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国外合成孔径雷达侦察卫星发展现状与趋势分析


国外合成孔径雷达侦察卫星发展现状 与趋势分析
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0 引言
未来战场状况瞬息万变, 实时掌握正确的情报信息是取得战争主动权的重要 因素,对敌照相侦察是进行情报收集的有效手段。然而利用各种天然环境与人为 工事、配合黑夜与恶劣气候条件、隐蔽及掩护部队(武器)行踪可使得传统光学 影像无能为力

,这也给雷达影像以发展契机。 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称 SAR)是一种全天候、全天时的 现代高分辨率微波成像雷达。它是二十世纪高新科技的产物,是利用合成孔径原 理、脉冲压缩技术和信号处理方法,以真实的小孔径天线获得距离向和方位向高 分辨率遥感成像的雷达系统,在成像雷达中占有绝对重要的地位。近年来由于超 大规模数字集成电路的发展、 高速数字芯片的出现以及先进的数字信号处理算法 的发展,使 SAR 具备全天候、全天时工作和实时处理信号的能力,并已经成为 现代战争军事情报侦察的重要工具[1]。了解与研究国外 SAR 侦察卫星的发展现 状及趋势, 无论是对我国开发新的 SAR 卫星系统还是研究反 SAR 侦察技术都具 有重要的现实意义。

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国外 SAR 侦察卫星的发展现状

1.1 美国的 Lacrosse 卫星
“长曲棍球” (Lacrosse)卫星是美国的军用雷达成像侦察卫星。它不仅适于 跟踪舰船和装甲车辆的活动,监视机动或弹道导弹的动向,还能发现伪装的武器 和识别假目标,甚至能穿透干燥的地表,发现藏在地下数米深处的设施。美国已 经发射了 Lacrosse-1 (1988 年 12 月) Lacrosse-2 、 (1991 年 3 月) Lacrosse-3 、 (1997 年 10 月) Lacrosse-4 、 (2000 年 8 月) Lacrosse-5 、 (2005 年 4 月) 其中 Lacrosse-1 , 已经退役,并正在研制 Lacrosse-6,分辨率从最初的 1 m 提高到 0.3 m。 “长曲棍 球”卫星已成为美国卫星侦察情报的主要来源,美国军方计划再订购 6 台“长曲 棍球”卫星上的 SAR,每台 SAR 的价格约 5 亿美元[2]。

1.2 美国的 Discover II 卫星
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“发现者 II” (Discover II)卫星是由美国空军、美国国防部高级研究计划署 (DARPA)和国家情报局(NRO)联合开发的 SAR 卫星系统,计划开始时间为 1998 年 2 月,预计完成时间为 2010 年。Discover II 能够提高对战场的监测和侦 察能力,通过多星协作实现对全球地面目标的精确监控,实现高距离分辨率地面 动目标检测(HRR-GMTI) 、合成孔径雷达成像和获得高分辨率数字地形高程数 据(DTED)的能力[3]。 最初,Discoverer II 计划包含 24 颗近地轨道卫星,入射角约为 54 度,组成 Walker 星座,轨道高度为 770km。现在的 Discoverer II 计划研制并发射了两颗 HRR-GMTI/SAR 卫星用于实验,这两颗卫星集成 TES(Tactical Exploitation System:战术拓展系统)系统,将对其进行一年的在轨观测论证。这些论证将为 将来的多星星座系统在技术可行性、耗资、任务完成能力等方面提供可靠的参考
[4]



1.3 以色列的 TecSAR 卫星
以色列的 TecSAR 间谍卫星于 2008 年 1 月 21 日在印度斯里赫里戈达的卫星 发射中心成功升空,2008 年 1 月 31 日得到了第一幅 SAR 图像。该卫星重量达 300kg,其中包括 100kg 的合成孔径雷达有效载荷。这种多模式有效载荷采用电 子束控制,它是一种低地球轨道合成孔径雷达技术演示器,将以大约每 90 分钟 一次的速率通过特定的目标区域, 主要用于对传言正在进行核武器开发的伊朗进 行侦察。 TecSAR 的合成孔径雷达有效载荷能够在白天、夜晚及全天候条件下提供高 分辨率图像(最高可以辨别地面 10 厘米范围的图像) ,并能在 24 小时内提供双 倍数量的可用情报,可工作在多种模式,并且其天线非常敏捷,可以很快地从一 个目标调整向另一个目标[5]。

