经典雷达资料-第22章__天基雷达(SBR)系统和技术

第22章 天基雷达（SBR）系统和技术

Leopold J. Cantafio

22.1 引言

自从本《雷达手册》第一版于1970年发行以来，天基雷达（SBR）的系统和技术取得了显著地发展。一种为航天飞船设计的新型轨道交会雷达已投入应用。无人轨道机动飞船（OMV）将使用一种新型的价格低廉的轨道交会雷达。这种雷达预计在20世纪90年代初投入工作。SAR类型的天基雷达已经应用于地球和行星探测。许多卫星上都配备了测高仪。在天线、发射机、接收机、固态发射/接收（T/R）组件、信号处理以及主电源等方面的SBR子系统技术已经被开发。本章将综述SBR系统和技术。为了使内容实在，而不是肤浅地泛泛而谈，本章将重点选择几个系统和技术进行讨论。我们将讨论用于轨道交会任务、地球和行星探测任务的几个SBR系统，主要讨论太空环境、轨道选择、雷达得失、利弊权衡、优缺点等关键问题，有许多课题如电子对抗等问题不得不忽略掉。本章可视为雷达系统在新的发展前沿动态报告，要想更加详细地了解SBR，请查阅Artech House公司出版的《天基雷达手册》。 22.2 SBR系统需要考虑的问题

SBR的类型

已经建立的现有的SBR有3种类型。第一种典型的SBR是小型近程轨道交会雷达，如那些用在航天飞机、“双子星座（Gemini）”和“阿波罗（Apollo）”宇宙飞船项目中的雷达[1]~[4]。第二类SBR包括用于绘图、散射仪、测高及地下勘探的地球和行星资源探测的雷达[5]~[9]。侧视SAR技术是绘图雷达中的典型代表，如在1978年6月发射的海洋卫星和1981年11月发射的航天飞机中所用的航天飞机成像雷达—A（SIR—A）。第三类SBR包括大型相控阵监测雷达，可用于多功能防御、空中交通管制和非军事任务[10]~[14]。

第一类SBR

“双子星座”和“阿波罗”项目首次向人们展示了轨道交会的过程操作。轨道交会雷达在这些项目中的成功应用，为其他许多任务是否可能在太空中实施打开了大门。为航天飞机的轨道飞行设计的Ku波段整体雷达和通信子系统（IRACS），显示了轨道交会、卫星回收及定位的功能。这种雷达于1983年6月22日首先使用在挑战者号航天飞机STS—7上[15]。在1984年2月的STS—11飞行中，Ku波段雷达协助完成了载人机动单元（MMU）的检验工作。雷达一直监测和跟踪在载人机动单元内执行任务的专家Robert Stewart，深入太空300ft。雷达测量了MMU的RCS，若发现距离为100 ft距离和最大跟踪距离为308ft，雷达截面在2.5～7.5dBsm

之间变动。测量时的平均运动速度是0.7ft/s。

轨道交会雷达为制导系统提供跟踪功能。雷达发现目标以后，便开始交会阶段的工作。随后，跟踪功能提供距离、距离变化率和这两个分量视线惯性率的数据。数字引导计算机根据距离和角度变化率的数据，计算出垂直于视线的相对速度。接近速度分量可以通过测量多普勒频率或雷达距离的变化获得。一个典型的轨道交会引导子系统的简化框图如图22.1所示。雷达的搜索和捕获工作模式由制导计算机启动。雷达在一个较大的立体角内周期性地搜索，直到目标的距离和角度被捕获为止。为了使探测概率和捕获概率最大，要精心安排搜索动作，使得在目标脱离搜索区域之前有足够长的搜索时间。当探测完成后，停止搜索模式，再把跟踪门锁定在目标回波上，启动跟踪模式。此后，单脉冲角度跟踪使天线轴始终指向目标。当相对位置和速度满足所需的交会精度时，跟踪阶段也随之结束。STS轨道交会雷达的典型要求列于表22.1[15]。

图22.1 交会制导子系统简化框图[16]

表22.1 STS交会雷达要求*

注：* 摘自参考资料15。

在捕获和紧接着捕获的那一瞬间之后，相对速度矢量一般处在瞬间视线方向，也有可能存在着一个相当于一个垂直于视线的相对速度分量的较大误差。发现距离和接近速度使得交会阶段可能为几分钟。对于精确的交会来讲，一个适当长的时间间隔是很重要的，因为必须

