國外天基紅外系統的發展動向與分析＊

吳 昊

（海軍駐合肥地區軍事代表室 合肥 230088）

1 引言

天基紅外系統（Space Based Infrared System，SBIRS）是由美國空軍研制的下一代天基紅外監視系統，也是美國國家導彈防御系統的一個組成部分。該系統的任務是：戰略和戰區導彈預警、跟蹤從初始助推階段到飛行中段的導彈目標，為導彈防御指示目標提供技術情報，增進戰場態勢感知。本文就天基紅外系統、發展動向、發展分析等，作進一步的研究和探討［1］。

2 天基紅外系統

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，預警速度和精度都有了顯著提高［2］。

2.1 組成

天基紅外系統是一個包括多個空間星座和SBIRS衛星地面站的綜合系統。衛星星座由天基紅外系統低軌衛星（SBIRS－Low）和天基紅外系統高軌衛星（SBIRS－High）兩部分組成，但為了系統工作，還有地面系統。

1）高軌衛星部分。SBIRS－High部分由五顆（四顆為工作衛星，一顆為備份衛星）地球同步軌道衛星和兩顆大橢圓軌道衛星組成，主要用來探測和跟蹤助推段飛行的彈道導彈，為美國最高指揮機構和作戰部門提供全球和戰區范圍內的戰略、戰區導彈發射和助推段飛行及下落階段的紅外數據。大橢圓軌道衛星專門用來監視俄羅斯和中國高緯度地區的洲際導彈發射及潛射導彈發射。

首顆大橢圓軌道衛星HEO－1于2006年發射，為美國最高指揮當局和作戰部門提供全球和戰區的有關戰略、戰術導彈或其他紅外事件的發射、助推飛行段和落點區域的紅外數據。現已開始對美國和其他國家的發射活動進行成像偵察。

2）低軌衛星部分。低軌道系統是天基紅外系統的核心部分，由約24顆部署在1600km左右高度的小型、低軌道、大傾角衛星組成，飛行在多個軌道面上，將與高軌道衛星共同提供全球覆蓋能力。主要用以搜索和跟蹤彈道目標中段飛行時的發熱彈體和冷再入彈頭，可為預警雷達、搜索雷達、制導雷達引導目標，對導彈來襲進行早期預警，實時向國家導彈防御系統傳送彈道導彈在軌道全過程的飛行數據。

低軌衛星星座能夠幾顆衛星合作實現對導彈發射的立體觀測，而且衛星之間可相互通信，通信鏈路選用60GHz。一旦導彈飛出一顆衛星的視線，該衛星能通過衛星之間的通信鏈路將收集的導彈信息傳給其它衛星。

3）地面設施部分。在整個SBIRS計劃中，地面系統也是整個系統的重要組成部分，其主要功能是接收和處理SBIRS高軌衛星和低軌衛星的信息與數據，并對衛星進行控制。

SBIRS衛星地面站于2001年建成，并由美國本土地面控制站 （MCS）、備 用 地 面 控 制 站 （BMCS）、防 摧 毀 站（SMCS）、海外中繼站（SRGS）和多任務移動處理站（M3P）以及相關的通信鏈路等組成。

2.2 工作方式

SBIRS采用雙探測器體制，每顆星上裝有“掃描”型和“凝視”型兩臺探測器。高軌衛星主要用于探測助推段導彈，掃描速度和靈敏度比DSP衛星高10倍以上。它的掃描型探測器在導彈點火時就能探測到噴出的尾焰，然后在導彈發射后10s～20s內將警報信息傳送給凝視型探測器，由凝視型探測器將目標畫面拉近放大，獲取詳細信息。這種工作方式能有效增強探測戰術彈道導彈的能力。低軌衛星主要用于跟蹤在中段飛行的彈道導彈和彈頭，引導攔截彈攔截目標，與現有系統相比可將防區范圍擴大2～4倍。它的寬視場掃描型短波紅外探測器用于觀察導彈發射時的紅外輻射，發現戰區戰術導彈目標，以擴大搜索視場；窄視場凝視型多光譜跟蹤探測器用于中段和再入段跟蹤導彈，以提高目標信息獲取速率。通過掃描和凝視兩種方式的觀測，對陸地、海上和空間導彈的發射、類型、誘餌的撒布都有一定的觀測和識別能力。

