2006年10月第34卷 第5期现代防御技术MODERN DEFENCE TECHNOLOGYO ct.2006V o.l34 N o.5雷达空间目标识别技术综述*马君国,付 强,肖怀铁,朱 江(国防科技大学ATR实验室,湖南 长沙 410073)摘 要:随着人类航天活动的增加,对于卫星和碎片等空间目标进行监视变得非常重要。
为了实现空间监视任务,对空间目标进行识别是非常必要的。
对空间目标的轨道特性与动力学特性进行了介绍,对雷达空间目标识别技术的研究现状和发展趋势进行了详细的综述。
关键词:空间目标识别;低分辨雷达;高分辨雷达成像中图分类号:TN957 52 文献标识码:A 文章编号:1009 086X(2006) 05 0090 05Survey of radar space target recognition technologyMA Jun guo,F U Q iang,X I AO Huai tie,Z HU Jiang(ATR L ab.,N ationa lU n i versity o f De fense T echno l ogy,Hunan Changsha410073,Ch i na)Abst ract:W ith t h e deve l o pm ent of spacefli g ht acti v ity of hum an,surveillance of space tar get such as sate llite and debris beco m es very i m portan.t In or der to i m p le m ent surveillance task,space target recogni ti o n is ver y necessary.Orb it property and dyna m ics property of space targe t are i n troduced,a deta iled sur vey is set forth about current research state and developi n g trend of radar space target recogn iti o n techno l ogy.K ey w ords:space tar get recogniti o n;lo w reso lution radar;h i g h reso lution radar i m aging1 引 言自从前苏联发射了第1颗人造地球卫星以来,卫星在预警、通信、侦察、导航定位、监视和气象等方面具有不可替代的优势。
随着人类航天活动的增加,空间碎片日益增多,对于卫星等航天器的安全造成极大的威胁,因此对于卫星和碎片等空间目标进行监视变得非常重要。
其中空间目标识别是空间监视任务中不可或缺的基本条件,空间目标识别主要是利用雷达等传感器获取空间目标的回波信号,从中提取目标的位置、速度、结构等特征信息,进而实现对空间目标的类型或属性进行识别。
2 空间目标的轨道特性与动力学特性(1)轨道特性[1,2]空间目标在轨道上的运动是无动力惯性飞行,本质上空间目标与自然天体的运动是一致的,故研究空间目标的运动可以用天体力学的方法。
空间目标在运动时受到地球引力、月球引力、太阳及其他星体引力、大气阻力和太阳光辐射压力等的作用,轨道存在摄动。
但是对轨道的实际分析表明,空间目标受到的主要力是地球引力。
假设空间目标只是受到地球引力的作用,同时假设地球是一个质量均匀分布的球体,则空间目标与地球构成二体运动系统,开*收稿日期:2005-12-15;修回日期:2006-01-23作者简介:马君国(1970-),男,吉林长春人,博士生,主要从事目标识别与信号处理研究。
通信地址:410073 湖南长沙国防科技大学ATR实验室 电话:(0731)4576401普勒三大定律和牛顿万有引力定律是研究空间目标运动轨道的基础。
在二体系统中空间目标严格按照椭圆轨道运行,地球位于椭圆的一个焦点上。
描述空间目标运动情况的6个轨道参数为:轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角、椭圆轨道的长半轴和椭圆轨道的偏心率。
在这6个轨道参数中,只有真近点角是时间的函数,其他轨道参数均为常数。
不同任务、不同类型的卫星所选择的轨道参数是不同的,空间碎片大都分布在人造卫星常用的轨道上[3],平均相对速度约为10km/s。
(2)动力学特性[1,2,4,5]空间目标除了受到地球引力的作用外,所受到的其他作用力统称为摄动力,摄动力包括月球引力、太阳及其他星体引力、大气阻力和太阳光压等。
不同轨道高度上的空间目标所受的摄动力大小不同,在近地轨道(轨道高度2000km以下)上运行的空间目标所受到的摄动力主要是地球的非球形引力和大气阻力;对于轨道高度300km以下的空间目标,大气阻力为主要的摄动力;对于在较高轨道上运行的空间目标,太阳和月球引力成为主要摄动力。
正常工作的卫星都具有姿态控制能力,目前姿态控制方式主要有自旋稳定姿态控制、重力梯度稳定姿态控制、磁力稳定姿态控制和3轴稳定姿态控制等,其中自旋稳定姿态控制和3轴稳定姿态控制是应用最广泛的2种姿态控制方式。
