美國天基導彈預警跟蹤系統發展動向

方勇 （中國國防科技信息中心）

美國天基導彈預警跟蹤系統發展動向

The Development of US Space-based Missile Warning and Track System

方勇 （中國國防科技信息中心）

天基預警跟蹤系統具有高視角、探測范圍廣、預警時間長、具備全程跟蹤能力等特點，可為彈道導彈防御和實施反擊提供及時預警信息，是導彈預警體系的重要組成部分。2017年1月，美國“天基紅外系統”（SBlRS）第三顆地球靜止軌道（GEO）衛星發射入軌。美國總統特朗普在競選期間提出，美國彈道導彈防御系統未來將重點發展天基導彈預警和跟蹤技術。2017年6月，美國國會眾議院武裝力量委員會發布《2018財年國防授權法案》，要求國防部盡快制定天基導彈防御戰略，重點是明確未來天基導彈預警探測器如何發展，并對其研制和部署成本進行評估。上述動向表明，天基系統已成為美國導彈預警跟蹤系統發展的重點之一。

1 發展現狀

目前，美國天基導彈預警跟蹤系統主要由仍在役的“國防支援計劃”（DSP）星座、正在建設中的“天基紅外系統”星座和“空間跟蹤與監視系統”（STSS）星座、尚處于技術探索階段的“天基殺傷評估”（SKA）系統等組成，已初步構建起高低軌相結合、預警探測跟蹤與殺傷評估一體的天基預警跟蹤系統。

“國防支援計劃”衛星

“國防支援計劃”衛星系統是美國第一種實戰部署的預警衛星系統，該系統已發展三代共23顆衛星，目前僅有4顆衛星在軌服役，運行在地球同步軌道（GSO）上。“國防支援計劃”衛星經過4次改進，衛星性能不斷提高，由最初只能用于探測遠程戰略彈道導彈發射，到1991年海灣戰爭時，已經能夠用于探測伊拉克發射的戰區彈道導彈。隨著導彈技術的發展（如誘餌、中段機動、多目標等技術），加之“國防支援計劃”衛星研制較早，在性能上無法滿足當前和未來彈道導彈防御作戰需要，如無法跟蹤中段飛行導彈、掃描速度慢、虛警率高、預警時間短等。為此，美國正在發展“天基紅外系統”，以逐步取代“國防支援計劃”系統。

美國在“國防支援計劃”預警衛星上的主要載荷有2種：一種是紅外望遠鏡，每隔8～12s就可以對地球表面1/3區域重復掃描1次，能在導彈發射后90s探測到導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；二是高分辨率可見光電視攝像機，安裝攝像機是防止把高空云層反射的陽光誤認為是導彈尾焰而造成虛警。在星上紅外望遠鏡沒有發現目標時，攝像機每隔30s向地面發送1次電視圖像，一旦紅外望遠鏡發現目標，攝像機就自動或根據地面指令連續向地面站發送目標圖像，以1～2幀/秒的速度在地面電視屏幕上顯示導彈尾焰圖像的運動軌跡。

“天基紅外系統”

美國1995年提出發展“天基紅外系統”，以取代“國防支援計劃”衛星。最初目標是構建由4顆地球靜止軌道（GEO）衛星、2個大橢圓軌道（HEO）有效載荷和2 4顆低地球軌道（LEO）衛星組成的新一代預警衛星系統星座。2002年，“天基紅外系統”低軌計劃因耗資過大而被取消，高軌部分仍由美國空軍負責，稱為“天基紅外系統”，由4顆GEO衛星和2個HEO軌道載荷組成。其中，GEO衛星主要用于探測和發現處于助推段的彈道導彈，HEO載荷用于將系統的預警覆蓋范圍擴展到南北兩極。

