美國天基紅外預警系統的發展＊

李國柱 孫 軼

（海軍駐漢中地區航空軍事代表室 漢中 723213）

1 引言

目前，美國在研的“天基紅外系統”SBIRS采用了全新的組網方式和各種先進的星載光電探測器，提高了掃描速率和靈敏度，具有精確的跟蹤和定位能力，可實時探測與跟蹤導彈從發射到飛行的全過程，用于對全球和戰區導彈預警、國家和戰區導彈的防御、技術情報的提供和戰場態勢的分析等，預警速度和精度將大大提高。本文就天基紅外預警系統、發展動向、發展分析等，作進一步的研究和探討［1］。

2 天基紅外預警系統（SBIRS）

2.1 SBIRS的組成

該衛星系統擬由兩部分組成：高軌道部分，包括4顆地球同步軌道衛星和2顆大橢圓軌道衛星；低軌道部分，即SMTS，包括若干顆近地軌道小衛星，組成一個覆蓋全球的衛星網，主要用于跟蹤在中段飛行的彈道導彈和彈頭，并能引導攔截彈攔截目標［2］。

1）SBIRS預警衛星高軌道部分。

SBIRS預警衛星的關鍵是研制能快速探測到“飛毛腿”之類較小導彈發射的一對先進探測器，即在每顆衛星上裝有高速掃描型探測器和與之互補的凝視型探測器。掃描型探測器用一個一維線陣掃掠地球的北半球和南半球，對導彈在發射時所噴出的尾焰進行初始探測。然后它將探測信息提供給凝視探測器，后者用一個精細的二維面陣將發射畫面拉近放大，對目標進行跟蹤。

在按新方案設計的衛星上，所用的掃描型探測器具有比DSP快得多的掃描速度，它同高分辨率凝視型探測器相結合，可使天基紅外系統衛星的掃描速度和靈敏度比DSP衛星高10倍以上。這些改進再加上能穿透大氣層和幾乎在導彈剛一點火時就能探測到其發射的本領，將使SBIRS衛星對較小導彈發射的探測能力比DSP衛星強得多，它可在導彈發射后10～20s內將警報信息傳送給地面部隊，而DSP衛星則需要40～50s。

2）SBIRS預警衛星低軌道部分。

SBIRS低軌道衛星（SMTS）數量大約為21～30顆。飛行在多個軌道面上的低軌道衛星將成對工作，以提供立體觀測。每對衛星通過60GHz的衛星間交聯線路進行相互通信。每顆衛星將有一臺寬視場短波紅外捕獲探測器和一臺窄視場凝視型多色（中波、中長波和長波紅外及可見光）跟蹤探測器。這些探測器將按“先看地平線以下后看地平線以上”的順序工作，以捕獲和跟蹤目標導彈的排氣尾焰及其發熱彈體、助推級之后的尾焰和彈體以及最后的冷再入彈頭。通過中段跟蹤和對彈頭與其他物體的辨別，衛星還能為地面防御系統提供指示性信息。SMTS使早期攔截彈道導彈成為可能，同現有系統相比，它可將防區范圍擴大2～4倍。

2.2 SBIRS的特點

SBIRS-Low計劃是SBIRS的核心，它至少由21顆低軌衛星組成，分布在3個軌道平面上。該系統將對全球范圍內的導彈發射進行不間斷的監視和監測，并提供導彈發射的準確時間和地點。不管導彈發射來自陸地、海上或空間，均可對導彈彈道軌跡進行跟蹤，獲得導彈彈頭的位置、速度和加速度，并辨明真假目標和導彈碎片，進而估計其攻擊的準確地點，及時通知當地的地面系統。此外，SBIRS－Low系統還將提供有關導彈發射場的特征參數和有關導彈類型的技術情報。