這些探測器將按從地平線以下到地平線以上的順序工作，捕獲和跟蹤目標導彈的尾焰及其發熱彈體、助推級之后的尾焰和彈體以及最后的冷再入彈頭，實現對導彈發射全過程的跟蹤。其探測距離可達10000km左右，分辨率為幾十甚至幾米。通過對導彈和彈頭彈道的跟蹤，可以獲得導彈彈頭的空間位置、飛行速度、加速度，從而根據數據庫數據進行識別判斷真假目標和導彈碎片，衛星上的處理系統將預測出最終的導彈彈道以及彈頭的落點。并及時通知地面雷達系統和反導彈打擊系統，使得戰區導彈防御（TMD）系統和國家導彈防御（NMD）系統的防御區域擴大，能力增強。因此，SBIRS低軌衛星具有太空防御和打擊能力。

2.3 關鍵技術

天基紅外系統的主要任務是監視、探測、識別和跟蹤目標，因此光電探測技術是其關鍵技術。

1）提高探測距離是光電探測技術的核心。探測距離不僅與所探測物的輻射能量或彈頭的表面溫度有關，而且與探測器的波長、靈敏度等也有很大的關系。天基紅外系統紅外成像望遠鏡Ⅲ（SPIRITⅢ）探測距離理論上可達35007km，但實際探測中，由于宇宙星體的輻射會帶來噪聲，而且彈頭的能量并非呈方向性輻射，不能完全接收彈頭在6～16μm波段輻射的能量，因此，實際的探測距離要小得多，一般探測距離為17500km就可以滿足探測、跟蹤和識別的需要。但當彈頭表面溫度為150K，探測距離為7880km時，對于整個天基紅外系統衛星網來說，就難以滿足需要。

為提高探測距離采用了高性能、長線列、掃描型及大面積凝視型紅外探測器及制冷技術，盡量增加探測器元數，提高響應效率，使阻抗高，均勻性好，時間常數足夠小，同時使用了高性能斯特林循環制冷等技術。

2）動目標點跡處理與威脅判斷技術。由于數字技術的成熟和集成技術的發展，使得目標識別和判斷技術也得到很快發展。這里的點跡處理實際上是多批次運動目標的點跡跟蹤處理，它根據圖像處理單元發送來的每個目標的灰度等級、空間坐標，按照其灰度等級以及衛星的運動狀態等信息進行多目標識別和威脅判斷。

2.4 成像偵察衛星

按星載遙感器的不同，成像偵察衛星可分為光學成像偵察衛星、雷達成像偵察衛星和混合型成像偵察衛星三類

1）光學成像偵察衛星。光學成像偵察衛星也稱照相偵察衛星，其上載有可見光、紅外、多光譜和超光譜成像設備。可見光成像的地面分辨力最高，但缺點是受天氣影響較大，陰雨天、有云霧及夜間都不宜工作。紅外成像可以在夜間工作，并有一定的識別偽裝能力。多光譜成像可以獲得更多的目標信息。超光譜遙感器的譜分辨力為納米級，可以有效識別偽裝，也可以發現淺海的水下目標，是實施近海和海岸作戰的重要手段。但紅外和多光譜成像的缺點是分辨力都不及可見光成像高，而且都在一定程度上受云、霧、雨、雪的影響。

目前許多國家都擁有光電成像偵察衛星，如美國的“鎖眼”（KH）系列、俄羅斯的“阿拉克斯”（Araks）系列、以色列的“地平線”系列、法國的“太陽神”系列、日本的“情報收集衛星”（IGS）系列、印度的“試驗評估衛星”（TES）等。

2）雷達成像偵察衛星。雷達成像偵察衛星搭載雷達傳感器，包括側視雷達和合成孔徑雷達對目標進行偵察，具有不受云、霧、煙和光照條件影響的偵察能力，可進行全天時和全天候偵察，并可識別偽裝或地下目標。它可以彌補光學成像偵察衛星的不足，但其地面分辨力不及光學成像偵察衛星。

雷達成像偵察衛星實用性強，是世界各國都想擁有的偵察衛星。目前世界上唯一在軌部署的軍事雷達成像偵察衛星是美國的“長曲棍球”（Lacrosse）衛星，俄羅斯以前雖然發射過多顆雷達成像偵察衛星，但目前軌道上沒有在軌運行的衛星。德國、日本、意大利也正在抓緊研制。