有充裕的时间来清除雷达跟踪数据的内部噪声和纠正测量误差。10～20min的时间间隔相对于总的任务持续时间来讲还是短的。Hord研究表明[17]，地球引力场差异的影响对于不超过10～20min的跟踪阶段持续时间间隔而言是可以忽略的。而且，Wolverton也已指出[16]，当交

-1会时间Tr小于卫星轨道周期T0与（2 ）的乘积时，交会控制的轨道运动问题是可以忽略的。

第二类SBR

从太空进行地面遥感始于1960年的第一颗电视红外线观察卫星（Tiros气象卫星）的发射。通过雷达从太空对地面进行遥感则起始于1975年由国家航空航天管理局（NASA）发射的大地测量轨道卫星（GEOS—C），继而是1978的Seasat（海洋卫星）的发射、1981年航天飞机上SIR—A的发射及1984年航天飞机STS—17上SIR—B的发射。

Seasat—A系统

Seasat—A项目是由加利福尼亚喷气推动实验室（JPL）研究所为国家航空航天管理局设计的。Seasat—A的任务是证明测量海洋动态的可行性。需要测量的数据包括地形地貌、海表面风、引力波，海表面温度、海冰范围及年代、海洋特征和含盐度。大地水准面测量的精度规定在±10cm之间[18]。

Seasat—A卫星发射于1978年6月26日的太平洋标准时间下午6时12分。轨道高度的远地点为783km，近地点为778km。其逆行的极地轨道具有108 的倾斜角度和100.5min的周期。宇宙飞船携带三部雷达和两个射线探测器。相参SAR工作于1.275GHz，此方面将在22.3节中讲到。雷达测高仪工作在12～14GHz波段，并且覆盖了飞船正下方的一个宽为1.6km的长条区域。风散射仪工作在14.599GHz，并且覆盖了两长条区域，每一个长条区域的宽度均为400km，且分布在飞船两侧。4个天线测量风速的范围为4～28m/s。微波辐射计有５个频道，分别为6.6GHz、10.6GHz、18GHz、21GHz和37.6GHz。它覆盖了一个1000km宽的以天底为中心的长条区域。可见光和红外线射线仪仅覆盖了一个宽1800km的对称于天底的长条区域。

Seasat—A一直在收集数据，直到1978年10月9日太阳能电池板与配电总线滑环发生短路为止。

在Seasat—A上进行的SAR实验的主要目的包括：（1）获取深海区海洋波浪图的雷达图像；（2）获取沿海岸线区域的海洋波浪图和水陆相互作用的数据；（3）获取海洋、淡水冰和雪覆盖的雷达图像。次要的目的是：（1）获取陆地表面的雷达图像；（2）获取绘制地图所需的地表数据；（3）获取对陆地与海面粗糙度（起伏）、冰的种类、地面物质差异、植物和地形估计所需的数据；（4）获取监视环境变化的数据；（5）证明具备全天候、昼夜测量能力；（6）获取设计未来高分辨力太空雷达系统的有用数据。

GEOS—3

地力实验海洋卫星GEOS—3是遥感卫星。其实验包包含有５台仪器[19]~[21]。它们分别是：

（1）一部SBR测高仪；（2）两个C波段转发器；（3）一个Ｓ波段转发器；（4）若干激光后向反射器；（5）一部无线电多普勒系统。GEOS—3卫星的目的是完成一些实验，以支持应用卫星大地测量技术进行地球科学研究，如地球物理学和海洋地理学。GEOS—3上的SBR测高仪的任务是完成轨道性实验，这个实验：（1）确定天基雷达测高仪绘制海洋表面形态图的可行性和有效性，其制图的绝对精度是±5m，相对精度是1～2m；（2）确定测量浪高的可行

性；（3）确定测量海洋垂直面偏斜的可能性；（4）有助于未来可实用的测高卫星（具有10cm的测量精度）的发展。

GEOS—C卫星发射于1975年4月9日（在成功完成轨道运行后，它的型号改为GEOS—3）。其标称轨道如下：平均高度为843km；倾角为115 ；偏心率为0.000； …… 此处隐藏：11849字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……