美天基預警系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及特性研究

王瀚霆，陳 鋒，宋君強，郁海勇，郭禹辰

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

冷戰(zhàn)時期美國建立的本土防御的地理優(yōu)勢在迅速發(fā)展的彈道導彈面前逐步喪失，因此如何對彈道導彈進行有效的預警與攔截是美軍研究與發(fā)展的重點。彈道導彈在發(fā)射主動段會產(chǎn)生超高溫、強輻射的尾焰，天基預警系統(tǒng)不受時間區(qū)域約束，通過星載紅外探測載荷實現(xiàn)對彈道導彈尾焰及彈體高溫蒙皮紅外輻射發(fā)現(xiàn)與識別［1-2］，可在全球范圍內(nèi)對彈道導彈的發(fā)射進行探測，生成彈道信息實時引導地基遠程預警雷達搜索跟蹤，有效支援地基反導裝備實施攔截［3-4］。因此天基預警系統(tǒng)在美導彈防御體系中處于空間上制高點、時間上最前沿，是美國家戰(zhàn)略反導體系的核心環(huán)節(jié)。

美國自20 世紀50 年代開始啟動天基預警系統(tǒng)的研究與部署，歷經(jīng)六十余年發(fā)展，期間經(jīng)過了“米達斯”計劃（MiDAS）、國防支援計劃（DSP）及天基紅外系統(tǒng)（SBIRS）3 個主要的發(fā)展階段［5-7］，共發(fā)射40 余顆導彈預警衛(wèi)星，從早期的試驗驗證逐步進入實戰(zhàn)化應用階段，已經(jīng)建成了立體完備、全球覆蓋、高效運行的天基預警系統(tǒng)。

1 “米達斯”計劃

為應對蘇聯(lián)洲際彈道導彈帶來的巨大威脅，20 世紀50 年代美國防部高級研究計劃局（DARPA）提出了“米達斯”計劃（MiDAS），旨在通過在蘇聯(lián)上空部署紅外傳感器實現(xiàn)對其彈道導彈發(fā)射的探測，“米達斯”計劃也是美國第一代偵察衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分。由于當時缺乏進入地球同步軌道的能力，MiDAS 衛(wèi)星部署在高度約為3 200 km 的極地軌道上。在1960—1966 年期間，美軍共發(fā)射12 顆MiDAS 衛(wèi)星［8］，受到當時空間技術的制約，部分MiDAS 衛(wèi)星發(fā)射失敗或在入軌后失效。MiDAS 衛(wèi)星探測靈敏度低，存在較高的虛警，不具備在實戰(zhàn)中應用的條件。但通過其長時間的在軌試驗，積累了大量目標及背景的紅外輻射特性，充分驗證了天基導彈預警相關技術體制及探測機理，為美后續(xù)天基預警系統(tǒng)的建設發(fā)展奠定了良好的基礎。

2 國防支援計劃

國防支援計劃（DSP）是美軍用于取代“米達斯”計劃的天基預警系統(tǒng)，作為北美防空計劃（NORAD）的重要組成部分，可為美國及其盟友提供全球范圍內(nèi)彈道導彈發(fā)射及地下核試驗的預警信息。DSP 衛(wèi)星星座部署于地球同步軌道，星座設計由5 顆衛(wèi)星構成，其中4 顆為工作星，1 顆為備份星。衛(wèi)星采用三軸自旋穩(wěn)定控制方案，紅外探測器光軸與衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸成7.5°夾角，隨著衛(wèi)星自旋紅外探測器線列對覆蓋區(qū)域形成圓形的掃描探測，掃描速度為每分鐘6 圈［9］，探測器采用2 個短波紅外波段，分別為2.7 μm 和4.3 μm［10］。

