北極500 MHz非相干散射雷達空間碎片凝視探測的統計分析

唐志美 丁宗華 楊嵩 代連東 許正文 吳健

(中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

引 言

隨著各國空間技術的發展進步和人類空間活動的日益頻繁,空間碎片數目逐漸增多,空間碎片監測與預警逐漸受到各國關注. 北極是空間碎片的分布密集區,也是當前我國監測研究的薄弱地區. 非相干散射雷達是目前最強大的地基電離層監測手段,由于其具有發射功率強、天線增益大、接收機靈敏度高等特點,在空間碎片監測方面具有重要應用前景.

自20世紀60年代以來,國外以美國和歐洲非相干散射雷達科學聯合會(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)為主先后建設了10多套非相干散射雷達. 其中EISCAT在北極的特羅姆瑟(69.58°N,19.22°E)和斯瓦爾巴德島(78.15°N,16.03°E)建設了三套非相干散射雷達[1-2],工作頻率分別是223 MHz、930 MHz和500 MHz(即超高頻(very high frequency, VHF)雷達、甚高頻(ultrahigh frequency, UHF)雷達和歐洲斯瓦爾巴特雷達(EISCAT Svalbard radar, ESR). 在歐空局支持下[3-5],EISCAT在基于非相干散射雷達的空間碎片探測方面開展了較全面系統的研究,實現了對低地球軌道上小尺寸空間碎片的波束駐留探測能力,為空間碎片監測與預警做出了重要貢獻. 由于早期傳統機制的非相干散射雷達常采用“波束駐留”探測模式,不能對空間碎片進行跟蹤定軌,其參數特征分布無法精確獲取,因此近年來美國、歐洲等地區對非相干散射雷達技術上進行改造,其中備受關注的是歐洲EISCAT 3D技術[7]. 國內學者[6-14]利用EISCAT非相干散射雷達的原始采樣數據開展了空間碎片目標檢測、參數估算和統計特征分析.

由于受到引力、大氣阻尼等各種內外因素的影響,空間碎片處于不斷發展和演變之中,因此需要對空間碎片進行長期的連續觀測,以便獲取其統計變化特征,為空間碎片建模提供支撐. 本文分析了EISCAT ESR雷達2007.5—2008.2的低軌道空間碎片觀測數據的統計變化特征,并進行了初步探討,對我國的空間碎片監測和預警具有重要參考價值.

1 數據來源和數據處理方法

我們通過國際合作,獲取了EISCAT 500 MHz雷達(78.15°N,16.03°E)的凝視觀測數據. 觀測實驗期間雷達波束方位角和俯仰角分別固定為181°和82°,發射天線為拋物面,直徑42 m,接收天線直徑為32 m,半功率波束寬度為1.1°,脈沖重復周期為20 ms,發射脈沖采用32位AC碼,碼元寬度為60 μs,占空比為9.6%,系統噪聲溫度75 K,增益45.3 dB,觀測實驗取四個固定的距離門區間:151～494 km、713～1 057 km、1 258～1 619 km和1 838～2 181 km,觀測時間為2007年5月5日—2008年2月10日(世界時),四個距離門上同時段觀測. 觀測期間由于氣候和設備自身不穩定性等原因導致雷達發生故障,因此觀測時長內實際有效觀測天數為73天,每天24小時連續觀測.

EISCAT ESR雷達的原始采樣數據為二進制數據文件,數據采樣率為1 MB/s,數據長度為16位. 參照我們之前的信號與數據處理方法[9-11],提取空間碎片的距離、速度、信噪比、雷達散射截面積SRC等參數. 由空間碎片散射截面積可估算得出等效直徑,其中散射截面積與等效直徑的對應關系為近似公式[6]

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2 統計分析結果

2.1 空間碎片在不同高度的統計分布特征

圖1給出了每個距離門區間對應的空間碎片數目分布.其中縱坐標為指數形式．由圖可見,空間碎片主要分布在700～1 050 km和1 400～1 600 km空間高度區間上,其中800～1 000 km的空間碎片數目明顯高于其他高度區間,這與以往的統計結果完全一致. 在300 km以下區域無有效碎片,其中在900 km處監測到空間碎片數目最多,為14 025個．在第四個距離門區間內,空間碎片數目明顯較少,平均數目在數百量級．

圖2給出了不同軌道高度上空間碎片的徑向速度分布.徑向速度為正值,表示空間碎片逐漸遠離地球;徑向速度為負值,表示空間碎片逐漸靠近地球. 從圖可見徑向速度主要分布在-1.25～1.25 km/s,遠離地球和靠近地球的空間碎片數目相當.