SBIRS-Low衛星為低費用小衛星。采用多臺遙感器，工作波段包括可見光、中波紅外和短波紅外。其可見光遙感器用于導彈基地和導彈類型的鑒別；短波紅外遙感器用于導彈發射的偵察；中波紅外遙感器用于導彈發射后跟蹤偵察。為使可見光遙感器能通過云層偵察，還裝有原子諧振濾波器（ARF）。

早期的DSP衛星只采用短波紅外（2.7μm）和可見光探測，無法克服云層反射陽光等自然現象造成的虛警問題，后來發展為雙色紅外波段（2.7μm和4.3μm），可以明顯降低由此引起的虛警概率。目前正在試驗紫外和長波紅外的探測效果。來自不同波段和不同探測器的數據融合可進一步降低虛警以提高目標的識別率。

SBIRS對彈道導彈的探測仍以中短波紅外為主，因為該波段探測技術比較成熟，同時能獲得較高的圖像信噪比和探測效率。由于預警目標和材料及工藝的原因，早期的DSP探測器采用了2000像元的線陣列，其分辨率低，但對于探測尾焰紅外輻射長度達幾公里的戰略導彈是足夠的。SBIRS采用長線列掃描發現戰區戰術導彈目標，以擴大搜索視場；用大面陣凝視跟蹤目標，以提高目標信息的獲取速率。

3 發展動向

1）美國首個天基紅外高橢圓軌道系統通過運行鑒定。美國洛克希德·馬丁公司網站2008年12月15日報道：美國天基紅外系統（SBIRS）首個高橢圓軌道（HEO-1）有效載荷及地面系統已經通過了美國戰略司令部（USSTRATCOM）的運行鑒定。SBIRS系統可提供導彈發射預警，同時為導彈防御、技術情報和戰場態勢感知等任務提供支持［3］。

SBIRS團隊由美國空軍太空與導彈中心的天基紅外系統聯隊領導，洛·馬公司為SBIRS的主承包商，諾·格公司為載荷集成商。SBIRS的運行由空軍太空司令部負責。

此次正式鑒定證實了SBIRS HEO傳感器及相關地面系統能為國家指揮機構（National Command Authoritie）提供及時、準確的預警數據，為美國戰略司令部任務提供支持。

有關官員表示，HEO-1系統具有卓越的數據質量。HEO有效載荷所提供的前所未有的戰場空間紅外圖像，標志著向日益增強的戰場空間態勢感知能力邁出的第一步，HEO有效載荷同時還提供關于導彈、飛行器和其他事件的實時數據。

2）“天基紅外高軌系統”第二顆高橢圓軌道預警衛星進入運行階段。美國洛克西德·馬丁公司網站2009年7月24日報道：美空軍正式接收“天基紅外高軌系統”（SBIRS-high）第二顆高橢圓軌道（HEO-2）預警衛星載荷進入運行階段，為美國戰略司令部在8月份正式將HEO-2衛星載荷納入到導彈防御系統中鋪平了道路［4］。

HEO-2衛星載荷于2008年3月由國家偵察局（NRO）的NROL-28衛星攜帶進入軌道，同年6月通過初步在軌測試后投入測試運行階段。在測試期內，HEO-2衛星載荷獲得的實時數據被集成到現有的預警網絡中，提供導彈預警，在軌試驗性能超過預期。

“天基紅外高軌系統”將替代目前在軌的“國防支援計劃”（DSP）衛星為美軍提供新的天基導彈預警能力。該系統的主承包商是洛克西德·馬丁公司，計劃研制2顆高橢圓軌道衛星和2顆地球同步軌道（GEO）衛星。近日，洛·馬公司獲得了價值15億美元的 HEO-3衛星和GEO-3衛星研制合同，預計今年年底將獲得HEO-4衛星和GEO-4衛星研制合同。

3）古德里奇公司短波紅外（SWIR）傳感器技術支持空軍監視和偵察項目。美國《軍事與航空航天電子學》網站2011年3月9日報道：美國空軍研究人員需要用以定位和情報、監視和偵察（ISR）的短波紅外（SWIR）圖像傳感器技術［5］。

