美國天基導彈預警系統

艾賽江 李義 宋易敏 張映昊（中國人民解放軍63611部隊）

美國最先發展天基導彈預警系統，已經形成高、低軌結合，預警、跟蹤和識別功能復合，性能先進的預警衛星體系，可為美國提供強大的彈道導彈預警能力。美國先后部署了多種型號的天基導彈預警系統，包括“國防支援計劃”（DSP）、“天基紅外系統”（SBIRS）、“空間跟蹤與監視系統”(STSS)等。為應對新威脅、新挑戰，美國持續研究新技術、發展新系統，牢牢占據太空反導主動權。

1 引言

天基導彈預警系統能夠提升對彈道導彈的預警和跟蹤能力，協助地面指揮中心制定反導方案，對鞏固國防具有重大意義。美國天基導彈預警系統是其國家導彈防御系統的重要組成部分，可以為國家領導、作戰指揮官、情報機構及其他關鍵決策人員提供及時、可靠、準確的導彈預警與紅外監測信息，使美國在全球導彈發射探測、彈道導彈防御、技術情報搜集及戰場態勢感知等方面的能力極大增強。

目前，美國典型的預警衛星系統包括“國防支援計劃”預警衛星、“天基紅外系統”和“空間跟蹤與監視系統”。

2 美天基導彈預警系統發展現狀

天基導彈預警系統構成

美軍天基導彈預警系統以紅外預警衛星為代表，具體分為3種：“國防支援計劃”、“天基紅外系統”和“空間跟蹤與監視系統”。

（1）“國防支援計劃”

“國防支援計劃”預警衛星系統是美國第一種實戰部署的預警衛星系統，是為應對洲際彈道導彈攻擊美國本土而建造的。其首要任務是探測陸基和海基洲際彈道導彈預警，1991年海灣戰爭中的“沙漠風暴”后，也用于戰區戰術彈道導彈預警；第二任務是檢測太空飛行器發射和核爆，可以檢測地球大氣層內和太空中的核爆，這個能力也可用于彈道導彈攔截效果評估。“國防支援計劃”預警衛星自1970年發射第一顆預警衛星至2007年，共發射了23顆衛星。當前有4顆工作衛星運行在GEO軌道，分別為國防支援計劃－18、20、21和22。

“國防支援計劃”衛星系統上的主要載荷有2種：一是雙色短波紅外望遠鏡，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；二是具有遠望能力的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/s的速度在地面電視屏幕上顯示導彈尾焰圖像的運動軌跡。

美軍現役天基導彈預警衛星

“國防支援計劃”衛星系統覆蓋圖

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

（2）“天基紅外系統”

由于“國防支援計劃”系統在性能上難以滿足日益增長的彈道導彈防御需求，美國于1995年提出發展“天基紅外系統”，逐步取代“國防支援計劃”系統。“天基紅外系統”的基本目標是完善對戰略彈道導彈的預警能力，擴展對戰術彈道導彈的預警能力，原計劃由天基高軌部分（SBIRS-High）和低軌部分（SBIRS-Low）組成。2002年，美國調整天基預警衛星發展計劃，將低軌部分拆分成獨立的“空間跟蹤與監視系統”，高軌部分保留“天基紅外系統”的名稱。

目前，“天基紅外系統”由4顆GEO衛星和4顆HEO衛星載荷組成，洛馬公司正在制造第5顆和第6顆GEO衛星。GEO衛星主要用于探測和發現處于助推段的彈道導彈，提供導彈的發射及主動段的非成像紅外數據并預測導彈落區。HEO衛星載荷將系統的預警覆蓋范圍擴展到地球南、北兩極，彌補了“國防支援計劃”的極帽盲區。

“天基紅外系統”衛星及載荷情況

“天基紅外系統”衛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，用一個精細的二維面陣將導彈的發射畫面拉近放大，獲取詳細的目標信息。兩種探測器獨立接受任務指令，可以同時工作。

與“國防支援計劃”衛星相比，“天基紅外系統”衛星的探測譜段更寬，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，可對目標進行精確跟蹤，定位精度約1km，可在導彈發射后10～20s內將預警信息傳給預警指揮控制中心。