3）混合型成像偵察衛星。前述兩種成像偵察衛星雖然空間分辨力較高，但在近幾次局部戰爭中證明其實戰效果不夠理想，對瞬息萬變的戰場情況無法及時獲取。混合型成像偵察衛星由此應運而生，它同時搭載有光學和雷達成像偵察設備，兼具光學成像偵察衛星和雷達成像衛星的功能和優點，能保證衛星在任何氣象條件下都不丟失信息，即在任何天候條件下都能以較高分辨力偵察到地面目標。同時由于前述兩種成像偵察衛星滿足不了作戰所需的大范圍戰場成像的要求，如美國的鎖眼－11偵察衛星，分辨率達0.1m，但測繪帶只有6～10km，戰場指揮員抱怨是“用麥管看戰場”。相比而言，混合型成像偵察衛星每圈能覆蓋的范圍更大，數據傳輸率也更高，這些正是戰場指揮官所要求的。混合型成像偵察衛星是未來成像偵察衛星的發展方向。

3 發展動向

1）多國天基成像系統：歐洲能無縫共享太空監視嗎。《國防工業日報》網站2012年9月2日報道：迄今，多國天基成像系統（MUSIS）仍然更多停留在構想上，盡管有些衛星零部件已經簽署合同［3］。

如果運行，整個MUSIS星座將取代之前的許多平臺，包括：法國的太陽神－2、德國的Sar－Lupe雷達衛星、ORFEO合作項目（包括法國兩用昴宿星光學衛星、意大利兩用COSMO－SkyMed X波段雷達觀測衛星）。MUSIS項目參與者將包括比利時、法國、德國、希臘、意大利，以及西班牙。目前MUSIS的挑戰包括：陷入經濟危機的歐洲政府面臨資金短缺和不利環境；次要問題包括各國觀點不同。

法國將建造CSO光學偵察衛星，意大利的CSG雷達太空衛星則是軍民合作項目。歐盟的促進防務和武器合作組織（OCCAR－EA）負責管理MUSIS CIL（通用互操作性層面）的設計，這是一座搭建在地面上先進橋梁，用于連接CSO與CSG衛星系統。CIL可以讓一國操作者向合作者的系統訂購圖片產品，為其他國家的衛星分配任務，接收圖片產品，并以安全方式存儲。

階段A和階段B關注架構與系統定義，已經開始實施。階段C與階段D是研制階段，目標是在衛星入軌前后，部署MUSIS CIL。預計在法國2016年底發射CSO時應該能夠就緒。

2012年春，MUSIS系統需求評審確定了系統的可行性，對此先進橋梁提出了詳細架構。2012年6月，意大利與法國決定啟動MUSIS聯邦活動，階段B2。2012年7月20日，意大利與以色列簽署一系列武器協議，包括一項OPTSAT 3000高分辨率光學衛星協議。2012年8月8日，MUSIS階段B1結束。

2）諾·格公司完成天基紅外系統大橢圓軌道－3有效載荷集成與環境功能測試。全球新聞通報網站10月4日報道：諾·格公司成功完成美國空軍天基紅外系統（SBIRS）第3個大橢圓軌道（HEO－3）有效載荷的載荷集成和環境功能測試。洛·馬公司是SBIRS的主承包商，諾·格公司是有效載荷集成商［4］。

SBIRS項目包括地球同步軌道（GEO）衛星、大橢圓地球軌道（HEO）星載有效載荷以及相關的地面軟硬件，該項目為國家提升了導彈預警能力，同時為軍事導彈防御、技術情報和戰場空間態勢感知等任務領域提供支持。

兩個HEO有效載荷和首顆地球同步軌道衛星（GEO－1）已經發射升空。在有效載荷集成期間，諾·格領導的小組實施了有效載荷機械積分、導線檢查、導接線連接檢查、指令確認和一次／二次電源檢查，并驗證了初始電功能。集成檢查一結束，初始環境功能測試將提供功能基準性能，并為下一階段的測試、電磁干擾（EMI）和熱真空試驗做好準備。

諾·格公司軍用與民用航天事業部副總經理斯蒂芬·J·托納稱，HEO－3有效載荷和以往的載荷一樣，提供同樣高質量的全球持久紅外監視能力。SBIRS小組以嚴密和勤奮為我們的戰士和國家服務。

在熱真空試驗后，HEO－3有效載荷將進行原型資格接收試驗，計劃2013年交付。洛·馬公司空中持久紅外（OPIR）任務領域副總經理杰夫·史密斯稱，該測試的完成在HEO－3有效載荷集成和組合過程中是一個重要的里程碑。我們專注于交付HEO－3有效載荷，并為我們的戰士提供前所未有的紅外監視能力。

