艾賽江 李義 宋易敏 張映昊（中國人民解放軍63611部隊(duì)）

美國最先發(fā)展天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)，已經(jīng)形成高、低軌結(jié)合，預(yù)警、跟蹤和識別功能復(fù)合，性能先進(jìn)的預(yù)警衛(wèi)星體系，可為美國提供強(qiáng)大的彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力。美國先后部署了多種型號的天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)，包括“國防支援計(jì)劃”（DSP）、“天基紅外系統(tǒng)”（SBIRS）、“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”(STSS)等。為應(yīng)對新威脅、新挑戰(zhàn)，美國持續(xù)研究新技術(shù)、發(fā)展新系統(tǒng)，牢牢占據(jù)太空反導(dǎo)主動權(quán)。

1 引言

天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)能夠提升對彈道導(dǎo)彈的預(yù)警和跟蹤能力，協(xié)助地面指揮中心制定反導(dǎo)方案，對鞏固國防具有重大意義。美國天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)是其國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，可以為國家領(lǐng)導(dǎo)、作戰(zhàn)指揮官、情報機(jī)構(gòu)及其他關(guān)鍵決策人員提供及時、可靠、準(zhǔn)確的導(dǎo)彈預(yù)警與紅外監(jiān)測信息，使美國在全球?qū)棸l(fā)射探測、彈道導(dǎo)彈防御、技術(shù)情報搜集及戰(zhàn)場態(tài)勢感知等方面的能力極大增強(qiáng)。

目前，美國典型的預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)包括“國防支援計(jì)劃”預(yù)警衛(wèi)星、“天基紅外系統(tǒng)”和“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”。

2 美天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

美軍天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)以紅外預(yù)警衛(wèi)星為代表，具體分為3種：“國防支援計(jì)劃”、“天基紅外系統(tǒng)”和“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”。

（1）“國防支援計(jì)劃”

“國防支援計(jì)劃”預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)是美國第一種實(shí)戰(zhàn)部署的預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)，是為應(yīng)對洲際彈道導(dǎo)彈攻擊美國本土而建造的。其首要任務(wù)是探測陸基和?；揠H彈道導(dǎo)彈預(yù)警，1991年海灣戰(zhàn)爭中的“沙漠風(fēng)暴”后，也用于戰(zhàn)區(qū)戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈預(yù)警；第二任務(wù)是檢測太空飛行器發(fā)射和核爆，可以檢測地球大氣層內(nèi)和太空中的核爆，這個能力也可用于彈道導(dǎo)彈攔截效果評估?！皣乐г?jì)劃”預(yù)警衛(wèi)星自1970年發(fā)射第一顆預(yù)警衛(wèi)星至2007年，共發(fā)射了23顆衛(wèi)星。當(dāng)前有4顆工作衛(wèi)星運(yùn)行在GEO軌道，分別為國防支援計(jì)劃－18、20、21和22。

“國防支援計(jì)劃”衛(wèi)星系統(tǒng)上的主要載荷有2種：一是雙色短波紅外望遠(yuǎn)鏡，每隔8～12s就可以對地球表面1/3區(qū)域重復(fù)掃描1次，能在導(dǎo)彈發(fā)射后90s探測到導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射信號，并將這一信息傳給地面接收站，地面接收站再將情報傳給指揮中心，全過程僅需3～4min；二是具有遠(yuǎn)望能力的高分辨率可見光電視攝像機(jī)，安裝攝像機(jī)是防止把高空云層反射的陽光誤認(rèn)為是導(dǎo)彈尾焰而造成虛警。在星上紅外望遠(yuǎn)鏡沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，攝像機(jī)每隔30s向地面發(fā)送1次電視圖像，一旦紅外望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，攝像機(jī)就自動或根據(jù)地面指令連續(xù)向地面站發(fā)送目標(biāo)圖像，以1～2幀/s的速度在地面電視屏幕上顯示導(dǎo)彈尾焰圖像的運(yùn)動軌跡。