圖3給出ESR雷達在不同軌道高度上空間碎片散射截面積對應的等效尺寸的分布特征.由圖可見,ESR雷達探測的空間碎片等效直徑主要分布在3～10 cm,同時在350～491 km探測到了尺寸相對較小的空間碎片,這是由于距離越近,雷達的探測靈敏度越高.

圖1 空間碎片的軌道高度分布特征Fig.1 The characteristics of the orbital height distribution of space debris

圖2 軌道高度上空間碎片徑向速度的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of radial velocity of space debris on orbital heights

圖3 軌道高度上空間碎片等效直徑的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of equivalent diameter of space debris on orbital heights

2.2 空間碎片數目、徑向速度和等效尺寸的日變化特征對比

圖4為北極地區空間碎片數目的逐日變化對比.由于雷達存在故障時期,部分天數內未探測到空間碎片,因此用黑色圓點表示探測到碎片的天數所對應的空間碎片數目. 由圖可看出,空間碎片數量總體上有逐漸增加的趨勢. 73天共探測到88 679個空間碎片,平均每天檢測到1 215個,最多一天檢測到1 458個. 在部分探測天數上空間碎片數量突增顯得十分異常,可能與特定的空間事件有關. 實際上,雷達的空間碎片探測效能與雷達頻率、功率、所處地理位置、波束指向與掃描方式等因素有關. 另一方面,空間碎片分布不均勻,與軌道高度、傾角等有關. 研究發現,絕大多數碎片分布在傾角60°至110°的區域內. 因此,雷達站緯度越高,越有可能探測到更多的空間碎片[5]. 在北極地區觀測的空間碎片數量較多,主要是因為地理緯度高,空間碎片分布相對密集,因此單位時間內檢測的空間碎片數目多.

圖4 單位天數內探測到的空間碎片數目分布Fig.4 The number of space debris detected per day

分析不同軌道高度空間碎片數量的日變化特征,選取四個特定軌道高度分別為:350 km、860 km、1 460 km、1 960 km,統計得出其對應的碎片數量變化趨勢,如圖5所示．由圖5可知:860 km處碎片數目占比和波動較大;1 460 km處次之,數目起伏較小;350 km和1 960 km處碎片數量幾乎沒有變動,較為穩定. 此處得到的空間碎片占比符合之前得到的空間碎片主要高度分布區間[14].

同時由圖5可看到,860 km附近的碎片數量出現兩個峰值,間隔約五個月,其他三個軌道高度區間均無此現象. 進一步分析860 km附近其他高度上有無此現象,因此縮小高度步長,選取接近860 km的四個軌道高度:750 km、800 km、900 km、950 km. 結果發現,除了860 km外其他四個軌道高度上均無此現象. 已知近地空間碎片運動周期約90～120 min,因此圖5中860 km的空間碎片數目出現5個月前后突增突減起伏,很可能是受到某個空間活動的影響,從而發生了劇烈變化.

圖5 四個特定高度上空間碎片的數目變化情況Fig.5 Variation of the number of space debris on four specific orbital heights

進一步對比分析空間碎片分布特征在夏季和冬季的差別,取5天觀測數據進行平均處理,分別為:2007年的5月28日、5月29日、6月3日、6月4日、6月5日和2008年的1月20日、1月21日、1月23日、2月3日、2月10日. 如圖6所示， 在高度上,2007年5—6月空間碎片數量主要分布在800～900 km以及990～1 050 km,850～870 km期間出現碎片數量峰值,2008年1—2月碎片主要分布在800～1 050 km,碎片數量較為均勻. 因此從八個月的長時間尺度來看,空間碎片數目在700～1 050 km的軌道高度區間上有發散趨勢. 2007年5—6月5天共探測到5 763個碎片,2008年1—2月5天共探測到6 823個碎片,835～885 km高度上空間碎片數量增加明顯,1 435～1 485 km的空間碎片數目變化很小.