在位于俄亥俄州的賴特帕特森空軍基地材料和制造局的美國空軍研究實驗室（AFRL）的科學家正在選擇古德里奇公司ISR系統開發SWIR圖像傳感器技術，此項技術是AFRL軍事SWIR傳感器項目中先進保護技術開發（ADePT）的一部分。

SWIR傳感器能夠檢測人眼看不到的0.9～1.7μm的反射光。然而，SWIR光從可見物體上反射，產生的陰影和圖像對比度，并制作在分辨率和細節上可媲美可見光圖的影像。短SWIR圖像沒有顏色，這使得對象容易辨認并有利于對象或個體識別。

古德里奇公司的SWIR攝像技術具有小型、低功率、輕巧特征。公司官員說，因為它使用了銦鎵砷化物（InGaAs）材料和先進的電路運行而不會冷卻。

“ADePT項目上的工作將開發材料和技術，以提高情報、監視和偵察和定位傳感器的生存能力，讓我們的戰士在戰場上有一個很大的優勢，”古德里奇ISR系統公司的業務發展經理大衛·戴維斯稱。

4）美國古德里奇公司向美海軍交付寬域持久監視紅外攝像機［6］。美國古德里奇公司2010年3月11日報道：古德里奇公司ISR系統部向美國海軍研究實驗室交付了7套CA-247機載穩定寬域持久監視系統（WAPS）中的第四套，這些紅外攝像機將用于作戰部署。

CA-247攝像系統采用了先進的光學系統、穩定系統和軟件，視場較寬，可為地面部隊提供持久的寬域監視。該攝像機可增加可見光傳感器，以提供晝夜成像能力。系統基于模塊化設計，可根據特定任務需求容納多種傳感器結構。

古德里奇公司ISR系統部官員稱，該公司的WAPS技術可用于多種任務平臺，用途極為廣泛，可在各種場合下為地面部隊進行支持。除了該合同涵蓋的7臺攝像機外，古德里奇公司還為其他幾份合同制造了數臺類似的WAPS系列攝像機。

5）美國空軍關注新衛星體系結構。美國《航宇周刊》2011年5月10日報道：導彈防御局（MDA）的下一套天基衛星跟蹤系統將采用比目前在軌驗證的諾斯羅普·格魯曼“空間系統跟蹤與監視系統”（STSS）衛星更小的設計。未來十年中這兩種新方法能被更好地應用于導彈預警和追蹤領域中［7］。

導彈防御局是基于約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的建議做出決定的，這個決定將指導后續的“精確跟蹤太空系統”（PTSS）的設計方案研究。MDA在設計PTSS時放棄了目標獲取功能，衛星只跟蹤目標以降低研發價格和風險，這將推動MDA提高場外指示所需要的通信能力和網絡工作能力。

APL已經公布了6份最終設計子合同，分別授予了洛克希德·馬丁、波音、諾斯羅普·格魯曼、雷聲、鮑爾航宇公司和軌道科學公司進行，但尚未確定采辦和建造計劃。前兩顆衛星很可能由APL負責設計建造，工業界將生產最多10顆衛星，發射最初計劃在2014年，但現在已經推遲到了2016年。

與此同時，在“天基紅外系統”（SBIRS）以外，五角大樓可以把紅外導彈預警任務最終轉變到“分解”式體系結構。洛克希德·馬丁公司為4顆SBIRS地球同步軌道的主合同商，預計未來美國空軍還將通過批量購買方式再采購兩顆。但高級國防官員認為在不終止天基紅外采購的同時，實施“分解”戰略的機會仍舊存在。

未來導彈預警技術的成熟需要寬視場焦平面陣列技術。雷聲等公司正在研究這些陣列。雷聲公司正在計劃一種模塊化方法，用于未來天基導彈預警與跟蹤系統。以其響應器模塊化衛星概念為基礎，該公司正在計劃新的導彈預警工具包。這種概念要求通用零部件（如處理器、冷卻器和望遠鏡），配以為專項任務優化了的專用焦平面陣列（如用于導彈預警的短波紅外和用于導彈跟蹤的長波紅外）。