3）洛·馬公司將為美國空軍再建兩顆天基紅外系統衛星。美國《防務系統》網站2013年3月6日報道：洛克希德·馬丁公司3月5日稱，美國空軍已授予洛克希德·馬丁公司一項價值2.8億美元的合同，將建造天基紅外系統（SBIRS）導彈預警星座中的第5和第6顆地球同步軌道衛星［5］。

SBIRS計劃包括地球同步軌道（GEO）衛星，高橢圓形地球軌道（HEO）上的寄宿有效載荷，以及相關的地面硬件和軟件，為客戶提供抗毀型和改進型導彈預警能力。SBIRS也向軍方導彈防御、技術情報和戰場空間感知任務領域提供重要服務。

洛克希德·馬丁公司的SBIRS合同包括四個HEO有效載荷，四顆GEO衛星和地面資產，用于接收、處理和發送紅外任務數據。

4）美軍將發射第二顆天基紅外同步軌道衛星。法國《航宇防務》2013年3月19日報道：美國空軍和洛克希德·馬丁公司宣布已經做好準備，將發射天基紅外系統（SBIRS）的第二顆地球同步軌道衛星（GEO－2）。3月19日，衛星已經與美國聯合發射同盟（ULA）的阿特拉斯V（Atlas V）型火箭集成完畢，從位于佛羅里達州卡納維拉爾角的空軍發射中心發射升空，發射窗口定于美國東部時間17點21分至18點01分［6］。

SBIRS項目計劃在地球同步軌道和大橢圓軌道（HEO）部署多枚不同功能的衛星，這些衛星將連同地面軟硬件設備一起，為美國提供比以往更強大、更靈活的導彈預警能力，同時成為美軍導彈防御能力體系的重要組成部分，還能夠有效地增強美軍在任務區域內的技術情報和戰場態勢感知能力。洛克希德·馬丁公司目前握有的SBIRS合同包括建造四顆HEO衛星、四顆GEO衛星以及用于接收和分發衛星任務數據的地面設備。現在，洛克希德·馬丁公司領導的SBIRS項目團隊已經開始提前為第五顆和第六顆GEO衛星生產部件。SBIRS項目中，目前已經有兩顆HEO和一顆GEO衛星在軌運行。其中GEO－1衛星的性能指標達到甚至超過預期。其傳感器定位精度超過實際需求九倍，亮度探測能力超過設計值60%，可以觀測比預定目標亮度低25%的目標。

SBIRS項目由美國空軍的紅外空間系統理事會領導，由美空軍航天司令部負責運行。該項目主承包商是洛克希德·馬丁公司，諾斯羅普·格魯曼公司負責對衛星載荷進行集成。

5）洛克希德·馬丁公司為美空軍天基紅外衛星系統提供后勤支持。美國《今日衛星》2013年3月18日報道：美國國防部3月15日宣布，根據價值1.05億美元的合同，洛克希德·馬丁公司在提供常規支持以及為聯合特遣部隊提供支持外，將為美國空軍導彈預警與防御系統提供后勤支持［7］。

天基紅外衛星系統（SBIRS）旨在為總統提供戰略和戰術彈道導彈預警信息，以及為國防部長、作戰指揮官和聯合特遣部隊指揮官提供紅外數據。

天基紅外衛星系統通過高橢圓軌道衛星（HEO）和靜地軌道衛星（GEO）搭載的托管傳感器以及相關地面設施為主要決策者接收、處理和傳輸紅外信息。洛克希德·馬丁公司是SBIRS系統主要承包商，諾斯羅普·格魯曼公司為系統集成商，美國空軍航天司令部負責運營該系統。

6）新方法將幫助美軍更快速地實現天基信息進座艙。美國《防務新聞》2013年2月26日報道：美國的間諜衛星不斷繞地球飛行，準確定位坦克、雷達站和運動中的部隊。但是，最新的圖像不能發送給正在作戰區域飛行的美國飛行員們，而他們迫切地需要這些［8］。

美國空軍正在努力改變這種情況，其方式是實施聯合全國信息源綜合（JINDI）項目。JINDI通過向軍機座艙顯示器發送易于閱讀的圖像，為飛行員們提供地對空導彈陣地以及其他附近目標或威脅的位置。美國空軍ISR（情報、監視與偵察）局的能力現代化副主管布萊恩·朱洛維茨表示，該項目的目標是盡可能快地推送信息。

