1.3 空间目标分类及特性

1.3.1 空间目标分类

空间目标主要指卫星（包括工作的和失效的卫星）、空间站、进入空间轨道的助推火箭、保护罩和其他物体，发射后的弹道导弹进入地球外层空间后也可以看成是空间目标。以上提到的都是人造空间目标，除此以外，空间目标还包括进入地球外层空间的各种宇宙飞行物。空间目标探测的主要目的是跟踪正常工作的在轨航天器（包括本国的和其他国家的航天器），监视失效的航天器和其他空间碎片的运行情况，通过测定它们的轨道对可能发生的碰撞进行预警，为航天器发射和载人航天等空间活动提供保障。因此，把空间目标分成两类：一类是目前仍在工作的卫星和空间站；另一类是空间碎片，已失效的卫星也归为这一类。此外，由于弹道导弹仅在飞行过程中进入地球外层空间，因此把它单独归为一类。下面分别对各类空间目标进行简要的介绍。

1.卫星、空间站

空间技术的发展离不开空间探测，各类航天器是空间目标探测系统要观测的目标，为说明空间目标探测系统的重要作用，必须了解这些目标的发展简况。军用航天器从功能上可分为航天支援装备和航天攻击与防御装备。航天支援装备包括通信卫星、导航卫星、侦察卫星等各种军用卫星。航天攻击与防御装备包括各种空间定向能与动能武器、空天飞机等。至今，世界各国发射的各类航天器总数已达五千余个，其中军用航天器约占总数的70%。

1）侦察卫星

同传统的航天侦察监视相比，侦察卫星的突出优点是监视点高、范围大、速度快，并且不受国界、地理、时间和气象条件的限制。采用卫星星座，能实现全球范围的近实时侦察与监视。侦察卫星可分为照相侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星、核爆炸探测卫星。

（1）照相侦察卫星载有可见光、红外和微波等遥感器，可对地面目标进行摄像式探测以获取图像，通过分析图像，可获取军事目标的特性和地理位置。目前，有光学成像侦察卫星和雷达成像侦察卫星。

（2）电子侦察卫星主要用于截获各种雷达、通信电子信号以获取电子情报信息。将这些信号转发至地面站，经过分析，可获得敌方预警与防空雷达的配置和性能参数、战略导弹试验的遥控数据及军用电台等电子设备的设置。

（3）海洋监视卫星主要用来对海上舰船和潜艇进行探测、跟踪、定位、识别、监视动向、获取军事情报。根据其工作原理，可分为雷达型与电子侦察型。雷达型通过星载雷达对海洋实施监视，电子侦察型通过截获舰船上的雷达、通信和其他电子设备发出的无线电信号实施海洋监视。

（4）导弹预警卫星主要用于洲际弹道导弹（ICBM）和潜射导弹来袭报警，也可用于监视导弹试验和航天发射活动。导弹预警卫星载有可见光和红外等遥感器，可探测火箭发动机尾焰及其红外辐射，能在弹道导弹和火箭发射后2～3min内发出警报。目前只有美国和俄罗斯拥有导弹预警卫星。

2）通信卫星

通信卫星是部署在空间的微波中继站，具有通信距离远、容量大、可靠性高和不易被摧毁等优点。一颗军用卫星的通信容量已从20世纪60年代初的240路电话提高到目前的11万路电话。目前，发达国家利用卫星完成的通信占总军事通信量的80%，卫星通信已成为军事指挥、控制与通信系统中的重要环节。美国目前有3个独立的军用通信系统：国防卫星通信系统、舰队卫星通信系统和空军卫星通信系统。利用现有通信系统，总统的作战命令在1min内即可到达战略部队，3～6min内可逐级下达到一线部队。通信卫星一般工作于同步轨道和大椭圆轨道上，采用多星组成星座实现全球通信。

3）导航卫星

导航卫星综合了传统天文导航和地面无线电导航的优点，实现了全球、全天候、高精度的导航定位，在军事上具有极其重要的意义。目前只有美国和俄罗斯拥有独立的卫星导航定位能力。美国的“导航星”全球定位系统（GPS）和俄罗斯的“全球导航卫星”系统是世界上现有的两种卫星导航系统。美国的“导航星”全球定位系统由空间系统、地面控制系统和用户定位设备 3 个部分组成。空间系统由 18 颗工作卫星组成，配置在 6 个20 000km高度的圆形轨道上，轨道倾角为55°，周期为 12h，每个轨道上均匀分布3 颗卫星，该配置可保证地球上任何地点在同一时刻都能看到4颗卫星，以满足全球实时精确定位。它具有C/A和P码频率调制。P码为军用码，其定位精度优于15m，测速精度高于0.1m/s，授时精度为100ns。C/A码为民用码，定位精度为100m。