DSP 衛(wèi)星在1970—2007 年間的整個計劃實施的生命周期內(nèi)歷經(jīng)多次的改進與升級，探測器像元數(shù)量從早期的2 000 個提升至6 000 個，設計壽命提升至5年，衛(wèi)星質(zhì)量功耗也得到了大幅度提升［11］，歷次改進升級情況如表1 所示。國防支援計劃先后發(fā)射23 顆衛(wèi)星，其中2 顆發(fā)射失敗，1 顆不明原因失效，其他衛(wèi)星均正常入軌運行，其中大部分均超期服役完成了在軌任務。

表1 DSP 衛(wèi)星改進升級情況

表2 在役DSP 衛(wèi)星軌道參數(shù)

DSP 預警衛(wèi)星系統(tǒng)可為美軍提供對洲際彈道導彈25 min 以上的預警時間，在其服役數(shù)十年間發(fā)揮了重要作用。該系統(tǒng)在冷戰(zhàn)期間探測到千余次彈道導彈發(fā)射信息，在海灣戰(zhàn)爭中成功探測到伊拉克“飛毛腿”導彈的發(fā)射［12］，該系統(tǒng)也是世界上唯一經(jīng)過實戰(zhàn)檢驗的天基預警系統(tǒng)。

截至目前仍有5 顆DSP 衛(wèi)星在軌超年限服役，分別為DSP-17/18/20/21/22，經(jīng)維護原計劃于2020 年退役，但據(jù)最新報道將延長服役至2030 年，與新一代天基預警系統(tǒng)協(xié)同工作。根據(jù)北美防空司令部公開的DSP 衛(wèi)星軌道信息（詳見表 2）分析，DSP-18 衛(wèi)星運行于軌道高于GEO 標稱軌道300 km 左右的墳墓軌道上，考慮其為在軌備份星，其余4 顆星為工作星。尚在服役的DSP 衛(wèi)星運行軌道傾角均大于10°，其中DSP-22 定點位置為東經(jīng)87.3°，可實現(xiàn)對亞太區(qū)域的實時覆蓋。

針對DSP 衛(wèi)星系統(tǒng)在實戰(zhàn)過程中暴露出來的問題，美國在海灣戰(zhàn)爭后進行了多方面的升級與改進，但該系統(tǒng)仍存在諸多不足：1）掃描速率慢、探測分辨率差、定位精度低；2）系統(tǒng)虛警、漏警問題嚴重；3）缺乏對戰(zhàn)術導彈的預警能力；4）在南北兩極區(qū)域存在預警盲區(qū)。為進一步加強天基導彈預警能力，美國空軍在20 世紀90 年代初期決定發(fā)展新一代天基預警系統(tǒng)。

3 天基紅外系統(tǒng)

天基紅外系統(tǒng)（SBIRS）是美新一代導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)，可為美軍提供導彈防御、導彈預警、技術情報及戰(zhàn)場感知等信息［13］。該系統(tǒng)原計劃采用高低軌協(xié)同互補、立體化探測的建設思路，其中高軌部分由同步軌道星座（SBIRS-GEO）和大橢圓軌道星座（SBIRS-HEO）構成，具備全球范圍內(nèi)導彈多目標主動段預警、多關機點探測等能力；低軌部分由低軌道星座（SBIRS-LEO）構成，負責對全球范圍內(nèi)彈道導彈飛行全程的發(fā)現(xiàn)跟蹤。其中低軌部分在2001 年由美空軍移交美導彈防御局，重新命名為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”（STSS），在美已全球部署遠程預警雷達形成中段反導能力的背景下，同時考慮技術風險與經(jīng)費投入，STSS 系統(tǒng)只發(fā)射了2 顆演示驗證星，驗證星入軌后參與美導彈防御局多次反導試驗，驗證了彈道導彈全程跟蹤、為導彈防御系統(tǒng)提供精確引導等關鍵能力［14］。高軌部分繼續(xù)沿用SBIRS 名稱，接替DSP 計劃，成為美軍新一代天基導彈預警系統(tǒng)。