空间碎片没有姿态控制和轨道控制能力,其运动表现为不规则的翻滚运动。
3 雷达空间目标识别技术的研究现状目前,中国、美国、俄罗斯、英国、法国、德国和日本等国家都具有探测空间目标的能力,所应用的空间探测设备均为地基探测设备。
空间目标监视系统通常由光学探测设备和雷达探测设备组成,美国和俄罗斯都建立了比较完善的地基空间目标监视与跟踪系统。
美国对空间目标的监视与跟踪主要是由空间探测和跟踪系统!(SPADATS)中的观测设备来完成,空间探测和跟踪系统!本身包括空军的空间跟踪!(SPACTRACK)系统和海军的空间监视!(SP ASUR)系统。
空间探测和跟踪系统主要由相控阵雷达(包括无线电系统)和光电探测器两大类探测器组成,这两类探测器各有优点和缺点,相互补充,构成完整的空间监视体系,探测距离超过36000km。
俄罗斯在其武装力量中建立了宇宙空间监视系统!,该系统不间断地搜索宇宙空间,发现和跟踪各种军用航天器,测定卫星的轨道参数,并通过宇宙空间监视中心向俄罗斯武装力量各军种、军区发送原始信息通报,供实施空间攻防对抗使用[6]。
世界上一些雷达的探测性能如下:美国的H ay stack雷达可以检测到轨道高度1000k m、尺寸为1c m的目标,可以估计小目标(宇宙垃圾和高轨目标)的状态和特性[7]。
日本的MU(m iddle and upper at m osphere)雷达可以检测到500km轨道高度上尺寸为2c m的目标。
美国的Go ldstone雷达可以检测到1000k m轨道高度上直径为3mm的导体球,Eg lin雷达对轨道高度在3000km以内、雷达散射截面大于-35dBs m的碎片的检测概率达0 99[8]。
德国高频物理研究所(FGAN)的跟踪与成像雷达系统T I R A(track i n g and i m ag i n g radar)由一个口径34m 的抛物面天线、一个L波段窄带单脉冲跟踪雷达和一个Ku波段高分辨成像雷达组成,跟踪雷达主要用于对空间目标进行探测和跟踪,成像雷达主要完成在跟踪阶段对空间目标进行成像。
T I R A可以检测到在1000km轨道高度上、尺寸为2c m的空间目标[9]。
中国科学院陕西天文台的流星雷达理论上完全有可能观测200~1200km轨道高度范围内的尺寸大于1m的空间碎片[10]。
空间目标的结构通常具有简单、对称的特点,对于一些简单形体的空间目标如球体和圆柱体等,可以得到其雷达散射截面(RCS)随姿态角变化的解析表达式。
根据空间目标的RCS序列可以对空间目标进行识别和分类,可以对空间目标的姿态和尺寸进行估计。
1958年美国用AN/FPS-16精密跟踪雷达跟踪了俄罗斯刚刚发射的第2颗人造卫星Sput n i k II,发现其回波信号中含有与角反射器散射特性相同的周期分量,判断出卫星上装有角反射器[11]。
Tho m as J.S.建立了目标尺寸估计模型SE M,SE M反91马君国,付 强,肖怀铁,等:雷达空间目标识别技术综述现代防御技术2006年第34卷第5期映了目标的RCS与目标尺寸的关系,因此可以根据目标RCS的数值来得到空间碎片的尺寸[12]。
戴征坚根据目标RCS反射图确定柱状空间目标的结构和尺寸[3]。
日本京都大学的Tor u Sato等人根据目标RCS的起伏特征估计空间碎片的形状和尺寸[13]。
翻滚!运动是空间目标的一种特殊的运动形式,这种运动的特点是空间目标绕某一确定的空间轴翻滚,其翻滚平面保持不变。
失效卫星在地球引力和摄动力的作用下进行复杂的旋转运动,最终趋向于翻滚运动;星箭分离后的火箭末级往往演变为翻滚运动。
白广周提出了一种利用测量的翻滚目标RCS序列值对翻滚目标进行识别的方法,该方法根据测量的空间目标RCS值和坐标数据,以镜向散射点为参考点,经过坐标变换和参数估计,求得翻滚目标的姿态角,即目标轴与雷达视线之间的夹角,将该姿态角与测量的RCS数据在时间上对齐,建立目标的局部RCS方向性图,然后提取8个特征量,利用最近邻法对目标进行分类和识别[14]。
对于空间目标的RCS时间序列进行某种变换,可以得到变换特征,进而实现空间目标的识别。
卜正明把傅里叶变换同小波变换相结合,对空间目标的RCS时间序列进行功率谱估计,实现了自旋稳定卫星和3轴稳定卫星的分类识别[15]。
金胜提取RCS序列的梅林变换特征,对3种尺寸的3轴稳定卫星进行识别[16]。
根据图像可以实现空间目标分类识别,还可以获得空间目标形状、姿态和尺寸等信息。
Toru Sato 根据单距离-多普勒干涉成像技术SRD I来估计空间碎片的形状和尺寸,前提条件是要正确估计出碎片绕其主轴旋转的周期[17]。
1990年德国的跟踪与成像雷达系统T I R A成功地对前苏联礼炮-7!空间站的再入过程和物理特征进行了观测和描述,从空间站I SAR图像中得到了空间站的尺寸、形状和运动姿态等信息[2]。
将空间目标的RCS时间序列看作为一个随机过程,提取其统计特征,可以实现空间目标的识别。
戴征坚和全备提出利用非参数统计学的随机游程检验理论对空间目标的稳定方式进行判别,从而实现了对绕质心旋转和非旋转这2类目标的分类识别[2,18]。
此外,利用轨道信息也可以实现空间目标的识别,董云峰利用二进小波分析空间目标的机械能随时间的变化,根据小波系数曲线随小波分析尺度的变化趋势快速判定目标是否存在轨道机动[19]。