美軍現(xiàn)役天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星

“國防支援計(jì)劃”衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋圖

“國防支援計(jì)劃”衛(wèi)星系統(tǒng)采用3～4顆GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對地球表面的全天候覆蓋，通過衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)（6轉(zhuǎn)/min）帶2種載荷實(shí)現(xiàn)對單星覆蓋區(qū)域的快速掃描，3顆衛(wèi)星同時工作，10s就可完成對全球表面的1次掃描。

（2）“天基紅外系統(tǒng)”

由于“國防支援計(jì)劃”系統(tǒng)在性能上難以滿足日益增長的彈道導(dǎo)彈防御需求，美國于1995年提出發(fā)展“天基紅外系統(tǒng)”，逐步取代“國防支援計(jì)劃”系統(tǒng)?！疤旎t外系統(tǒng)”的基本目標(biāo)是完善對戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈的預(yù)警能力，擴(kuò)展對戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的預(yù)警能力，原計(jì)劃由天基高軌部分（SBIRS-High）和低軌部分（SBIRS-Low）組成。2002年，美國調(diào)整天基預(yù)警衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃，將低軌部分拆分成獨(dú)立的“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”，高軌部分保留“天基紅外系統(tǒng)”的名稱。

目前，“天基紅外系統(tǒng)”由4顆GEO衛(wèi)星和4顆HEO衛(wèi)星載荷組成，洛馬公司正在制造第5顆和第6顆GEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星主要用于探測和發(fā)現(xiàn)處于助推段的彈道導(dǎo)彈，提供導(dǎo)彈的發(fā)射及主動段的非成像紅外數(shù)據(jù)并預(yù)測導(dǎo)彈落區(qū)。HEO衛(wèi)星載荷將系統(tǒng)的預(yù)警覆蓋范圍擴(kuò)展到地球南、北兩極，彌補(bǔ)了“國防支援計(jì)劃”的極帽盲區(qū)。

“天基紅外系統(tǒng)”衛(wèi)星及載荷情況

“天基紅外系統(tǒng)”衛(wèi)星搭載雙色高速掃描型紅外探測器和高分辨率凝視傳感器。掃描型探測器用一維線陣對地球南、北半球進(jìn)行大范圍掃描；凝視型探測器利用掃描型探測器提供的探測信息，用一個精細(xì)的二維面陣將導(dǎo)彈的發(fā)射畫面拉近放大，獲取詳細(xì)的目標(biāo)信息。兩種探測器獨(dú)立接受任務(wù)指令，可以同時工作。

與“國防支援計(jì)劃”衛(wèi)星相比，“天基紅外系統(tǒng)”衛(wèi)星的探測譜段更寬，掃描型和凝視型探測器相結(jié)合，使“天基紅外系統(tǒng)”的掃描速度和靈敏度相比“國防支援計(jì)劃”系統(tǒng)提高了10倍以上，能夠穿透大氣層在導(dǎo)彈剛一點(diǎn)火就探測到其發(fā)射，可對目標(biāo)進(jìn)行精確跟蹤，定位精度約1km，可在導(dǎo)彈發(fā)射后10～20s內(nèi)將預(yù)警信息傳給預(yù)警指揮控制中心。

（3）“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”

“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”即原來的“SBIRSLow”計(jì)劃，2001年由美國空軍轉(zhuǎn)交至國家導(dǎo)彈防御局（MDA）并于2002年重新命名。“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”目標(biāo)是構(gòu)建具有對彈道導(dǎo)彈全程跟蹤和探測能力的衛(wèi)星星座。該項(xiàng)目由于技術(shù)風(fēng)險和經(jīng)費(fèi)投入過大，最終僅批準(zhǔn)先發(fā)射2顆衛(wèi)星進(jìn)行技術(shù)演示驗(yàn)證試驗(yàn)，參與反導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星

2009年9月，“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”的2顆演示驗(yàn)證衛(wèi)星發(fā)射入軌，多次參與美國導(dǎo)彈攔截試驗(yàn)，展示了導(dǎo)彈全程跟蹤、立體式跟蹤、多目標(biāo)跟蹤、空間目標(biāo)跟蹤、相機(jī)間任務(wù)轉(zhuǎn)交、雙星間通信，以及下行鏈路和導(dǎo)彈防御指揮與控制系統(tǒng)通信能力。在多次導(dǎo)彈防御試驗(yàn)中生成高質(zhì)量預(yù)警信息，擁有更優(yōu)的預(yù)報精度，縮短了信息傳輸回路，可以提供更多攔截準(zhǔn)備時間。