3.1 空間段

2022 年8 月美國第6 顆地球同步軌道導彈預警衛(wèi)星SBIRS-GEO-6 在卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射，標志著美新一代天基紅外系統(tǒng)已全面建成。天基紅外系統(tǒng)由6 顆部署于同步軌道上的SBIRS-GEO 衛(wèi)星和4 個寄宿于大橢圓電子偵察衛(wèi)星上的SBIRS-HEO導彈預警載荷組成。

SBIRS-GEO 衛(wèi)星裝載了掃描紅外相機和凝視紅外相機，探測波段覆蓋近紅外、中紅外與可見光。衛(wèi)星工作時首先利用大視場掃描紅外相機實現(xiàn)對導彈主動段尾焰輻射的廣域探測，獲取目標信息后交接給凝視紅外相機，利用其窄視場高精度凝視能力精確跟蹤導彈、彈頭及誘餌等目標，并通過星上信息鏈路向地面數(shù)據(jù)接收站及前沿戰(zhàn)區(qū)傳輸星上處理后的或原始的紅外預警信息，實現(xiàn)對彈道導彈的早期預警。與DSP 衛(wèi)星相比，其掃描速度與探測靈敏度均提升了10倍以上。

SBIRS-HEO 導彈預警載荷搭載于美軍新一代大橢圓軌道電子偵察衛(wèi)星“小號”（Trumpet）上，運行在遠地點位于北半球高緯度區(qū)域的閃電軌道上。閃電軌道也稱為莫尼亞軌道（Molniya orbit）［15］，是一種傾角約為63.4°的大偏心率橢圓軌道，可在大部分時間內(nèi)運行在遠地點上空。因此SBIRS-HEO 載荷可重點提升對俄羅斯本土、北極附近等北半球高緯度地區(qū)彈道導彈發(fā)射的連續(xù)監(jiān)視能力，填補同步軌道預警衛(wèi)星探測盲區(qū)。該載荷采用掃描紅外相機，探測波段覆蓋近紅外、中紅外與可見光［16］。

根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)（詳見表3）分析可知，6 顆SBIRS-GEO 衛(wèi)星已實現(xiàn)對全球中低緯度地區(qū)一重覆蓋，對部分重點關注區(qū)域兩重覆蓋；4 個大橢圓軌道SBIRS-HEO 載荷形成了對北緯50°以上地區(qū)的24 h 連續(xù)監(jiān)視能力，與遠程預警雷達構成了全過程、分布式、立體化的導彈防御體系。

表3 SBIRS 衛(wèi)星軌道參數(shù)

根據(jù)SBIRS-GEO 衛(wèi)星歷史軌道參數(shù)對其軌道控制策略進行分析，以GEO-1/4 兩顆衛(wèi)星為例。圖1 與圖2 分別給出了以2022 年1 月1 日為起點、在300 天時間內(nèi)衛(wèi)星軌道傾角與升交點赤經(jīng)的真實值與高精度軌道遞推結果（HPOP 模型）的對比情況，對比結果表明2 種情況傾角誤差≤0.001°，升交點赤經(jīng)誤差≤0.3°。數(shù)據(jù)上的一致性說明SBIRS-GEO 衛(wèi)星真實軌道傾角與升交點赤經(jīng)變化符合自然受攝運動規(guī)律，衛(wèi)星不進行南北位置保持控制。

圖1 軌道傾角真實值與遞推值對比

圖2 升交點赤經(jīng)真實值與遞推值對比

圖3給出了衛(wèi)星定點經(jīng)度真實值與高精度軌道遞推結果的對比情況，曲線表明兩者存在明顯差異，且定點經(jīng)度真實值變化區(qū)間小于0.1°，說明SBIRS-GEO衛(wèi)星定期進行東西位置保持控制。