4）气象卫星

气象卫星根据军事需要，搜集全球或特定地区上空的气象信息，预报天气形势，为各军兵种和战区提供气象资料，并为制定军事行动提供必要的气象支持。美国国防气象卫星布洛克-5-D2是美国目前主要使用的气象卫星。气象卫星是近极地圆形太阳同步轨道卫星，轨道高度为833km，周期为101min，一对卫星每天可对全球任何地区扫描4次。星上载有各种光学、红外和微波探测仪器。

5）测地卫星

测地卫星是用来进行大气测量的卫星系统，它能精确测定地球的形状和大小、重力场和地磁场分布、地球表面诸点的精确地理坐标和相对位置。测地卫星所获取的数据主要供地球物理研究，并具有较大的军用价值，特别是对提高洲际导弹惯性制导的精度至关重要。美国利用激光地球动力学卫星对全球进行精密测量，以建立一个精度为 10cm的地球坐标系统。

6）空间站

实现载人航天，是航天活动发展的必然阶段。把人送入太空，长时间停留在太空，以期实现在其他星球居住，是人类航天活动的一个重要目标。目前，尚需要找出解决太空恶劣环境的办法，建立大型空间站，在太空营造一个适合人类生存的环境，也许是唯一的选择。空间站的作用：①既可为人类进行遥感和各项微动等科学试验提供平台，也可对航天器进行维修或为航天器补充燃料；②充当其他星球探测的中转站；③服务于军事用途——用作反卫、反导基地等。

7）空间攻防武器

空间攻防武器主要包括反卫星武器、部分轨道轰炸器和天基反导、反卫武器等。未来空间战中空间武器主要包括空间定向能武器（激光武器、高功率微波武器、粒子束武器）、空间动能武器（动能导弹空间武器、电磁炮空间武器）、空天飞机与空间轨道站等。

2.弹道导弹

弹道导弹自第二次世界大战问世以来，经过半个世纪的发展和演变，已经发展成为多种类型，能从多种陆、海、空平台发射，打击各类目标的远程武器。目前能研制生产弹道导弹的国家已达27个，导弹型号数达八百多个。目前，美国、俄罗斯、英国、法国等国是弹道导弹数量最多、种类最全、性能最先进的国家。

据不完全统计，全世界有近40个国家拥有弹道导弹，现役弹道导弹已达13 500枚。其中，射程为50～500km的近程战术弹道导弹（TBM）约8000枚；射程为500～4000km的中远程弹道导弹约2000枚；射程为5000～14 000km的弹道导弹约3000枚。

弹道导弹按射程分类主要有战场近程导弹（射程＜150km）、中近程导弹（射程为150～799km）、中程导弹（射程为800～2399km）、中远程导弹（射程为2400～5499km）、洲际导弹（射程为5500～14 000km）、潜射导弹（射程为100～12 000km）。对弹道导弹防御通常分为战区弹道导弹防御和战略导弹防御两类。战区弹道导弹射程以 3500km为界（速度为5km/s），大于3500km的列入战略导弹一类。

3.空间碎片

空间碎片是指除还在正常使用的航天器以外的所有仍留在外层空间的人造物体，包括失效的有效载荷、运载工具、有效载荷与运载工具所产生的残碎片和微粒物质，以及载人飞行时抛入外层空间的各种工具和废弃物等。

1.3.2 空间目标共有的特性

空间目标的特性包括轨道特性、动力学特性、RCS起伏特性及其他特性。本小节总结了空间目标共有的轨道特性和动力学特性，1.3.3 小节将分别说明各类空间目标的特性。

1）空间目标的轨道特性

空间目标在轨道上的运动是无动力惯性飞行，在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、平近点角、长半轴和偏心率。在这6个轨道参数中，只有平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，平均相对速度约为10km/s。

2）空间目标的动力学特性

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（轨道高度为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；对于轨道高度为300km以下的空间目标，大气阻力是主要的摄动力；对于在较高轨道上运行的空间目标，太阳和月球引力是主要的摄动力。

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两种姿态控制方式。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。