“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星裝有1臺寬視場捕獲傳感器和1臺窄視場凝視型多波段跟蹤傳感器。寬視場捕獲傳感器通過相對地球背景觀察主動段尾焰來探測處于地平線以下且逐漸爬升的導(dǎo)彈。窄視場凝視型多波段跟蹤傳感器涉及3種波長，可以觀察地平線以上目標(biāo)，鎖定目標(biāo)并在彈道中段和再入段跟蹤該目標(biāo)。

天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)工作流程和原理

（1）天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)工作流程

美國天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)是通過高低軌衛(wèi)星的協(xié)作以及地面站的支持來實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)功能的。

其中，高軌衛(wèi)星（SBIRS-High）利用其覆蓋范圍廣的優(yōu)勢來快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并將衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后傳送到地面任務(wù)控制站（MCS），任務(wù)控制站對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分類和目標(biāo)識別，判斷紅外源的性質(zhì)，計(jì)算出導(dǎo)彈彈道，然后將跟蹤數(shù)據(jù)傳送給低軌STSS衛(wèi)星并引導(dǎo)其對導(dǎo)彈中段及末段的跟蹤測量，低軌衛(wèi)星利用其分辨率高的優(yōu)勢來連續(xù)探測、跟蹤目標(biāo)。同時，任務(wù)控制站將衛(wèi)星信息送往導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的“指揮控制、作戰(zhàn)管理和通信系統(tǒng)”（C2BMC），引導(dǎo)武器攔截系統(tǒng)對導(dǎo)彈實(shí)施攔截。

天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)采用多軌道部署的組網(wǎng)方式，GEO衛(wèi)星用于探測導(dǎo)彈飛行的助推段，LEO衛(wèi)星用于跟蹤導(dǎo)彈飛行中段和再入段，HEO衛(wèi)星能夠覆蓋兩極地區(qū)，相互之間進(jìn)行信息傳輸和情報共享，高、低軌衛(wèi)星構(gòu)成了一個立體探測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈全程跟蹤。

美國天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)工作流程圖

（2）天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)工作原理

天基紅外預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的預(yù)警可分為目標(biāo)探測和參數(shù)預(yù)報兩個層次。其中，目標(biāo)探測是依據(jù)助推段彈道導(dǎo)彈尾焰與背景在特定波段紅外輻射強(qiáng)度的高對比度及其特有的運(yùn)動規(guī)律完成的。助推段彈道導(dǎo)彈的尾焰中的主要輻射氣體CO2和H2O在2.7μm和4.3μm兩個波段發(fā)出強(qiáng)烈的紅外輻射；天基紅外預(yù)警衛(wèi)星使用碲鎘汞探測器對這兩個波長附近的紅外輻射進(jìn)行探測。參數(shù)預(yù)報則是依據(jù)對目標(biāo)多次探測的定位信息，擬合出導(dǎo)彈的彈道，進(jìn)而完成對其發(fā)射點(diǎn)、關(guān)機(jī)點(diǎn)和落點(diǎn)等關(guān)鍵參數(shù)的估計(jì)。天基紅外預(yù)警衛(wèi)星在完成目標(biāo)的探測與定位后，通過連續(xù)多次的定位數(shù)據(jù)初步擬合導(dǎo)彈的彈道，隨著探測信息的不斷累積，彈道參數(shù)將不斷更新，彈道擬合越來越準(zhǔn)確；通過對導(dǎo)彈關(guān)機(jī)點(diǎn)的捕捉，就可以估計(jì)關(guān)機(jī)點(diǎn)的位置和速度，進(jìn)而根據(jù)被動段飛行規(guī)律推測導(dǎo)彈落點(diǎn)參數(shù)。

3 未來發(fā)展趨勢

美國高度重視天基預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，加速開展相關(guān)工作，推動向可防御的太空態(tài)勢轉(zhuǎn)變，持續(xù)保持太空優(yōu)勢。

發(fā)展新一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)