“天基紅外系統”計劃并未因為其低軌計劃的剝離而順利推進，而是遭遇嚴重的“拖降漲”問題。其中，2個HEO軌道載荷均推遲交付。HEO-1衛星有效載荷在2006年6月搭載美國國家偵察局（NRO）的USA-184衛星發射入軌，進度拖延18個月；HEO-2衛星有效載荷于2008年3月搭載美國國家偵察局USA-200衛星發射入軌，進度拖延21個月。GEO軌道衛星的交付時間更為滯后，3顆GEO衛星分別于2011年5月、2013年3月和2017年1月發射。

“天基紅外系統”GEO衛星主要用于探測和發現處于助推段飛行的彈道導彈，帶有凝視型和掃描型2種紅外探測器。掃描型探測器用于對地球南北半球進行大范圍掃描，通過探測導彈發射時噴出的尾焰對導彈發射情況進行監視；凝視型探測器用于將導彈的發射畫面拉近放大，并緊盯可疑目標，獲取詳細的目標信息。2種探測器獨立接受任務指令，意味著這2種探測器可以同時工作，即在掃描廣大區域的同時，對重點區域進行詳細觀察。掃描型和凝視型探測器相結合，使“天基紅外系統”的掃描速度和靈敏度相比“國防支援計劃”系統提高了10倍以上，能夠穿透大氣層在導彈剛一點火就探測到其發射，可在導彈發射后10～20s內將警報信息傳送給部隊。HEO軌道載荷可將系統的預警能力擴展到南北兩極地區。

“空間跟蹤與監視系統”

“天基紅外系統”低軌部分起初由美國空軍主管，由于存在較大技術風險，2002年更名為“空間跟蹤與監視系統”，并由美國空軍移交給導彈防御局（MDA）。“空間跟蹤與監視系統”計劃的目標是構建具有對彈道導彈全程跟蹤和探測能力的衛星星座，能夠區分真假彈頭，能夠將跟蹤數據傳輸給指揮控制系統，以引導雷達跟蹤目標，并能提供攔截效果評估。由于技術風險和經費投入過大，美國國會要求調整計劃，最終僅批準先發射2顆衛星進行技術演示驗證試驗。2002年8月，美國導彈防御局授予諾斯羅普·格魯曼公司價值8.69億美元的合同，研制2顆演示驗證衛星，并建造地面控制站等。2009年9月，“空間跟蹤與監視系統”的2顆演示驗證衛星發射入軌。

“空間跟蹤與監視系統”2顆演示驗證衛星入軌后，多次參與美國一系列導彈攔截試驗，展示了導彈全程跟蹤、立體式跟蹤、多目標跟蹤、空間目標跟蹤、相機間任務轉交、雙星間通信，以及下行鏈路和導彈防御指揮與控制系統通信能力。在多次導彈防御試驗中生成高質量預警信息，擁有更優的預報精度，縮短了信息傳輸回路，可以提供更多攔截準備時間。2011年4月，“空間跟蹤與監視系統”的1顆衛星捕獲到發射后處于飛行中段的靶彈，利用星間鏈路提示另一顆衛星進行立體跟蹤并相互傳遞數據，首次演示驗證了對彈道導彈的全程跟蹤能力。2013年2月，美國導彈防御局和海軍進行的標準導彈飛行試驗-20中，“空間跟蹤與監視系統”衛星利用其精確跟蹤能力，首次為“宙斯盾”（Aegis）彈道導彈防御系統提供了目標指示，并為標準-3-1A攔截彈制定火控方案。“空間跟蹤與監視系統”可以為導彈攔截系統提供更準確、及時的預警信息，與攔截彈形成火力控制的閉環回路，將使“宙斯盾”系統有能力在靶彈進入探測范圍前發射攔截彈，支持更早、更準確的攔截，大大擴展了整個導彈防御區域。