圖3 定點經(jīng)度真實值與遞推值比對

通過對SBIRS-GEO 衛(wèi)星的歷史軌位數(shù)據(jù)分析確認，其存在大范圍軌位調(diào)整的情況，表4 給出了GEO-1/2/5 衛(wèi)星在2020 年以來的定點位置調(diào)整情況，推測其目的為加強對重點區(qū)域的偵察監(jiān)視。

表4 SBIRS-GEO 衛(wèi)星定點位置調(diào)整情況

3.2 地面段

SBIRS 衛(wèi)星系統(tǒng)的地面段主要由地面測控站與數(shù)據(jù)接收站組成。

1）地面測控站

SBIRS 衛(wèi)星采用美國空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)（AFSCN）進行測控，該控制網(wǎng)廣泛應用于美軍高軌衛(wèi)星的測控，是美國軍用測控網(wǎng)中規(guī)模最大，同時也是最重要的多用戶軍事航天測控網(wǎng)［17］，該控制網(wǎng)包括8 個遠程測控站，主要分布情況如表5 所示。

表5 AFSCN 遠程測控站

2）數(shù)據(jù)接收站

SBIRS 衛(wèi)星的地面數(shù)據(jù)接收站分為3 類，具體如下：

①地面任務控制站（MCS）：負責接收與處理天基紅外系統(tǒng)探測數(shù)據(jù)，位于美本土伯克利空軍基地。

②中繼地面站（RGS）：分別是美本土伯克利空軍基地地面站（CGS）、澳大利亞松峽地面站（OGS）和位于德國的歐洲地面站（EGS），地面站最大接收天線口徑為18 m，其中OGS 與EGS 站只負責天基紅外數(shù)據(jù)的接收和傳輸，數(shù)據(jù)傳回美國本土MCS 站統(tǒng)一處理。3 個中繼地面站在經(jīng)度上分布間隔約120°，形成了對高軌預警衛(wèi)星全球可見的能力，3 個中繼地面站間通過光纜進行數(shù)據(jù)傳輸。

③聯(lián)合戰(zhàn)術地面站（JTAGS）：在海灣戰(zhàn)爭后，針對DSP 衛(wèi)星在戰(zhàn)區(qū)導彈預警方面存在的問題，美軍研制了可機動化部署的聯(lián)合戰(zhàn)術地面站（JTAGS）。JTAGS 系統(tǒng)可作為移動式信息處理系統(tǒng)部署在前沿戰(zhàn)區(qū)內(nèi)，配置3 副2.44 m 口徑的拋物面天線，可同時接收多顆天基紅外衛(wèi)星下傳的數(shù)據(jù)，并通過信息計算處理系統(tǒng)實現(xiàn)對多顆衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)的融合處理，進一步提升精度。同時可通過戰(zhàn)區(qū)通信網(wǎng)絡近實時地完成導彈預警信息的分發(fā)。JTAGS 系統(tǒng)共發(fā)展了Block I 與Block II 兩代，目前共部署9 套，后續(xù)將會進一步將其升級為多任務移動處理系統(tǒng)（M3P），提升數(shù)據(jù)處理能力。

SBIRS 衛(wèi)星不同類型的地面數(shù)據(jù)接收站具體分布情況如表6 所示。

表6 SBIRS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站分布

3.3 鏈路段

SBIRS-GEO 衛(wèi)星共配置6 條星地信息鏈路，包含4 條下行鏈路和2 條上行鏈路，覆蓋衛(wèi)星測控、數(shù)傳、戰(zhàn)區(qū)數(shù)據(jù)分發(fā)等數(shù)據(jù)傳輸功能［18］。鏈路分別命名為Link1～Link6，其中Link1 又分為Link1-S 和Link1-T兩條鏈路，各信息鏈路頻率及傳輸內(nèi)容等具體參數(shù)如表7 所示。