1.4 意大利的 Cosmo-skymed 卫星
由 意 大 利 自 行 研 制 的 、 花 费 约 9 亿 欧 元 的 军 民 两 用 Cosmo-skymed (Constellation of Small Satellites for Mediterranean Basin Observation) 卫星是一个 新的地球观测系统,它是基于 4 颗雷达卫星的星座,每颗卫星运行在高度为 619.6km 的太阳同步轨道上。前两颗卫星已于 2007 年 6 月与 2007 年 12 月发射 升空,剩余两颗将分别于 2008 年和 2009 年发射。该星座与成熟的地面设备将全 天时、全天候地监测地球表面,最高分辨率为 1 米,扫描带宽为 10 公里,且可 以利用不同入射角的两颗雷达测量数据干涉形成三维立体图像, 具备雷达干涉测

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量地形的能力[6]。

1.5 德国的 SAR-Lupe
德国的SAR-Lupe军事雷达卫星,是欧洲高分辨率天基成像雷达的首次应用
[7]

。该系统独特的设计概念是包括五颗卫星的星座,分布在三个不同轨道上。在 之所以要发射5颗卫星主要是为 轨道上只要有2颗卫星就能保证该系统正常工作, 预防卫星在轨道上发生故障。该系统卫星每颗重770公斤。卫星搭载的雷达成像 设备可以在任何照明和气象条件下对地表设施进行观测和拍照, 其图像分辨率约 为0.7米。卫星还可以辨认运动中的汽车及飞机型号,并能识别地面“特殊设施”。 整个系统耗资约3亿欧元,设计工作年限为10年。前三颗SAR-Lupe卫星分别于 2006年12月、2007年7月、2007年11月发射成功,后两颗将于2008年中期发射。 最后两颗SAR-Lupe卫星的技术改造工作已经开始,项目名称为SARah,主要目 的是研制有源雷达系统,尤其是高功率放大器管。 SAR—Lupe 是目前世界上重量最小的雷达成像侦察卫星,其装备有星间通 信链路,以加快成像指令从一颗卫星向另一颗卫星的传递速度,缩短图像获取的 延迟时间。地面控制人员可将成像指令发给处在地面站视线范围内的一颗卫星, 该卫星会通过星间无线电通信链路将这一指令直接传递给处在德国军方想要对 那里成像的另一地方上空的卫星。利用这些卫星上的星间通信链路,欧盟军事终 端用户能够在成像指令发出后 11 小时内接收到卫星对全球任一地点拍摄的图像 数据。SAR—Lupe 卫星必将增强欧洲空间监视能力[8]。

1.6 其他 SAR 侦察卫星
俄罗斯正在研制一颗名为“秃鹰 E”(Kondor-E)的 S 波段小型雷达卫星,该卫 星只有 800 千克(国外类似卫星重达 2-3 吨) ,且费用比国外类似卫星减少 4-5 倍。 其多功能雷达可提供 Kondor-E 轨道两侧各 500 千米范围内的高分辨率图像, 还能提供 30 幅数字地图模拟图像[9]。 日本于 2006 年 1 月 24 日发射了一颗 Alos (Advanced Land Observing Satellite) 卫星,Alos 配备了相控阵 L-波段合成孔径雷达,具有 24.00-89.00 米微波谱段极 化分辨率,可实现全天候的陆地观测[10]。 韩国将于 2008 年发射“阿里郎-5”号多用途卫星,该卫星上搭载最主要的信 息捕获装备是合成孔径雷达,它可以用来对地表农作物生长状况、地下资源探测 等进行远距离观测及拍摄,并向韩国科技部门提供多种科学数据信息。而且值得 一提的是,由于该雷达是通过捕获地面映像来获得数据的,因此它不受空中云层

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及夜晚光线不足的限制,从这一点上来说,它将有可能实现军事用途[11]。

