天基紅外系統：美新一代反導“天眼”

文/蘭順正

▲ 天基紅外系統地球靜止軌道衛星

2022年8月4日，美國第6顆“天基紅外系統”（SBIRS）地球靜止軌道衛星搭乘“宇宙神-5”運載火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角航天中心發射升空。該衛星是“天基紅外系統”最后一顆入軌衛星，軌道高度約為35400千米，由洛·馬公司制造。此次發射也標志著美國“天基紅外系統”已正式部署完畢。

國防支援計劃的繼任者

“國防支援計劃”（DSP）預警衛星共發展了3代，首顆衛星于1970年11月6日發射，至今共發射了23顆，最后一顆是2007年發射的。由于“國防支持計劃”是冷戰時期的產物，本身是為戰略導彈的預警而設計的，因而軌道單一、探測手段單一、數據處理手段單一，且對于戰術導彈的發射存在預警時間短、虛警率高、漏報多等問題。為此，美國于1995年提出發展天基紅外系統，以取代日漸老化的“國防支援計劃”。

天基紅外系統最初的構建方案包括高軌部分和低軌部分，其中高軌部分負責對來襲導彈助推段的探測與跟蹤；低軌部分負責對導彈中段和再入段的跟蹤，以及彈頭識別。不過在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”（STSS），高軌部分則保留天基紅外系統的名稱。

空間跟蹤與監視系統主要設計用于跟蹤全球范圍內的、從發射到再入的彈道導彈，并將處理后的數據提供給攔截彈，以引導攔截彈的飛行，此外還可輔助用于空間態勢感知、技術情報以及戰場評估等。但在2022年隨著兩顆空間跟蹤與監視系統演示驗證衛星的退役，該項目正式終止。

而天基紅外系統承擔了導彈預警、導彈防御、戰場態勢感知和提供技術情報（描述導彈特征所需的數據及其他目標數據）四類任務，具體包括：提供更快、更準確的戰略和戰區導彈發射報告；為導彈防御系統作戰能力提供有效支持；分析各類紅外信號的特征數據以進行快速判別；更好地了解戰場態勢，為打擊任務規劃、作戰力量防護提供支持等。

▲ 宇宙神-5運載火箭發射第6顆天基紅外系統地球靜止軌道衛星任務海報

天基紅外系統的組成及功能

天基紅外系統由空間和地面兩部分組成，空間部分包括4顆地球靜止軌道（GEO）衛星和4顆大橢圓軌道（HEO）衛星；地面部分包括主用和備用控制站、主用和備用中繼站、固定式和移動式處理系統等。

地球靜止軌道衛星主要用于探測和發現處于助推段的導彈，該型衛星的載荷約450千克，包括高速掃描紅外探測器和高分辨率凝視紅外探測器，它們均為近紅外、中紅外和地面可見光波段三色紅外探測器，使用被動輻射制冷方式，并通過短施密特雙光學望遠鏡觀察地面，指向靈敏度高達0.05°。掃描探測器采用小平面陣列，不斷掃描地球的北半球和南半球，可全天候、全天時提供整片區域的大體圖像；視型傳感器使用一個正方形或長方形焦平面陣列連續地觀測一個特定區域，并檢測其紅外輻射的變化。

大橢圓軌道衛星的主要任務在于對北極附近地區進行戰略和戰區監視，以大幅擴大天基紅外系統的偵察范圍。該衛星的載荷也為掃描型紅外傳感器，重270千克，集成了近紅外、中紅外和地面可見波段三色探測器芯片。該傳感器通過雙軸驅動的施密特望遠鏡觀察地面，利用萬向節靈活設置觀察方向，從而獲得導彈發射點、軌跡和落點準確的紅外數據，所采集的原始數據會以100Mbps的速率全部直接下傳到地面處理中心后再進行處理。大橢圓軌道衛星采用“閃電軌道”，該軌道因蘇聯閃電型通信衛星首次使用而得名，特點是在遠地點附近停留的時間很長，而且遠地點附近在北半球有很好的可見度，適用于對北半球進行監視任務。大橢圓軌道衛星提高了天基紅外系統對北半球高緯度地區，尤其是北極地區洲際導彈和潛射導彈發射的監視能力。根據模擬，2顆大橢圓軌道衛星即可保證任意時刻都有一顆衛星對北緯75度以北的北極地區進行監視。