“空間跟蹤與監視系統”衛星具有以下功能。一是全天時全球覆蓋。該衛星的跟蹤過程是：當第一顆衛星所跟蹤目標離開視線后，可以將目標位置告知第二顆衛星，第二顆衛星繼續跟蹤目標并將有關引導信息提供給反導攔截部隊，必要時可以在整個星座中繼續傳遞下去，直到目標被摧毀或無法探測為止。二是彈道全程跟蹤。“空間跟蹤與監視系統”具備對彈道導彈助推段、中段和再入段的彈道全程跟蹤能力，相比之下，“國防支援計劃”和“天基紅外系統”只能探測到彈道導彈助推段尾焰。三是立體跟蹤。2顆及2顆以上“空間跟蹤與監視系統”衛星通過重疊覆蓋，可以實現類似人類雙眼視覺的立體式跟蹤，大大提高了對目標的定位和跟蹤能力，更有效支持導彈攔截。四是真假彈頭識別。“空間跟蹤與監視系統”衛星在對彈道導彈進行全程跟蹤時，還能分辨出彈頭與誘餌，該衛星主要是通過光譜等信息進行識別。

“空間跟蹤與監視系統”衛星搭載了捕獲探測器和跟蹤探測器。捕獲探測器是一種寬視場掃描型短波紅外探測器，可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彈，一旦捕獲探測器鎖定目標，信息將傳送給跟蹤探測器；跟蹤探測器是一種窄視場、高精度凝視型多色（中波、中長波、長波紅外及可見光）探測器，可以觀察地平線以上目標，鎖定目標并在彈道中段和再入段跟蹤該目標。整個“空間跟蹤與監視系統”星座將利用衛星內部的星間鏈路連接在一起，每對衛星通過60MHz的星間鏈路相互通信。

“天基殺傷評估”系統

“天基殺傷評估”系統是美國導彈防御局正在開展的導彈攔截效果評估實驗系統。該系統通過在商業衛星上搭載托管載荷，用于評估導彈攔截是否成功。負責研制“天基殺傷評估”系統載荷的美國約翰·霍普金斯應用物理實驗室研究人員指出，正在開發的殺傷評估載荷需要回答以下問題：攔截彈是否與目標碰撞？是否攔截了所希望攔截的目標？攔截目標攜帶何種載荷（核、高爆炸藥、化學或生物武器）？攔截彈是否使載荷不再具備殺傷能力？導彈防御局認為，“天基殺傷評估”系統可以確認來襲導彈是否已被有效摧毀，從而無需再發射更多攔截彈進行攔截，達到降低成本并提高作戰效能的目的。

“天基殺傷評估”探測器包括3個單像素光敏二極管，質量約10kg，將搭載在商業衛星上。導彈防御局評估認為，“宙斯盾”彈道導彈防御項目表明，光電/紅外探測器是最適宜用于毀傷評估的探測器。“天基殺傷評估”探測器將主要依靠導彈防御指揮控制系統提供的預計攔截點位置信息，預先定位探測器可觀測攔截碰撞所產生的可見光和紅外光，通過觀測碰撞-殺傷攔截所產生破片云的閃光或熱輻射的可見光或紅外光譜，對攔截彈的毀傷效果及來襲導彈的載荷類型進行評估。

美國國防部《2014財年國防授權法案》提出，“導彈防御局應提高地基中段導彈防御系統殺傷評估能力”。2014年4月，導彈防御局啟動“天基殺傷評估”系統項目，前期工作由2013年取消的“精確跟蹤太空系統”項目剩余經費提供部分資金。目前，最有可能搭載“天基殺傷評估”系統載荷的商業衛星是“銥”（Iridium）衛星系統。美國計劃2017年9月發射10顆“銥”衛星，最終將構建起由66顆在軌衛星和4顆備份衛星組成的“銥”衛星系統。“銥”衛星將運行在高780km的6個近圓軌道上，每個軌道面將部署11顆衛星，每顆衛星裝有專用的托管載荷艙。由于“天基殺傷評估”系統載荷只有10kg，因此每顆衛星可容納多個載荷。