與此同時，如果洛克希德·馬丁／諾斯羅普·格魯曼團隊無法掌控目前主要由天基紅外系統執行的導彈預警任務，一組經過挑選的合同商將協同工作。諾斯羅普·格魯曼和波音團隊已經低調宣布他們對今后組成團隊感興趣。其他的有效載荷供應商包括雷聲公司和古德里奇公司。

4 發展分析

天基紅外預警系統的發展趨勢：一是擴展應用；二是微小衛星；三是一體化；四是網絡化［8］。

4.1 擴展應用

擴展天基預警系統的戰術應用。DSP預警衛星系統更適于探測跟蹤戰略導彈，難以滿足現代信息化戰爭中對戰術導彈預警的要求。為此，美軍對DSP和SBIRS衛星系統制訂了多項技術改進計劃，如在地面用超高速計算機處理衛星數據以縮短預警時間，選擇合適的紅外探測器波段和靈敏度，將SBIRS低軌道的工作星座縮小到8顆，使應用范圍從戰略層次向戰術層次延伸。美國計劃2020年將SBIRS建成兼顧戰略和戰術要求、以戰術應用為主的天基預警系統，以提高直接支援部隊作戰的能力。

4.2 微小衛星

構建微小預警衛星星座。微小型衛星具有發射靈活、反應快速、成本低廉等優點，可滿足應對突發事件和局部戰爭的需要，美、俄、歐盟、日本都在大力發展微小型衛星。微小型衛星多以星座形式部署，生存能力強、偵察監視范圍大、重訪周期短，在未來軍事領域的應用十分廣泛。美國“天基紅外系統”低軌道衛星就將采用小衛星組網，在小衛星上配備捕捉傳感器和跟蹤傳感器，用以發現、跟蹤在中段飛行的彈道導彈和彈頭，引導攔截彈攔截目標。

2011年5月27日美國航天網報道：美國陸軍正在極力推動發射大批微型廉價間諜衛星，這些衛星將成為地面陸軍的耳目。

這項工作意在適應戰爭特點的新變化。戰爭變得越來越需要一小隊美國士兵在惡劣、孤立的環境中（如阿富汗山區）獵獲難以尋覓的目標。新衛星能有助于降低此類行動的難度和危險性。首顆此類納衛星于2010年12月發射，這是自1960年以來發射的首顆由陸軍建造的衛星。陸軍官員表示陸軍可能在不久后建造更多納衛星。

陸軍太空與導彈防御司令部（SMDC）納衛星技術項目經理約翰·蘭頓（John London）在2011年國際太空發展會議上指出：“我們認為能在一個很小的裝置內封裝許多能力，目前正在快速朝這一方向發展。”

美軍已經擁有了運行中的偵察衛星系統，這些巨大、昂貴、能力極強的衛星大多數由空軍開發，如近日發射的價值14億美元的首顆天基紅外地球同步軌道衛星（GEO-1）。除了這些先進衛星的能力，地面作戰人員還非常需要更加精確且及時的信息。

為滿足將士需求，陸軍正在研發試驗多種納衛星，納衛星由于成本低廉可以大量發射。這些納衛星的觀測范圍將相當大，敵人要想擊落衛星也很難。

4.3 一體化

發展一體化的預警系統。天基預警系統、空中預警系統和陸基預警系統組成了美軍多層次、全方位的一體化預警探測系統，可以探測到幾乎所有的彈道導彈威脅。天基預警系統主要由“國防支援計劃”衛星系統組成；空中預警系統現裝備的預警機主要有E-2“鷹眼”，預警時間為5～25min；E-3“衛兵”，預警時間為30min；E-8“聯合監視目標攻擊雷達系統”，監視范圍達1000，000km2，具有遠程預警、指揮控制的功能，能協調三軍聯合作戰；陸基預警系統由多種雷達預警系統組成，可對洲際彈道導彈、巡航導彈等進行預警。美軍還計劃研制一種天基預警與控制雷達系統，由預警與控制系統衛星（AWACS）及RQ-4A“全球鷹”無人機構成，具有監視地域廣、部署速度快、生存能力強、抗干擾等優點。