面對空間系統(tǒng)威脅增加、脆弱性增強(qiáng)的現(xiàn)狀，2018年，美國空軍決定取消采購“天基紅外系統(tǒng)”GEO-7和GEO-8衛(wèi)星，計(jì)劃過渡到“下一代過頂持續(xù)紅外 ”（Next-Gen OPIR）導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星?！跋乱淮^頂持續(xù)紅外”是“天基紅外系統(tǒng)”的替代版本，是美國繼“國防支援計(jì)劃”、“天基紅外系統(tǒng)”和“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”之后，為瞄準(zhǔn)未來太空作戰(zhàn)，轉(zhuǎn)變裝備發(fā)展理念，著力構(gòu)建在“競爭性環(huán)境”中具有更強(qiáng)生存能力和體系彈性的天基預(yù)警體系，以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的威脅。新一代高軌預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)具有功能更強(qiáng)大的傳感器和其他優(yōu)點(diǎn)，在對抗環(huán)境中具有更好的適應(yīng)性。

“下一代過頂持續(xù)紅外”項(xiàng)目通過“采用成熟的衛(wèi)星平臺+重點(diǎn)關(guān)注傳感器技術(shù)”的方式，使美國在未來保持甚至獲得更強(qiáng)預(yù)警能力的同時，有效降低單個預(yù)警衛(wèi)星的成本，從而降低己方導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的作戰(zhàn)目標(biāo)價值，獲得更高的生存概率。此外，“相對簡單廉價”的預(yù)警衛(wèi)星，在戰(zhàn)時也能夠大量制造和快速部署，補(bǔ)充和維持天基導(dǎo)彈預(yù)警能力，增強(qiáng)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的體系彈性。

“下一代過頂持續(xù)紅外”采用超大面陣多波段紅外陣焦平面探測器，不僅能探測跟蹤大型彈道導(dǎo)彈的發(fā)射，還能探測和跟蹤小型地空導(dǎo)彈、高超聲速武器，甚至空空導(dǎo)彈的發(fā)射。一旦整個系統(tǒng)完成實(shí)戰(zhàn)部署，可直接在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面上支持反導(dǎo)作戰(zhàn)，將對各國的導(dǎo)彈武器的作戰(zhàn)運(yùn)用帶來極大影響。

在美國天軍2021財年預(yù)算申請中，增加了對“下一代過頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)的投資，為“下一代過頂持續(xù)紅外”星座申請23億美元。其首個星座（Block 0）將由3顆GEO衛(wèi)星和2顆極軌衛(wèi)星組成，主承包商是洛馬公司和諾格公司。根據(jù)預(yù)算文件，首顆GEO衛(wèi)星將于2025年交付，首顆極軌衛(wèi)星將于2027年交付。預(yù)計(jì)到2029年，所有5顆Block 0衛(wèi)星都將入軌。

利用現(xiàn)代商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)

美國高級研究計(jì)劃局（DARPA）提出新設(shè)想，能否利用現(xiàn)代商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)，在LEO上構(gòu)建起一個由大量低軌衛(wèi)星持續(xù)覆蓋全球的、低成本的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，這樣就解決了經(jīng)費(fèi)問題。

DARPA計(jì)劃在未來2～3年內(nèi)，向LEO發(fā)射一個配備軍用有效載荷的試驗(yàn)性小型商業(yè)衛(wèi)星星座，即“黑杰克”（Blackjack）項(xiàng)目?！昂诮芸恕表?xiàng)目旨在改進(jìn)商業(yè)太空技術(shù)用于軍事用途，其背后的理念是抓住商業(yè)太空創(chuàng)新，減少軍事系統(tǒng)的成本和開發(fā)時間，有望使國防部進(jìn)入快速部署低成本太空系統(tǒng)的新時代。如果項(xiàng)目取得成功，可以證明“天基傳感器層”能以低于傳統(tǒng)軍事衛(wèi)星的成本實(shí)現(xiàn)，同時，相比大多數(shù)國防部系統(tǒng)7～10年的生產(chǎn)周期，其生產(chǎn)周期只有1～2年。