2 性能特點

戰略預警與戰區預警相結合

美國現在部署的天基預警系統已經不再是只能用于探測遠程戰略彈道導彈的“戰略導彈預警系統”，也能探測戰區彈道導彈，滿足區域防御作戰的需要。由于能夠探測遠程導彈發射的預警衛星，不一定能夠探測到戰區彈道導彈發射，而能夠探測到戰區彈道導彈發射的預警衛星，則肯定能探測到遠程戰略彈道導彈發射，所以美國戰略司令部現在已將其部署的預警衛星系統改稱為“戰區彈道導彈預警系統”。

采用雙探測器體制

“天基紅外系統”衛星最大的改進是采用雙探測器方案，每顆衛星載有1臺高速掃描型探測器和與之互補的高分辨率凝視型探測器。雙探測器協同工作，除具備戰略導彈預警能力外，還有效增強了探測戰術彈道導彈能力。“空間跟蹤與監視系統”衛星裝有捕獲探測器和跟蹤探測器，其中捕獲探測器可以捕獲助推段彈道導彈尾焰，跟蹤探測器可實現對彈道導彈飛行中段的持續跟蹤。2種探測器協同工作，可以實現對彈道導彈的全程跟蹤。通過2種探測器分工協作，可對全球范圍內導彈發射進行不間斷監視與監測，并提供導彈發射的準確時間和地點，估計其攻擊的準確地點，在10～20s內將警報信息傳到地面，使防御系統和攔截導彈盡早進入工作狀態。

采用多種衛星軌道相結合

高軌道衛星（如GEO軌道衛星和HEO軌道衛星）星座地面覆蓋面積大，但其地面分辨率相對較低，可用于發現導彈的發射并探測導彈助推段的飛行，提供彈道導彈的發射位置、發射時間和導彈類型的初始信息；低軌道衛星星座成本低、地面分辨率高，可用于對導彈飛行中段和再入段的連續跟蹤，提供彈道參數信息并進行真假目標識別。美國導彈預警跟蹤衛星系統的軌道類型，已由原來的單一軌道向多種軌道類型組合發展。美國早期的“國防支援計劃”預警衛星采用GSO軌道，“天基紅外系統”衛星采用的是GEO軌道和HEO軌道相結合，“空間跟蹤與監視系統”衛星采用的是LEO軌道。通過GEO軌道與HEO軌道相結合、高軌道與低軌道相結合，大幅提升了導彈預警衛星的預警能力。

采用多種探測波段

隨著預警探測技術的發展，美國天基導彈預警跟蹤系統星載探測器的探測波段，經歷了由單一波段向多波段拓展的過程。早期“國防支援計劃”預警衛星主要采用以中短波紅外傳感器為主，該傳感器不僅造成虛警率高，而且只能觀測到導彈在助推段時羽焰所發出的紅外輻射信號。當導彈助推段結束進入自由飛行時，彈體溫度急劇下降，紅外探測器的作用就微乎其微。而“空間跟蹤與監視系統”衛星搭載的探測器可工作在短波、中波、中長波和長波紅外及可見光等多個波段，預警信息更為豐富，有利于識別假目標，可降低虛警概率，提高發現概率。其中，捕獲相機采用紅外短波波段對地進行大視場掃描捕獲主動段目標，捕獲目標后將目標交接給采用中長波紅外波段的小視場跟蹤相機，對中段冷彈頭進行接續跟蹤，從而實現對目標的全程跟蹤監視。