2 国外 SAR 侦察卫星的发展趋势
纵观国外 SAR 侦察卫星的发展过程,随着需求的扩增和科学技术的发展, 合成孔径雷达技术主要向以下几个方向发展。

2.1 多参数(多频段、多极化和多视角)是未来星载 SAR 的主要特 征
SAR 不同的极化方式能使被探测的地物具有不同的电磁响应,即具有不同 的后向散射特性,地物层次变化对比亦不相同。因此,采用多极化方式,可以显 著改善信号和图像的详细性和可靠性, 再加上在不同频段和不同的视角下对地观 测,就可以完整地定量分析地面目标的雷达散射特性。正是如此,多参数 SAR 系统必将会越来越受到重视。

2.2 小型化成为未来星载 SAR 的主要趋势
随着战场环境的日益变化,大卫星逐步暴露出一些明显的弊端,主要体现于 造价高昂、维护不便、应急发射困难、战术保障和快速反应能力有限等等。随着 航天技术的发展,特别是轻型天线技术、集成电路技术和固态电子器件技术等的 发展大大降低了卫星的重量和体积,使性能高、体积小、重量轻和成本低的小星 载合成孔径雷达卫星研制成为可能。与大卫星相比,小卫星的战场生存能力和快 速反应能力要强得多,并已经发挥了一些作用。SAR 卫星应用的效费比明显提 高,研制费用大幅降低,在军事和经济上的应用越来越重要,越来越普及,研制 SAR 卫星的国家越来越多,天基 SAR 已经不再是少数大国的专利。

2.3 SAR 卫星与可见光卫星的多星组网是未来主要的应用模式
多颗合成孔径雷达卫星和光学卫星组网可提高侦察情报的时效性, 即将航天 侦察的“盲区”降至最低,也可弥补可见光成像受气候条件限制的不足,并发挥 SAR 具有一定的穿透能力,揭露伪装的特点,使各种侦察卫星优势互补。由其 构成的图像情报获取系统,既可以对各国军事目标进行长期的、大范围战略侦察 和军事测绘,又可以根据未来战争的发展,对局部战场进行高分辨率、高重复性 的战术侦察和打击效果评估等。

2.4 分布 SAR 成为一种很有发展潜力的星载合成孔径雷达
分布 SAR 并不是简单的卫星组网,它是利用 2 颗或多颗轨道具有相互关系 的卫星配合工作,一颗卫星发射多颗卫星接收,或多颗卫星发射多颗卫星接收,

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实现单颗卫星不能实现的功能,或获得单颗卫星不能达到的技术指标。如实现干 涉 SAR 成像、地面运动目标显示、增加成像带宽、提高 SAR 图像分辨率等。

2.5 军用和民用卫星的界线越来越不明显
星载合成孔径雷达在商业民用和军事侦察上都具有比较大的应用价值, 但两 者对雷达卫星的技术指标的要求侧重有所不同。一般来讲,商业民用要求雷达卫 星具有宽的测绘带宽和高精度的辐射定标,并具有中等分辨率的图像(一般低于 5 m);军事侦察在强调测绘带宽的同时,更强调高分辨率,分辨率一直是军事 侦察中最关键的技术指标,军用侦察卫星的图像分辨率一般应优于1 m。随着卫 星技术的提高,工作模式的增多,卫星的功能和技术指标也不断提高,有些卫星 虽然是商业民用卫星,也具有较大的军事应用价值,如欧洲正着眼于军民两用的 “预备队” ,即德国的Terra-SARX波段雷达卫星和意大利的“Cosmo-skymed”雷 达卫星。 德国计划发射由两颗Terra-SARX波段卫星组成的编队系统, 可提供精确 度优于2米的三维图像。意大利政府希望制造4颗“Cosmo-skymed”卫星,当4颗 卫星全都进入619千米高的轨道工作时,将能够以12小时的周期拍摄地球表面任 何地方的图像。它们具备多种不同的地面分辨率模式,分辨率在1-100米之间。

3 结束语
SAR 侦察卫星具有全天时、全天候、不受大气传播和气候影响、穿透力强 等优点,并对某些地物具有一定的穿透能力。这些特点使它在军事应用中具有独 特的优势,必将成为未来战场上的杀手锏。因此,各航天国家纷纷计划或发展自 己的 SAR 侦察卫星。21 世纪必将是 SAR 侦察卫星飞速发展的新世纪。

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