4.4 網絡化

實現天基預警系統的網絡化。美軍目前已經建立了以衛星作為獲取和傳遞信息的主要手段的軍事信息結構，在現代高技術局部戰爭中發揮了重要作用。但目前的軍事信息結構也有其缺陷，由于不同的系統由不同的機構進行管理，因此互操作性差，服務功能單一。

例如，2001年，美國提出建設國家戰略預警的網絡化信息集成系統，該計劃強調充分利用陸軍、空軍、海軍、民用和盟國的空間系統資源，在戰略預警系統的建設上采用聯合技術標準，克服目前預警系統功能重復、條塊分割的現象。通過與陸軍、空軍、海軍、民用和盟國信息基礎設施的集成，組成國家一體化、分布式體系結構的戰略預警、偵察、監視和情報網絡系統。

到2020年，利用導彈預警衛星和通信中繼衛星之間的信息鏈路和全球指揮控制系統以及全球軍用通信系統。如全球戰術信息廣播系統、國防信息網系統等，將所有陸軍、空軍、海軍和航天部隊的預警信息數據匯集、處理和融合，迅速分發各個預警系統的信息，把相關數據傳送給軍事戰略指揮機關和戰區導彈防御部隊，實現預警信息交換的暢通無阻，幷且納入“全預警防御信息網”，實現全軍C4ISR系統諸環節的無縫結合，為全球美軍和盟軍作戰，提供彈道導彈發射和戰場態勢的信息數據。

到2025年，利用導彈預警衛星和通信中繼衛星之間的信息聯絡和導彈預警衛星與通信中繼衛星之間的信息數據處理和融合，建成功能強大、功防兼備的空間反導預警網。

5 結語

綜合國外多種報道：目前，美國天基預警系統的發展趨勢將是多種探測手段結合、多種軌道衛星組網，并與其它系統（如反導防御系統）橫向聯合，擴展預警衛星系統能力。例如，美國加快了DSP向SBIRS的轉換，以便提供更精確的預警能力，尤其是發展SBIRS低軌衛星凝視傳感器的超長波紅外等先進探測技術，可大大提高SBIRS系統發現跟蹤目標的把握性，特別是對戰術彈道導彈進行的預警。其中，“SBIRS增量Ⅱ”計劃于2012年開始啟動，這一新的星座將逐步取代DSP衛星在導彈預警任務中的主導地位［9］。

［1］郭文鴿，馮書興.美國導彈預警衛星系統分析及其啟示［J］.中國航天，2005（12）

［2］鐘建業，魏雯.美國預警衛星探測器及其相關技術［J］.中國航天，2005（6）

［3］美國首個天基紅外高橢圓軌道系統通過運行鑒定［N］.每日防務，2008-12-23

［4］“天基紅外高軌系統”第二顆高橢圓軌道預警衛星進入運行階段［N］.每日防務，2009-07-29

［5］古德里奇公司短波紅外（SWIR）傳感器技術支持空軍監視和偵察項目［N］.每日防務，2011-03-11

［6］美國古德里奇公司向美海軍交付寬域持久監視紅外攝像機［N］.每日防務，2010-03-18

［7］美國空軍關注新衛星體系結構［N］.每日防務，2011-05-17

［8］袁俊.彈道導彈預警技術的應用與發展［J］.航空科學技術，2006（6）

［9］劉濤，陳浩文，黎湘.天基紅外傳感器彈道導彈中段目標識別技術分析［J］.電光與控制，2009（3）