（3）“空間跟蹤與監視系統”

“空間跟蹤與監視系統”即原來的“SBIRSLow”計劃，2001年由美國空軍轉交至國家導彈防御局（MDA）并于2002年重新命名。“空間跟蹤與監視系統”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。該項目由于技術風險和經費投入過大，最終僅批準先發射2顆衛星進行技術演示驗證試驗，參與反導實驗和數據采集，為后續建設積累經驗。

“空間跟蹤與監視系統”衛星

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，多次參與美國導彈攔截試驗，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。

“空間跟蹤與監視系統”衛星裝有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，鎖定目標并在彈道中段和再入段跟蹤該目標。

天基導彈預警系統工作流程和原理

（1）天基導彈預警系統工作流程

美國天基導彈預警系統是通過高低軌衛星的協作以及地面站的支持來實現其系統功能的。

其中，高軌衛星（SBIRS-High）利用其覆蓋范圍廣的優勢來快速發現目標，并將衛星的跟蹤數據進行初步處理后傳送到地面任務控制站（MCS），任務控制站對數據進行處理、分類和目標識別，判斷紅外源的性質，計算出導彈彈道，然后將跟蹤數據傳送給低軌STSS衛星并引導其對導彈中段及末段的跟蹤測量，低軌衛星利用其分辨率高的優勢來連續探測、跟蹤目標。同時，任務控制站將衛星信息送往導彈防御系統的“指揮控制、作戰管理和通信系統”（C2BMC），引導武器攔截系統對導彈實施攔截。

天基導彈預警系統采用多軌道部署的組網方式，GEO衛星用于探測導彈飛行的助推段，LEO衛星用于跟蹤導彈飛行中段和再入段，HEO衛星能夠覆蓋兩極地區，相互之間進行信息傳輸和情報共享，高、低軌衛星構成了一個立體探測網絡，實現對導彈全程跟蹤。

美國天基導彈預警系統工作流程圖

（2）天基導彈預警系統工作原理

天基紅外預警衛星對彈道導彈的預警可分為目標探測和參數預報兩個層次。其中，目標探測是依據助推段彈道導彈尾焰與背景在特定波段紅外輻射強度的高對比度及其特有的運動規律完成的。助推段彈道導彈的尾焰中的主要輻射氣體CO2和H2O在2.7μm和4.3μm兩個波段發出強烈的紅外輻射；天基紅外預警衛星使用碲鎘汞探測器對這兩個波長附近的紅外輻射進行探測。參數預報則是依據對目標多次探測的定位信息，擬合出導彈的彈道，進而完成對其發射點、關機點和落點等關鍵參數的估計。天基紅外預警衛星在完成目標的探測與定位后，通過連續多次的定位數據初步擬合導彈的彈道，隨著探測信息的不斷累積，彈道參數將不斷更新，彈道擬合越來越準確；通過對導彈關機點的捕捉，就可以估計關機點的位置和速度，進而根據被動段飛行規律推測導彈落點參數。

3 未來發展趨勢

美國高度重視天基預警衛星系統的發展，加速開展相關工作，推動向可防御的太空態勢轉變，持續保持太空優勢。

發展新一代導彈預警衛星系統

面對空間系統威脅增加、脆弱性增強的現狀，2018年，美國空軍決定取消采購“天基紅外系統”GEO-7和GEO-8衛星，計劃過渡到“下一代過頂持續紅外 ”（Next-Gen OPIR）導彈預警衛星。“下一代過頂持續紅外”是“天基紅外系統”的替代版本，是美國繼“國防支援計劃”、“天基紅外系統”和“空間跟蹤與監視系統”之后，為瞄準未來太空作戰，轉變裝備發展理念，著力構建在“競爭性環境”中具有更強生存能力和體系彈性的天基預警體系，以應對未來可能出現的威脅。新一代高軌預警衛星系統具有功能更強大的傳感器和其他優點，在對抗環境中具有更好的適應性。