▲ “國防支援計劃”預警衛星在軌飛行示意圖

▲ “空間跟蹤與監視系統”衛星示意圖

天基紅外系統在地面上的控制和中繼設施分為地面固定式和機動式兩大類。固定式系統作為主力裝備由美國空軍太空司令部第460部隊管理運行；機動式系統作為輔助裝備由美國空軍國家警衛隊第233部隊負責，以提供可生存、可持續的任務支援。天基紅外系統最核心的地面設施位于科羅拉多州巴克利空軍基地的主任務控制站，該控制站負責接收和處理天基紅外系統的信息與數據，并統管衛星和載荷的任務規劃與分配。一旦檢測到國外導彈發射等重大活動，地面控制站會先將信息傳輸到太空司令部，隨后再傳送到北美航空防御司令部和軍方其他相關部門，由他們判定威脅等級并給出防御對策。

▲ 2017年1月，宇宙神-5運載火箭將GEO-3衛星送入太空

相比于“國防支援計劃”，天基紅外系統的預警能力得到了大幅提高。早期的“國防支援計劃”使用短紅外和可見光探測，無法克服云層反光的虛警問題，后來雖然演進到雙色紅外波段，但6000單元一維線陣列的視場和分辨率并不理想，雖然足以滿足探測巨大尾焰的遠程和洲際彈道導彈的需求，但對中短程戰術彈道導彈則有些力有不逮。而天基紅外系統解決了“國防支援計劃”預警時間短、虛警率高、漏報多的問題，它結合了掃描型和凝視型探測器的優勢，掃描速度和靈敏度比“國防支援計劃”提高了10倍以上，可在導彈發射后10～20秒內將預警信息傳遞給指揮控制系統，并對助推段導彈進行穩定、可靠的跟蹤，為后續反導傳感器提供關鍵的目標指示；同時，天基紅外系統在設計時一并考慮了對洲際導彈、遠程導彈和中近程戰術導彈的探測跟蹤能力，它對陸基洲際導彈的預警時間達26分鐘，對潛射導彈的預警時間為15分鐘，對陸基戰術導彈的預警時間為4～5分鐘；另外，天基紅外系統還彌補了“國防支援計劃”在北極附近的探測盲區，實現了導彈預警的全球覆蓋。

2011年5月，美國發射了天基紅外系統的首顆地球靜止軌道衛星GEO-1，并于2012年11月投入作戰應用。隨后，GEO-2、3、4分別于2013年3月、2017年1月、2018年1月發射升空，這4顆衛星均采用的是洛·馬公司研發的A2100衛星平臺。2021年5月，第5顆地球靜止軌道衛星GEO-5發射升空，以替換GEO-1。GEO-5采用的LM2100衛星平臺是A2100平臺的升級版本，共有26項改進，增強了動力和機動性。此次發射的第6顆地球靜止軌道衛星GEO-6據估計也應該采用了LM2100衛星平臺，為的是替換2013年部署的第2顆地球靜止軌道衛星GEO-2。

▲ 準備裝入整流罩中的GEO-4衛星

▲ 采用LM2100衛星平臺的 GEO-5衛星準備進入熱真空實驗室測試

2006年6月，第一顆天基紅外系統大橢圓軌道衛星HEO-1搭載在NROL-22偵察衛星上發射升空，并在軌完成了性能測試，隨后交付美軍投入作戰應用。2008年3月，HEO-2搭載NROL-28偵察衛星以同樣方式入軌運行。數年之后，HEO-3搭載NROL-35偵察衛星、HEO-4搭載NROL-42偵察衛星分別于2014年和2017年發射入軌，至此完成了4顆大橢圓軌道衛星的在軌部署。

從之前的報道看，天基紅外系統的地球靜止軌道衛星和大橢圓軌道衛星性能都有超出預期的表現，此次天基紅外系統的部署完畢無疑將顯著提高美國及其盟友對彈道導彈襲擊的預警能力，從而削弱潛在競爭對手的相關威懾能力。