预警监视任务 。天基预警雷达系统由于平台高、威力远 、滞空时间，有可能是不缺这些短板的选择。

二、天基雷达有哪些？

天基雷达如果按照功能，大致可以分成三类：

第一类为空间交会雷达，这类雷达主要用于空间飞行器进行交会对接，其主要是为两个飞行器对接时提供对接目标的距离、速度、角度等信息，空间交会对接雷达一般作用距离很近（10公里），规模很小，实现功能单一。

第二类天基雷达是星载合成孔径雷达（SAR），这类雷达属于成像雷达，主要是提供地球表面高分辨图像，该类雷达采用合成孔径技术实现方位向的高分辨，能够不受天气影响，全天候、全天时的提供不同于光学的高分辨雷达图像，所提供的图像有类似于光学图像的特征，但是雷达图像反映的是目标区域被雷达波照射后的后向散射强度的差异，最常见的雷达图像是用灰度图的形式表示，亮的区域属于反射强的区域，暗的区域属于漫反射或者散射比较弱的区域。

典型星载合成孔径雷达

合成孔径雷达图像

第三类雷达就是我们要讨论的天基预警雷达，这类雷达主要的观测对象是陆海空天的运动目标，实现对目标的探测、跟踪，获取目标的位置、速度等信息，弥补地基预警雷达探测系统的盲区，实现全天时、全空域的预警探测。

三、天基预警雷达基本认知

天基预警雷达主要的功能是进行大范围的预警监视任务，因此监视目标是位于陆海空天的各类运动目标。天基预警雷达采用主动探测模式，即雷达向扫描空域辐射电磁信号，接收机依靠有效检测目标回波信号实现对目标信息的获取。由于天基预警雷达在“天上”，因此其部署不受国界、天气和时间的限制，通过合理的星座设计，能够实现对全球目标的预警探测，并且预警时间长，能够探测的目标种类多，从海面舰船、空气动力学目标甚至是弹道导弹、卫星、临近空间飞行器、轨道武器等都可能实现预警监视。天基预警雷达是非常具有挑战性的雷达工程，其所涉及的技术难度非常之大。

关于星载合成孔径雷达是否属于预警雷达，在业界存在一定的争议。从功能上上看，星载合成孔径雷达主要的任务是“遥感”成像，从这个角度看，其不能化为预警雷达的行列，一方面预警探测任务讲究的是“实时性”，目前大多星载合成孔径雷达星上的处理能力不强，所获得原始数据在地面做成像处理；另外一方面，由于星载合成孔径雷达所担负的战略侦察的使命使其不能称为“预警”雷达。然而由于星载合成孔径雷达具有地面动目标检测GMTI以及空中动目标检测AMTI的功能，如果能够实现星上的实时动目标检测能力，将其称为“预警”雷达也并不过分，但是由于星载合成孔径雷达由于其“遥感”雷达定位，限于其成像方式，其所采用的比较固定扫描式的工作方式，包括条带式、聚束式等比较固定的波束扫描，其不可能像真正的预警监测雷达实现大空域的扫描和跟踪，因此曲老师认为，把星载合成孔径雷达称为预警雷达是不合适的。但可是，如果天基预警雷达能够实现合成孔径成像和预警探测体制于一身的天基预警雷达，还是很“香”的一件事情！不过这也可能是闻起来香，但可能吃不到啊！

四、天基预警雷达的发展简史

美国自 1960 年以来，持续开展天基雷达的研究，在合成孔径雷达( 星载 SAＲ) 领域取得巨大成功，并且突破了诸如大面积天线、在轨实时信号处理等共性关键技术。

从20 世纪90 年 代开始，美国空军开始讨论把机载预警控制系统 和联合监视目标攻击雷达系统 向天基系统转移的技术需求和实现的可行性，并且评估天基系统实现功能所需要的卫星数目、天线的孔径、功率和重量等参数。

此外，在20世纪90年代，美国展了天基-空基双基地传感器研究，主要是利用天基发射机与天基和空基无人机接收的体制，研究实现更轻、低功率、可行的天基预警雷达星座设计，以及收发分置的发射和接收装置。主要的思路建议采用的设计方案是在中轨上布置一个大的雷达发射机，在低轨上布置接收机; 在 LEO 上布置发射机，在飞机或 无人机上布置接收机; 通过引入雷达双基地的思想，从而降低对探测系统功率孔径积的需求。这种双多基地配置的天基预警雷达体制在我国也有不少研究。

从2001年开始，美国开始天基雷达计划的研究（SBR），该计划源于Discoverer II 计划，但是SBR的目标是研发合成孔径雷达 ，提供地面动目标指示( GMTI) 和高分辨地形信息 。在这个计划中，星载雷达采用 X 频段大口径天线，采用 STAP 空时联合自适应信号处理方法抑制地杂波，用于检测机动弹道发射车等慢速移动目标。由于所涉及的天线孔径比较大，因此雷达波束非常窄，由于窄波束应用于大空域搜索的能力不足，只能在指定的小范围区域内搜索，要实现对运动目标的探测跟踪需要其他设备给于引导信息，因而其自主预警探测的能力非常有限。因此从功能上而言，天基雷达计划要实现的并不是天基预警雷达的功能，其本质还是一个覆盖全球的星载合成孔径雷达系统。