導(dǎo)彈預(yù)警是“黑杰克”衛(wèi)星的潛在應(yīng)用之一。“黑杰克”項(xiàng)目還設(shè)定了更宏偉的目標(biāo)，計(jì)劃在軌演示驗(yàn)證使用“智能”衛(wèi)星自主收集、分析和傳播數(shù)據(jù)，甚至可能向攔截彈武器發(fā)送信息，這將大幅減少應(yīng)對導(dǎo)彈攻擊所需的時間。需要進(jìn)一步研究的問題之一是“天基傳感器層”的“火控方法”。高超聲速導(dǎo)彈的飛行速度比彈道導(dǎo)彈快得多，因此數(shù)據(jù)延遲將是一個關(guān)鍵影響因素。DARPA尋求在“黑杰克”項(xiàng)目的下一階段解決此問題，開發(fā)名為“工頭”（Pit Boss）的自動控制單元，內(nèi)含高速處理器，可進(jìn)行在軌計(jì)算并管理與地面之間的通信，使每顆衛(wèi)星都具備自主智能運(yùn)行能力，同時可實(shí)現(xiàn)任一衛(wèi)星與星座中的其他節(jié)點(diǎn)的協(xié)同作戰(zhàn)，保證整個星座不需人員干預(yù)也能長期自主運(yùn)行。

發(fā)展對高超聲速武器的跟蹤能力

在高超聲速武器防御方面，美國仍處于早期探索研究階段，在美國導(dǎo)彈防御局主導(dǎo)下，基于“全面、分層防御戰(zhàn)略”，美國將從體系架構(gòu)、預(yù)警探測、指揮控制、攔截彈等多個維度推動高超聲速防御能力發(fā)展。

為應(yīng)對高超聲速武器對現(xiàn)有預(yù)警體系的威脅，美軍推進(jìn)低軌天基傳感器層的研發(fā)與部署,大力發(fā)展“高超聲速和彈道導(dǎo)彈跟蹤天基探測器”（HBTSS）項(xiàng)目。計(jì)劃在LEO發(fā)展一個規(guī)模為百顆小衛(wèi)星星座的天基傳感器層，實(shí)現(xiàn)對高超聲速導(dǎo)彈進(jìn)行“從生到死”的全周期持續(xù)跟蹤與識別。未來，天基傳感器層將納入國防太空架構(gòu)以支持導(dǎo)彈預(yù)警。

拓展更豐富的波段

未來，天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)將突破現(xiàn)有的紅外體系，向更豐富的波段拓展。大部分導(dǎo)彈在2.7μm和4.3μm這兩個波段都有強(qiáng)烈的特征峰，但是未來的洲際彈道導(dǎo)彈必然會在配方、發(fā)射機(jī)制等方面做足功夫，力圖降低這兩個波段的輻射特征。實(shí)際上，目前一些國家已經(jīng)啟動了低可探測的固體火箭發(fā)動機(jī)配方的研制計(jì)劃。固體火箭推進(jìn)劑或多或少地都會添加鋁粉等顆粒物來增加比沖。鋁粉的氧化物在高溫條件下有著紫外波段的典型輻射特征?？梢酝茢?，未來的天基預(yù)警衛(wèi)星將對0.24～0.29μm波段的紫外線產(chǎn)生依賴。今后的天基預(yù)警衛(wèi)星會采用多種波段融合的體系。

4 結(jié)束語

天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)具有高視角、探測范圍廣、預(yù)警時間長、具備全程跟蹤能力等特點(diǎn)，可為彈道導(dǎo)彈防御和實(shí)施反擊提供及時預(yù)警信息，是導(dǎo)彈預(yù)警體系的重要組成部分。美國通過建立和提升天基預(yù)警能力甚至是天基攔截技術(shù)，來應(yīng)對高超聲速滑翔武器、遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈等新型進(jìn)攻性武器的威脅，實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的監(jiān)測，并與其他系統(tǒng)融合，進(jìn)一步增強(qiáng)體系反導(dǎo)能力?？傮w來說，整個下一代導(dǎo)彈預(yù)警體系方案基本確定，高軌系統(tǒng)作為保底系統(tǒng)，重視提升防御能力；低軌系統(tǒng)大力推進(jìn)傳感器層建設(shè)，通過建設(shè)高超聲速與彈道導(dǎo)彈跟蹤太空傳感器層應(yīng)對高超聲速武器的威脅。