“下一代過頂持續紅外”項目通過“采用成熟的衛星平臺+重點關注傳感器技術”的方式，使美國在未來保持甚至獲得更強預警能力的同時，有效降低單個預警衛星的成本，從而降低己方導彈預警衛星的作戰目標價值，獲得更高的生存概率。此外，“相對簡單廉價”的預警衛星，在戰時也能夠大量制造和快速部署，補充和維持天基導彈預警能力，增強導彈預警衛星的體系彈性。

“下一代過頂持續紅外”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彈的發射，還能探測和跟蹤小型地空導彈、高超聲速武器，甚至空空導彈的發射。一旦整個系統完成實戰部署，可直接在戰略和戰術層面上支持反導作戰，將對各國的導彈武器的作戰運用帶來極大影響。

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

利用現代商業衛星技術

美國高級研究計劃局（DARPA）提出新設想，能否利用現代商業衛星技術，在LEO上構建起一個由大量低軌衛星持續覆蓋全球的、低成本的衛星網絡，這樣就解決了經費問題。

DARPA計劃在未來2～3年內，向LEO發射一個配備軍用有效載荷的試驗性小型商業衛星星座，即“黑杰克”（Blackjack）項目。“黑杰克”項目旨在改進商業太空技術用于軍事用途，其背后的理念是抓住商業太空創新，減少軍事系統的成本和開發時間，有望使國防部進入快速部署低成本太空系統的新時代。如果項目取得成功，可以證明“天基傳感器層”能以低于傳統軍事衛星的成本實現，同時，相比大多數國防部系統7～10年的生產周期，其生產周期只有1～2年。

導彈預警是“黑杰克”衛星的潛在應用之一。“黑杰克”項目還設定了更宏偉的目標，計劃在軌演示驗證使用“智能”衛星自主收集、分析和傳播數據，甚至可能向攔截彈武器發送信息，這將大幅減少應對導彈攻擊所需的時間。需要進一步研究的問題之一是“天基傳感器層”的“火控方法”。高超聲速導彈的飛行速度比彈道導彈快得多，因此數據延遲將是一個關鍵影響因素。DARPA尋求在“黑杰克”項目的下一階段解決此問題，開發名為“工頭”（Pit Boss）的自動控制單元，內含高速處理器，可進行在軌計算并管理與地面之間的通信，使每顆衛星都具備自主智能運行能力，同時可實現任一衛星與星座中的其他節點的協同作戰，保證整個星座不需人員干預也能長期自主運行。

發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，在美國導彈防御局主導下，基于“全面、分層防御戰略”，美國將從體系架構、預警探測、指揮控制、攔截彈等多個維度推動高超聲速防御能力發展。

為應對高超聲速武器對現有預警體系的威脅，美軍推進低軌天基傳感器層的研發與部署,大力發展“高超聲速和彈道導彈跟蹤天基探測器”（HBTSS）項目。計劃在LEO發展一個規模為百顆小衛星星座的天基傳感器層，實現對高超聲速導彈進行“從生到死”的全周期持續跟蹤與識別。未來，天基傳感器層將納入國防太空架構以支持導彈預警。

拓展更豐富的波段

未來，天基導彈預警系統將突破現有的紅外體系，向更豐富的波段拓展。大部分導彈在2.7μm和4.3μm這兩個波段都有強烈的特征峰，但是未來的洲際彈道導彈必然會在配方、發射機制等方面做足功夫，力圖降低這兩個波段的輻射特征。實際上，目前一些國家已經啟動了低可探測的固體火箭發動機配方的研制計劃。固體火箭推進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。可以推斷，未來的天基預警衛星將對0.24～0.29μm波段的紫外線產生依賴。今后的天基預警衛星會采用多種波段融合的體系。

4 結束語

天基導彈預警系統具有高視角、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。美國通過建立和提升天基預警能力甚至是天基攔截技術，來應對高超聲速滑翔武器、遠程巡航導彈等新型進攻性武器的威脅，實現覆蓋全球的監測，并與其他系統融合，進一步增強體系反導能力。總體來說，整個下一代導彈預警體系方案基本確定，高軌系統作為保底系統，重視提升防御能力；低軌系統大力推進傳感器層建設，通過建設高超聲速與彈道導彈跟蹤太空傳感器層應對高超聲速武器的威脅。