圖7為2007年夏季和2008年冬季在不同高度上的空間碎片數目分布.由圖可看出,空間碎片徑向速度主要分布在-1～-0.5 km/s和0.5～1 km/s區間．從八個月的長時間尺度來看,速度主要分布區間依然不變,但是2008年1—2月探測的空間碎片數目較2007年5—6月增加很多. 另外還可以看到:正向速度上空間碎片數目變化較為規律,幾乎同等增長200個左右,峰值個數從740個增加到930個;而負向速度上數目增長不太規律,其中速度為-0.7 km/s的碎片個數增長最多,約從680個增加到950個,零值速度附近幾乎無變化,其他地方增加100個左右.

(a) 2007年夏季(a) Summer, 2007

(b) 2008年冬季(b) Winter, 2008圖6 2007年夏季和2008年冬季不同軌道高度上的空間碎片數目分布Fig.6 The number distribution of space debris with different orbital heights in the summer of 2007 and in the winter of 2008

(a) 2007年夏季(a) Summer, 2007

(b) 2008年冬季(b) Winter, 2008圖7 2007年夏季和2008年冬季在不同速度上的空間碎片數目分布Fig.7 The number distribution of space debris with different velocities in the summer of 2007 and in the winter of 2008

圖8為2007年夏季和2008年冬季在不同等效尺寸上的空間碎片數目分布.空間碎片等效尺寸仍然主要分布在3～10 cm,從八個月的長時間尺度來看,其主要分布區間仍然不變. 但是值得注意的是,等效直徑在2～3.1 cm的碎片數目變化異常,約從1 300個減少到100個,這應該與2007年5月特別空間事件造成的碎片數目突增有關,同時說明當時事件產生了大量小尺寸空間碎片. 3.1～6 cm區間的空間碎片數量增多,可能是由于更小尺寸的空間碎片相互碰撞與合并等產生的.

(a) 2007年夏季(a) Summer, 2007

(b) 2008年冬季(b) Winter, 2008圖8 2007年夏季和2008年冬季在不同等效尺寸上的空間碎片數目分布Fig.8 The number distribution of space debris with different equivalent diameters in the summer of 2007 and in the winter of 2008

2.3 空間碎片數目的地方時變化特征對比

如圖9所示,每隔三個月選取一天特定探測的日期,對比分析得出碎片數量在地方時上的變化特征. 由圖看出,碎片分布存在一定規律,在上午6—8LT和下午12—14LT空間碎片數目變密集. 其中最為突出的是以2007年5月13日為代表的夏季時期,在上午6—8LT和下午12—14LT期間出現碎片數量異常猛增的情況,這與當時的某特定空間事件有關.

圖9 空間碎片數目的地方時變化特征對比Fig.9 The temporal number variation comparison of space debris

3 討論與總結

本文研究結果與國內學者[9-14]以往觀測研究結果基本一致:空間碎片主要分布在800～1 050和1 400～1 600 km兩個軌道高度區間,并且在800～1 000 km空間碎片數目明顯高于其它探測距離門區間;徑向速度約-1.25～1.25 km/s;等效直徑主要分布在3～10 cm. 文章基于與EISCAT合作獲取的大量數據,進而統計分析得出一些有意義的結果,完善我國對北極空間碎片特征分布變化的認識. 從數天的短時間尺度來看,空間碎片數目分布變化較小;從八個月的長時間尺度來看,空間碎片的高度、速度和等效尺寸參數主要分布區間仍然不變,但是碎片數量增加明顯,并且在860 km有約135天的突增突減變化. 從地方時分布來看,在上午6—8LT和下午12—14LT空間碎片數目呈現變密集的趨勢. 以上結果有助于加深對北極空間碎片分布特征的認識,對我國空間碎片建模與預警具有重要參考意義.

但是由于EISCAT 500 MHz雷達采用波束駐留方式進行空間碎片探測,主要是對穿越雷達波束內的空間碎片流量進行統計分析,不能對空間碎片進行識別、跟蹤、定軌和編目. 因此,基于空間碎片重返周期一般為90～110 min,本文統計73天內探測到的空間碎片總數目為88 679個,其中可能存在被重復檢測和統計的情況. 另外,所提取的空間碎片參數(距離、速度和信噪比等)精度還需進一步分析驗證. 這些是本文下一步工作計劃.

致謝:本文數據來自于EISCAT,在此表示感謝.