3 發展趨勢

向多功能方向發展

美國天基彈道導彈預警跟蹤系統正向“多種功能、多種手段、多種層次、協同預警、全程覆蓋”的方向發展。

在預警能力上，美國天基預警衛星不僅具備戰略彈道導彈預警能力，還具備了戰術導彈預警能力。在跟蹤能力上，從彈道導彈的助推段跟蹤向末助推段、中段和再入段全程跟蹤發展，從單純跟蹤向彈道立體跟蹤發展，可提供精確的彈道預報信息。在能力拓展上，美國天基導彈預警跟蹤系統正在從原來主要用于導彈預警，向發射探測、跟蹤識別、殺傷評估及空間態勢感知等多功能一體化方向發展。“空間跟蹤與監視系統”衛星和“天基殺傷評估”系統的研制，將使美國在具備導彈預警能力外，還將具備導彈跟蹤與攔截效果評估能力。美國還在考慮天基導彈預警跟蹤與空間態勢感知能力一體化。2010年7月，“空間跟蹤與監視系統”衛星跟蹤相機在事先知道衛星位置與軌道條件下，利用其多個紅外波段跟蹤到1顆極地軌道衛星——美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的諾阿-17（NOAA-17），并觀測到衛星交會情況，首次實現對空間目標的監視。未來，美國導彈防御局還將加強與空軍合作，使下一代天基導彈預警跟蹤系統具備更強的空間態勢感知能力。

采用彈性分散式體系結構

為應對日趨復雜的太空安全環境變化，美國空軍在下一代導彈預警衛星系統體系架構設計中，納入分散式體系結構理念，即利用“結構分離、功能分解、有效載荷搭載、多軌道部署、多作戰域部署”的方式，實現彈性與分散式空間系統體系結構。在功能分解方面，美國謀求將“天基紅外系統”衛星的戰略預警載荷（核指揮控制和導彈預警）和戰區預警載荷分開部署，以降低遭攻擊的風險；在有效載荷搭載方面，美國空軍正在研究模塊化導彈預警載荷，將其搭載在包括商業衛星在內的多種衛星平臺上；在多軌道部署方面，美軍在高軌、低軌和HEO軌道上均部署有預警衛星；在多作戰域部署方面，美軍積極推進天基預警衛星系統與地基、海基導彈預警傳感器的整體使用，提高發射探測和導彈跟蹤能力。

發展新一代導彈預警衛星技術

為最大限度降低“天基紅外系統”的技術風險并為未來做技術儲備，美國已開始預研第三代導彈預警衛星（3GIRS），重點發展商業衛星搭載預警載荷和寬視場探測器技術。

美國空軍已完成首個搭載商業通信衛星上的“商業搭載紅外有效載荷”（CHIRP）的早期在軌試驗，所搭載的歐洲衛星公司-2（SES-2）衛星于2011年9月發射升空。“商業搭載紅外有效載荷”是一個寬視場紅外凝視系統，是一個能從GEO軌道觀測1/4地球的望遠鏡，可在4個特殊光譜帶進行高幀頻成像，同時降低成本和復雜性，用于探測運載火箭或彈道導彈在發射期間的尾焰羽流。該試驗一方面驗證了在商業衛星上搭載導彈預警載荷的可行性，另一方面表明需開展更多的寬視場探測器、算法及數據處理技術在軌試驗。美國空軍2015財年為“天基紅外系統”現代化改造申請了2900萬美元，用于寬視場探測器的研發。預算文件顯示，美國空軍正考慮開展2項單獨的項目以研發2個試驗傳感器，分別是6°視場和9°視場探測器。

發展針對高超聲速滑翔武器的天基跟蹤能力

為應對日益嚴峻的高超聲速武器威脅，2017年3月，美國導彈防御局啟動“天基微型探測器試驗”（OMniSciEnT）項目，發展2顆50千克級LEO軌道衛星，采用雙星驗證對高超聲速滑翔武器的探測與跟蹤。衛星設計壽命5年，基于模塊化設計，采用開放式系統架構，運行軌道在高1000km以下，計劃2～3年發射。驗證內容包括：探測器寬視場凝視、實時數據傳輸通信、精確指向、自主運行，以及存儲與轉發等。天基微型探測器一旦成熟，將發展成覆蓋熱點區域、最終覆蓋全球的完整的LEO軌道星座，將填補對高超聲速滑翔武器天基跟蹤體系的空白。