《用于空间态势感知的长基线双基地雷达》北约STO 2022最新论文（含slides）

由于在36,000公里的极端距离上灵敏度下降，并且由于雷达截面减少的小卫星扩散，对地球同步轨道上的常驻空间物体的雷达探测和跟踪是具有挑战性的。提高现有单静止雷达传感器灵敏度的一个选择是采用配置为双静止接收器的大孔径无线电望远镜。此外，多个接收器将使多方位配置在探测和跟踪方面有额外的性能改进。在本文中，我们报告了使用美国的Millstone Hill Radar（MHR）和德国的Tracking and Imaging Radar（TIRA）作为发射器的长基线双静态测量，以及欧洲的一些接收器：意大利的Sardinia Radio Telescope（SRT）、荷兰的Westerbork Synthesis Radio Telescope（WSRT）和英国的e-Merlin阵列的多个天线。这里介绍的工作是作为SET-293研究任务组（RTG）的工作计划的一部分进行的。

在地球同步轨道（GEO）上用雷达维持空间态势感知（SSA）的最重大挑战是由于极端的距离造成的灵敏度损失，这个距离是到地球同步轨道带36000公里。为了提高单静止雷达的灵敏度，必须提高发射功率，建立一个更大的孔径，或降低传感器的系统温度。灵敏度受孔径大小的影响最大，因为灵敏度与孔径的四次方成正比，但建造大孔径雷达的成本过高，而且工程上的挑战对这种传感器的尺寸和回转率也有上限[1]。然而，提高现有单稳态传感器灵敏度的一个选择是考虑使用大孔径射电望远镜作为双稳态接收器的多稳态雷达。有许多大直径（>60米）的射电望远镜可以与雷达配对使用。使用射电望远镜作为接收元件有几个方面的优势。除了它们的大尺寸之外，1）射电望远镜通常具有较低的系统温度，通常比雷达的温度低一个数量级，这进一步提高了它们的灵敏度；2）它们的指向和跟踪能力与地球同步轨道目标非常匹配；3）它们通常配备有宽频接收器，可以灵活地与多个发射雷达配对；4）它们通常具有出色的频率标准（H-马斯），可以进行相干的双态观测；以及5）有可能将天文和雷达观测校准相结合[2]。

虽然这种双稳态发射器/接收器对之间的链接预算计算是有希望的，但双稳态雷达截面（RCS）是一个有点未经测试的因素，特别是在洲际基线。在较短的基线上，小于1000公里，双态RCS可能与单态RCS相似，但由于即使是单态RCS也可能具有高度的方向性，双态RCS可能会有更大的变化[3]。此外，由于可以同时使用多个接收站（无线电望远镜），因此可以启用多方位配置，这不仅可以提高整个系统的灵敏度和探测地球同步轨道物体的能力，而且还可以提高跟踪性能，因为多方位测量将有助于改善物体的位置和速度估计。

2020年初，北约科学与技术组织（STO）启动了一个为期多年的传感器、电子和技术（SET）研究任务组（RTG）（SET-293），通过结合美国和欧洲的现有北约伙伴资产，研究使用双静态和多静态雷达配置来改善地球同步轨道的SSA。SET-293已经进行了实验，以探索现实世界对这种双稳态系统的理论链接预算的限制。图1-1描述了实验中雷达发射器（Tx）和接收器（Rx）的几何形状。

图 1-1 – 雷达多基地实验几何，描绘了雷达发射机照射地球同步卫星目标和射电望远镜接收来自卫星的信号。

一组实验将美国的米尔斯通山雷达（MHR）与欧洲的三个接收器配对：意大利的撒丁岛射电望远镜（SRT）、荷兰的韦斯特博克综合射电望远镜（WSRT）的一个天线以及英国乔德雷尔银行天文台（JBO）运营的e-Merlin阵列的多个天线。e-Merlin包括7个天线，直径从25米到76米，在英国的间距从10公里到220公里，用于厘米级波长的高分辨率射电天文学成像。这些天线通过一个专用的光学网络连接到一个中央相关器，它们的一致性由同一光纤上的双向射频定时信号来维持。在欧洲，在德国的TIRA和SRT及e-Merlin射电望远镜之间进行了更小基线的其他双稳态实验。传感器及其相关参数列于表2.1。

链路预算是以每个与MHR和TIRA配对的接收器的参考信噪比来计算的。MHR的参考单静态信噪比为50dB，TIRA为47dB，它描述了1000公里范围内0dBsm目标的单脉冲的最大性能。需要注意的是，这种链路预算计算假定单静止和双静止RCS是等效的。此外，接收机增益，即单稳态灵敏度和双稳态灵敏度之间的差异，显示在表2.1最后一行的每个双稳态接收机。射电望远镜接收器的潜在好处是显而易见的，因为即使是规模不大的WSRT接收器，由于其作为一个纯接收系统的低系统温度，预计在MHR下会显示近7分贝的接收器增益，在TIRA下会显示10分贝增益。本文报告了在2020年和2021年收集的测量结果。在2022年已经进行了额外的收集，并将在未来的论文中介绍。