表7 SBIRS-GEO 衛(wèi)星信息鏈路

SBIRS-GEO 衛(wèi)星采用洛克希德·馬丁公司的A2100/LM2100 衛(wèi)星平臺，采用模塊化設計理念，可適應不同載荷的需求，具備在軌軟件靈活重構能力，衛(wèi)星設計壽命15 年［19］。根據(jù)洛馬公布的衛(wèi)星組成示意圖分析確認SBIRS-GEO 衛(wèi)星配置2 副雙頻段萬向點波束天線（Dual-Band Gimbaled Spot Beams）、1 副S頻段全球天線（S-Band Earth Antenna）、1 副全向天線（Omni Antenna），天線配置情況如圖4 所示。

圖4 SBIRS-GEO 衛(wèi)星鏈路與天線對應情況

1）數(shù)傳鏈路

衛(wèi)星數(shù)傳鏈路按不同的傳輸內(nèi)容與速率分為Link1-S、Link1-T、Link3 三條，工作于K 頻段。星上配置2 副雙頻段萬向點波束天線實現(xiàn)對地面數(shù)傳站的精確指向與信號輻射。根據(jù)圖5 中衛(wèi)星組成示意圖與衛(wèi)星總裝實物圖的參照對比情況可判斷其采用拋物面天線形式，配置雙頻段饋源。2 副天線可同時指向2 個部署在不同位置的地面數(shù)據(jù)接收站，數(shù)據(jù)既可傳輸至大型中繼地面站（RGS），又可傳輸至可移動的聯(lián)合戰(zhàn)術地面站（JTAGS）。

圖5 SBIRS-GEO 衛(wèi)星天線實物情況

2）戰(zhàn)術分發(fā)鏈路

衛(wèi)星Link4 鏈路可實現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)任務數(shù)據(jù)分發(fā)，工作于S 頻段。通過1 副S 頻段全球天線將導彈預警信息直接分發(fā)至各戰(zhàn)區(qū)配屬的聯(lián)合戰(zhàn)術地面站（JTAGS）或其他類型機動站。根據(jù)圖5 判斷該天線采用了16陣元相控陣天線設計，天線波束可瞬時覆蓋地球可視圓盤，波束可敏捷靈活指向用于滿足衛(wèi)星在不同姿態(tài)下的對地覆蓋需求。

3）抗干擾遙控鏈路

衛(wèi)星Link2 鏈路是抗干擾遙控鏈路，工作于EHF頻段，推測該鏈路與先進極高頻（AEHF）通信衛(wèi)星上行抗干擾遙控鏈路類似，均采用寬帶高速跳頻體制［20］，抗干擾能力強，可作為衛(wèi)星在強電磁干擾環(huán)境下的保底控制手段。根據(jù)圖5 判斷該鏈路與數(shù)傳鏈路共用2 副雙頻段固定點波束天線，可同時指向2 個測控站，拋物面天線應具備K 與EHF 雙頻段工作能力。

4）測控鏈路

衛(wèi)星Link5 為下行遙測鏈路，Link6 為上行遙控鏈路，測控鏈路采用美國空軍控制網(wǎng)的天地鏈路系統(tǒng)（SGLS）體制，可提供測控站與衛(wèi)星間的遙測、遙控、跟蹤、測距等功能。下行鏈路工作于S 頻段、上行鏈路工作于L 頻段。根據(jù)圖5 判斷星上配置1 副全向天線實現(xiàn)在任意姿態(tài)情況下衛(wèi)星測控信號的接收與發(fā)射。

4 結束語

美軍基于全球覆蓋的戰(zhàn)略反導理念，歷經(jīng)四十余年建設發(fā)展，已形成裝備體系完善、綜合集成度高、技術先進的多軌道立體化的天基預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對全球范圍內(nèi)彈道導彈的預警與情報分發(fā)，是美國家導彈防御系統(tǒng)的重要組成。本文介紹了美天基預警系統(tǒng)的發(fā)展過程，從空間、地面、鏈路3 個部分詳細分析了新一代SBIRS 預警衛(wèi)星的建設情況，可為天基預警系統(tǒng)的建設提供借鑒與啟示。■