1.3.3 各类空间目标的特性

1.各种卫星和空间站的特性

军事卫星在外层空间按照预先设定的轨道运行，其轨道参数是根据卫星所覆盖的地域和战术技术工作方式等因素而定的。其轨道有地球同步轨道、大椭圆轨道、极地轨道和近圆轨道等，其高度达100～40 000km。

自1957年前苏联首次成功发射人造卫星以来，截至2011年1月，世界上在轨运行的空间目标超过16 000个，其中半数以上的卫星为军事卫星。军事卫星可分为电子侦察卫星、导弹预警卫星、海洋监视卫星、照相侦察卫星、导航卫星、气象卫星、测地卫星、通信卫星、反卫卫星等。据统计，目前在轨运行的空间人造物体（含碎片）已有约27 000个。预计到2015年前各国发射的卫星将达到两千多颗。

1）中低轨卫星轨道分布

按照不同的分类方案，卫星轨道可以分为不同的类型。为实际运用方便，通常有下面几种分类。

（1）椭圆和圆轨道。卫星根据发射时的角度和速度，围绕以地球为中心的椭圆和圆轨道飞行。卫星距地面最近时的飞行高度为近地点高度，距地球最远时的飞行高度称为远地点高度。高度一定的运行轨道是圆轨道。俄罗斯的通信卫星多采用椭圆轨道，导弹预警卫星也采用椭圆轨道。

（2）极地轨道。极地轨道是通过南极或北极、稍微有点倾斜角的轨道，是观察地球最合适的轨道。气象卫星、照相侦察卫星、电子侦察卫星采用的大都是极地轨道。美国侦察卫星为了侦察位于北半球高纬度地域的俄罗斯领土情况，也采用极地轨道。

（3）同步轨道。卫星每天绕地球运转一圈之后，又返回原来位置的轨道称为同步轨道。轨道面在赤道上的同步轨道又称为静止轨道，轨道倾角为0°。静止轨道位于地球赤道以上36 000km的高度，看上去卫星处于静止状态。通信、气象、早期预警、广播、导航等许多卫星都使用赤道360°上空180个位置的静止轨道。太阳同步轨道往往在同一时刻通过同一地区。

（4）回归轨道和准回归轨道。在回归轨道上运转的卫星每天一次甚至数次返回原来的轨道位置。卫星围绕地球运转期间，地球本身也在自转，相隔数周期后，卫星又返回原来的轨道上，这样的轨道称为回归轨道，不是在一天后返回而是数天后返回原轨道上的称为准回归轨道。

卫星在轨道上运行，由于受到来自地球重力和其他天体的影响，往往会偏离正常轨道。因此每隔一些时间需要修正轨道，高精度地保持卫星的轨道面和轨道的倾角是保障卫星寿命的关键。

2）空间目标轨道高度

军事卫星采用的轨道高度一般为100～2000km。180～700km高度范围内有照相侦

察卫星、电子侦察卫星；在300～1500km高度的轨道上，通信卫星、导航卫星、气象卫星、海洋监视卫星比较多；在静止轨道上以气象卫星、通信卫星、早期预警卫星为主。就卫星轨道倾角而言，90°～120°范围内一般分布着美国的卫星，60°～90°范围内分布着俄罗斯的卫星，这是各自根据监视地域的经度和分布卫星情况而选定的。美国、俄罗斯两国的导航卫星、海洋监视卫星均分布在60°～90°的范围内。

宇宙飞船、载人空间站的飞行高度一般为250～400km。

地基空间目标探测雷达一般用于重点监视高度为2000km以下的中低轨照相侦察卫星、电子侦察卫星、通信卫星、空间飞船、航天与空天飞机等空间飞行器。

随着微小型卫星和卫星应用技术的发展，轨道高度为600～1500km的中低轨卫星将占较大的比例。

表1.2给出了几种典型卫星的RCS值。

2.空间碎片的特性

空间碎片的大小差别极大，小的只有微米量级，大的可达数十米，按其大小大致可分为3类。

（1）大空间碎片：指10cm以上的空间碎片，是目前地基探测网能测量其轨道的碎片，航天器一旦被它撞击将损坏严重。

（2）小空间碎片：指1mm以下的空间碎片，通过天基直接探测或分析回收物的表面获得它的信息，需要通过采取适当的防护措施来提高航天器的抗御能力。

（3）危险碎片：介乎大、小空间碎片之间的碎片，目前尚无有效的探测方法，对航天器的损坏能力比小空间碎片大，防护困难；数量比大空间碎片多，航天器躲避困难，是十分危险的碎片。