JINDI并不是一個新的構思。美軍從2007年開始實施該項目，目的是試驗聯接美國政府的各個中心（情報分析員們在此判讀間諜衛星圖像）與前線部隊的方法。2007年年底和2008年年初在太平洋地區進行的一些試驗顯示，分析員們能夠在數分鐘內將信息發送給飛行員們。但在此后，該項目因缺乏資金和高層支持而擱置。五年之后，JINDI項目最終重啟—美國空軍ISR局局長羅伯特·奧托少將于2012年11月批準了建立美國用以支持JINDI的情報站的計劃。美國空軍的官員們拒絕透露該情報站的名稱或位置，僅表示該站處于美國大陸。今年晚些時候，預計將有更多的美國情報中心支持JINDI。

JINDI通過Link 16數據鏈向軍機座艙傳送威脅和可能的目標信息，該數據鏈是美國和北約組織（NATO）部隊的一種高速數據網，可傳送文本、話音和圖像。朱洛維茨說，以雷達站為例，在JINDI傳送一個新確定的雷達站信息之前，分析員們需已通過來自飛機或衛星的各種圖像確認了其位置，并確保飛行員們接收到了關鍵信息，而不需要針對難以理解的圖像反復提問。

自上個世紀80年代以來，美軍各領導人一直在表示作戰部隊需要能快速訪問各個情報機構所搜集的信息。通常，來自美國國家偵察局各種衛星的數據會通過國家地理空間情報局等機構傳遞到軍方指揮官，在這之后很長時間才可能到達飛行員們面前。JINDI項目的思路就是建立直接的聯系。朱洛維茨表示該項目在初期集中于幫助阿富汗上空的美國空軍飛行員們，不過這可以是一種聯合的能力。美國空軍的領導者們正與陸軍、海軍和海軍陸戰隊討論將艦船、坦克和愛國者導彈連與JINDI聯接。對此奧托表示：JINDI項目能夠為空軍、海軍和海軍陸戰隊航空兵增加顯著地作戰能力。在對抗性的和高度對抗性的環境中，它的作用和價值會更大。

為了擴展JINDI，美國空軍的官員們將需要資金，為每個情報中心的裝備、人員和訓練投資。一旦完成了這些工作，那些中心就能夠支持任何地方的部隊。對此，朱洛維茨表示：今天，我們可以支持美國中央司令部。明天，我們可以支持美國太平洋司令部。后天，我們可以支持美國非洲司令部。

4 發展分析

天基紅外預警系統的發展趨勢：一體化；戰術應用；網絡化；微小衛星；聯合發展［9］。

1）一體化。發展一體化的預警系統。例如，美軍的天基預警系統、空中預警系統和陸基預警系統組成了多層次、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。

2）戰術應用。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。例如，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八顆，使應用范圍從戰略層次向戰術層次延伸。

3）網絡化。實現天基預警系統的網絡化。例如，美軍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。建立一個全球國防信息網，通過星間通信、星上數據處理和信息融合，逐步實現天基預警系統的網絡化。

4）微小衛星。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。例如，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。

5）聯合作發展。2000年，美、俄兩國共同出資改造設在莫斯科的一座導彈預警設施，以建立雙方共同運行的聯合數據中心。美俄雙方通過該中心交換導彈和航天發射信息，監視其他國家的導彈發射，并向雙方提供近實時的預警數據。2002年，美、以軍方共同試驗了一種高速計算機化導彈預警網。該預警網能將來自美國“國防支援計劃”衛星、“宙斯盾”艦載雷達和以色列陸基“綠松樹”雷達的導彈預警數據，與來自其他保密渠道的情報融合在一起。

5 結語

目前，國外更加重視發展SBIRS系統，加快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”計劃已于2012年開始啟動，這一新的星座取代了DSP衛星在導彈預警任務中的主導地位［10］。

［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）：39－42.

［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）：22－27.

［3］多國天基成像系統［N］.每日防務快訊，2012－09－11.

［4］諾·格公司完成天基紅外系統大橢圓軌道－3有效載荷集成與環境功能測試［N］.每日防務快訊，2012－10－23.

［5］洛·馬公司將為美國空軍再建兩顆天基紅外系統衛星［N］.每日防務快訊，2013－03－13.

［6］美軍將發射第二顆天基紅外同步軌道衛星［N］.每日防務快訊 ，2013－03－22.

［7］洛克希德·馬丁公司為美空軍天基紅外衛星系統提供后勤支持［N］.每日防務快訊，2013－03－25.

［8］新方法將幫助美軍更快速地實現天基信息進座艙［N］.每日防務快訊，2013－04－03.

［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，2009，16（3）：6－8.

［10］李群章.彈道導彈彈道中段和再入段彈頭紅外光學識別方法研究［J］.紅外與激光工程，1999，28（5）：1－5.