由于美国天基雷达计划总项目预算达340亿美元，根据美国审计署发布的报告，如果该计划实施，到2027年，SBR计划的研发、制造以及运行成本在200亿美元到250亿美元之间，这将是美国国防部有史以来最为昂贵的系统。后期由于技术的问题，项目一再拖延，其昂贵的预算使美军方难以承受，2000 财年，美国国会认为该计划 的 需 求 不 清， 与 国 家 侦 察 局 的 未 来 成 像 体 系（FIA）任务分工不明，且缺乏从演示验证到实际应用的方案或设想， 最终天基雷达技术胎死腹中。

五、美天基预警雷达的研究

在天基雷达的研究上， 美国主要选择了两种波段的雷达进行研究，分别是 L 波段和 X 波段。X波段的雷达主要用于合成孔径成像与地面动目标检测，其本质不能称为天基预警雷达，采用 L 波段的大型 L 波段天基预警雷达系统联合技术演示概念研究计划 ( LLSBR)计划则主要是实现 AMTI，后者对于美国空军而言更具吸引力。

美国空军列出了LLSBR计划的六项基本技术领域，主要包括: 大面积相控阵天线技术、星上实时处理技术、动目标指示技术、雷达信号处理算法、信息管理技术、飞行器控制技术等。其中大面积天线及展开机构、在轨高数据率信号处理两个技术是最为关键的技术。美国空军为了避免电离层扰动对雷达探测的影响，同时更好地实现空中动目标指示( AMTI) 能力，择优选择L波段作为最终的系统频段。该计划的研究对象为运行在低轨的 L 波段天基雷达系统， 不仅可以探测慢速的地面动目标、高速空中动目标的能力，还具备合成孔径雷达成像能力，该计划的首要任务是演示天基雷达的 SAR 模式和 AMTI 模式。

LLSBR系统设计为 L 波段天基预警雷达系统，采用大面积相控阵天线并具有在轨实时处理能力，可进行合成孔径雷达成像( SAＲ模式) ，也可以对进行动目标指示( AMTI模式) 。SAＲ功能需求由 NASA 提出，主要用于森林资源普查和土壤湿度探测; AMTI 功能需求由美国空军提出，主要用于对 2 平方米的飞机动目标探测，在 10s 数据率下，监视区域面积为 250公里 × 250 公里。综合考虑电离层扰动对雷达探测影响，结合天基预警雷达的系统指标，在 P 波段至 S 波段之间优选了 L 波段，天线面积为 50 米× 2 米 = 100平方米，同时在轨实时信号处理完成飞机目标的检测后，以低数据率向战场指挥系统分发目标航迹信息。

L 波段轻质天基雷达( LLSBＲ) 展开机构

美创新天基雷达天线技术演示图

六、天基预警雷达的关键技术

天基预警雷达为了能够远距离发现空中和太空中的目标，需要上百平方米的天线和几十千瓦的辐射功率，同时系统组成复杂、作战要求高、技术难度大， 国外目前也只在进行关键技术攻关，所涉及到的关键技术主要包括天基预警雷达总体技术、天基预警雷达星座设计技术、大型轻质有源相控阵天线技术、大孔径天线展开技术、先进信号处理技术、低能耗初级电源技术等等。

在这些技术中最为核心关键技术技术是大型轻质有源相控阵天线以及在轨展开技术以及先进的信号处理技术，因为天基预警雷达要求的天线面积非常大，如果不采用特殊结构的轻型天线， 将会使整个卫星平台和运载火箭无法承受。同时，为了能够在地球杂波中检测到如导弹这样的小目标，要求天线的副瓣极低。大型、轻型、和低副瓣有源相控阵天线技术是天基预警雷达首先必须解决的关键问题，另外天基预警雷达的天线阵面孔径达到几百平方米量级， 大大超过星载合成孔径成像雷达的需求。因此，为了满足运载火箭的装载要求及展开后的作战要求， 整个天线面具有很高的平面度， 以保证天线的副瓣和指向精度。这对天线展开机构提出了很高的要求。 其次由于天基预警雷达在地球背景下观测空间、空中、地面各种运动或静止的复杂目标， 需首先对目标及其背景的特性进行深入研究，积累必要的数据，包括强地物杂波特性、强地物杂波背景下目标特性的提取等。此外与机载检测平台相比， 天基雷达的杂波受到很高的卫星速度和地球自转的影响。因此，天基预警雷达必须要考虑地球的科学特征，才能够完成对空中和地面慢动目标的检测。 

虽然当前并没有明确证据表明美国正在研制或部署天基预警雷达卫星，但美国在天基预警雷达所需的大口径轻量化相控阵天线和在轨信息处理等关键技术方面已经有所突破，完成了地面演示验证和关键技术攻关，完全具备在轨飞行能力。虽然美国尚未形成天基预警雷达系统军事装备，但 MTI Ｒoadmap 研究计划已对其发展进行了规划，长远规划是在 2025 年前实现一个功能完整的天基雷达系统，即便其全球覆盖策略所带来的经费成本偏大，难以一步实现，但目前很有可能正在发展针对重点区域预警监视的天基预警雷达。

参考文献：

[1]美国天基预警雷达发展历程及现状分析[J].李 青，林幼权，武 楠 .现代雷达.2018(1).

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[3]天基预警雷达探测系统的发展[J]. 左群声,林幼权,王友林.  电子科学技术评论. 2004(03)