由于小空间碎片对航天器的危害较小，且不容易被地基探测网探测到，因此这里不对其进行深入分析。图 1.10 示出了尺寸分别为 1mm≤d＜1cm、1cm≤d＜10cm和d=10cm的空间碎片数量分布密度与高度的关系曲线。从图中可以看出，低轨道区域（2000km以下）、地球同步轨道高度和半同步轨道高度上有3个明显的峰值，其中低轨道区域的碎片数量最多。低轨道区域是人类空间活动最频繁的区域，载人航天活动主要在这个区域进行。由于低轨道区域处于地基空间目标探测雷达网的监测范围，因此有必要对该区域内的空间碎片进行更深入的研究。图1.11示出了近地轨道的空间碎片数量分布密度与高度的关系。从图中可以看到，在近地轨道空间碎片的分布也有几个峰值，海拔高度分别为780km、890km、950km、1410～1420km和1480km。

空间碎片的来源很多（如图1.12所示），不同来源产生的碎片尺度也不相同。地基探测系统能够测定的大空间碎片主要是遗弃的航天器、运载火箭箭体和操作性碎片，爆炸解体碎片则大小都有，固体火箭喷射物、撞击产物和表面剥落物基本上都是小空间碎片。图1.13示出了各种来源的空间碎片所占的比例。可以看出，航天器解体是最主要的碎片来源。

不同类型的碎片具有不同的特性，下面分别给出几种典型空间碎片的特性。

1）遗弃的航天器和火箭箭体

航天器在空间有一定的工作时间，材料的老化、元器件性能的衰退、燃料的耗尽等原因，使它工作一定时间以后就会出现各种故障，最后停止工作，这是“工作寿命”。通常航天器的寿命为几年或几十年。停止工作的航天器仍在轨道上运行，在大气阻力的作用下逐渐陨落，从轨道上消失。航天器陨落前停留在轨道上的时间称为“轨道寿命”。如果它的轨道很高，在1000km以上，由于受到的大气阻力很小，它的轨道寿命可达数万年甚至数百万年。

遗弃的航天器和火箭箭体通常具有较大的质量。例如，1979年陨落的Skylab，其质量达到74t；而1991年陨落的Salyut-7，质量达到40t。火箭箭体的质量通常是几吨甚至几十吨。例如，发射航天飞机的火箭箭体质量达到 78t，Zenith火箭、长征 2-F火箭和Tsyklon火箭的箭体质量分别为9t、5.5t和4.8t。

遗弃的航天器和火箭箭体的RCS通常也较大。例如，发射航天飞机的火箭箭体RCS达到83m2，一般火箭助推器的典型RCS是15～30 m2。

2）解体产生的碎片

解体是最主要的空间碎片来源。航天器因各种原因解体，会产生大量大小不同的碎片。美国NASA给出了碎片的有效RCS计算公式，即

其中，d是碎片的直径，单位是m；A的单位为m2。

3.弹道导弹的特性

弹道导弹作为防空体系需要对付的目标与飞机目标具有很大的不同，弹道导弹（BM）飞行时间短。对于射程为 120～3000km的弹道导弹，其飞行时间为2.7～15min，弹头再入速度为1.1～5km/s，弹头RCS小（σ=0.1～1m2），目标的再入角度大。对于射程为120～2500km的弹道导弹，其再入角为44.7°～39.4°；弹道高度不同，其顶点最高高度为30～600km。表1.3为导弹飞行时间，再入速度等与弹道导弹射程的关系表。弹道导弹飞行路径特性如表1.4所示。图1.14为弹道导弹标准弹道曲线图。充分考虑弹道导弹的特性是设计有关观测雷达的前提条件。

对于射程为10 000km的洲际弹道导弹，其飞行时间为25～35min；弹头再入速度为7～7.7km/s；弹头RCS小（σ=0.1～1m2）；弹道高度不同，其顶点最高高度为 1600km。未来10年内将采用多弹头及真假弹头突防，释放诱饵，采用机动、分散、隐蔽和突然作战方式。这要求弹道导弹探测系统应具有反应时间快、作用距离远、覆盖空域大、多目标处理及真假弹头识别能力。对TMD系统在预警、跟踪、识别、数据处理、通信、指挥和控制及作战管理方面应具有高度自动化和快速可靠的反应能力。