本文內(nèi)容轉載自《光電技術應用》，版權歸《光電技術應用》編輯部所有。(王云萍 北京跟蹤與通信技術研究所)

摘要：導彈預警衛(wèi)星是空間預警系統(tǒng)的重要組成部分。以美國為例，介紹了DSP、SBIRS和Next-GenOPIR三代天基紅外導彈預警技術的發(fā)展，重點分析了天基紅外系統(tǒng)中紅外光學載荷的工作體制、性能參數(shù)及技術特點。同時，分析了天基紅外預警系統(tǒng)的工作模式，提出高低軌衛(wèi)星組網(wǎng)、多波段／長線列／大面陣探測、構建彈性體系等是天基導彈預警技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：天基；紅外；導彈預警；DSP；SBIRS；OPIR

導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)是美國空間監(jiān)視系統(tǒng)中非常關鍵的組成部分，是一個高度集成、高精度的光機電一體化系統(tǒng)，紅外探測器是其重要載荷，承擔著重要的導彈早期預警任務，可在全球范圍內(nèi)快速探測戰(zhàn)略／戰(zhàn)術彈道導彈的發(fā)射，預報彈著區(qū)域，提供來襲導彈彈道參數(shù)，為導彈防御系統(tǒng)提供最早期的威脅預警，引導部署在全球各地的早期預警雷達實施搜索和跟蹤，進行威脅評估，判斷導彈的攻擊規(guī)模、性質(zhì)和企圖，以便采取適當?shù)膽獙Υ胧楊A警衛(wèi)星系統(tǒng)預警能力的高低、提供預警時間的多少，成為導彈攔截成功與否的關鍵因素。“國防支援計劃”衛(wèi)星只能預警戰(zhàn)略導彈，對戰(zhàn)術導彈的預警能力不足，隨著導彈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的運用日益廣泛，天基預警的功能需求也隨之由戰(zhàn)略級向戰(zhàn)術級延伸，因而美國正積極打造可同時預警戰(zhàn)略導彈和戰(zhàn)術導彈的“天基紅外系統(tǒng)”，一旦該系統(tǒng)建成，其將具備全球全天時覆蓋、功能完備、實時響應的預警能力，可監(jiān)視和跟蹤全球彈道導彈飛行全程，必將對我國導彈武器的有效作戰(zhàn)應用構成嚴重威脅。因此，對美國天基紅外導彈預警技術及其發(fā)展進行深入研究具有重要現(xiàn)實意義。

1 國防支援計劃

“國防支援計劃”（DSP）是北美防空計劃（NORAD）中一項衛(wèi)星預警支援計劃，也是美國一項早期導彈預警的衛(wèi)星計劃，目的是對入侵北美的飛機、導彈和太空武器進行監(jiān)測、預警和攔截，為美國和同盟國在全球駐軍提供導彈入侵預警服務，于1970年11月投入使用。

DSP衛(wèi)星星座布設在地球靜止軌道上，由5顆衛(wèi)星組成，4顆為工作星，1顆為備份星（以在必要時隨時替換）。DSP衛(wèi)星分布在全球各大洲上空，如表1所示。

現(xiàn)役4顆工作星的位置是：西經(jīng)37?（大西洋）、東經(jīng)10?（歐洲）、東經(jīng)69?（東半球和印度洋）和西經(jīng)152?（太平洋），備份星定點于東經(jīng)110?（印度洋東部）。這種設計能在衛(wèi)星數(shù)目增多時確保有2顆以上的衛(wèi)星對同一區(qū)域進行監(jiān)視，協(xié)同掃描頻率更快，可提供立體的導彈尾焰信號特征數(shù)據(jù)。

DSP預警衛(wèi)星紅外系統(tǒng)結構和工作方式見圖1，技術參數(shù)見表2。

圖1 DSP預警衛(wèi)星紅外系統(tǒng)結構及工作方式

采用三軸穩(wěn)定的方式，共有6種有效載荷：①紅外望遠鏡子系統(tǒng)（IR）；②紫外跟蹤探測器（ULS）；③星球探測器子系統(tǒng)（SS）；④狀態(tài)監(jiān)視子系統(tǒng)（SMS）；⑤信號電子學子系統(tǒng)（SES）；⑥激光通信子系統(tǒng)（LCP）。其中，主探測器為2.7um和4.3um雙色紅外波段，前者用于導彈點火監(jiān)測，后者用于導彈軌跡監(jiān)測，地面分辨率為3-5km。紅外系統(tǒng)視場角為12?，光軸與衛(wèi)星自旋軸夾角6?，隨著衛(wèi)星的自旋，紅外探測器線列對地球表面每分鐘掃描6次。

目前，DSP衛(wèi)星已探測到前蘇聯(lián)、法、中、印、朝等國導彈發(fā)射信息1000余次。海灣戰(zhàn)爭期間，美國運用了2顆DSP衛(wèi)星，監(jiān)視伊拉克“飛毛腿”導彈的發(fā)射，從導彈發(fā)射到判明彈著區(qū)僅120s，并于180s內(nèi)將這些情報傳送海灣部隊，可給愛國者導彈提供90-120s的預警時間。

DSP衛(wèi)星最初作為一種戰(zhàn)略導彈預警手段提出的，存在一些固有的缺點：不能跟蹤中段飛行的導彈，對國外設站的依賴性大，虛警問題未得到根本解決，且衛(wèi)星掃描速度較慢，對“飛毛腿”等戰(zhàn)術導彈的探測能力有限，難以給出更為充足的預警時間。針對DSP系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)爭中所暴露的缺點，美國國防部和美國空軍在戰(zhàn)后啟動了以下3個技術改進計劃：

（1）導彈發(fā)射和截擊戰(zhàn)區(qū)預警（AIERT）計劃：ALERT計劃在導彈發(fā)射后幾分鐘內(nèi)作出預警并攔截來襲目標，以滿足高技術戰(zhàn)爭的要求。為此，ALERT系統(tǒng)采用多CPU的新型號SGI計算機對DSP衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行快速處理，運算速度為15億次／s。該計劃于1995年完成。

（2）眼鏡蛇響聲（CB）計劃：為提高DSP衛(wèi)星探測能力，要求研制一種新型的紅外遙感器，以代替DSP衛(wèi)星上使用的雙波段探測器。改進之處有：采用3個焦平面，通過濾光片旋轉實現(xiàn)波段快速切換；采用快速掃描成幀技術；提高儀器的靈敏度；采用高速星上存儲器。該計劃于1995年歸人SBIRS計劃，新研制的紅外探測器也將用于高軌天基紅外系統(tǒng)衛(wèi)星上。

（3）紅鼻鳧（TealRubv）計劃：這是一項紅外探測器的試驗衛(wèi)星計劃，1985年立項，進行了1次發(fā)射，壽命為1年，星上傳感器是1臺具有13個窄波段（2.5-15.5um）的紅外裝置，每個紅外焦平面陣列上有1024個像元。

2 天基紅外系統(tǒng)

為應對彈道導彈的威脅，美空軍一直在不斷完善新一代導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)，曾考慮過多種方案。從1979年至1995年，先后提出研制新一代的“先進預警系統(tǒng)”（AWS），“助推段監(jiān)視與跟蹤系統(tǒng)”（BSTS），“后繼預警系統(tǒng)”（FEWS）計劃以及“導彈報警、定位和報知”（AIARM）系統(tǒng)計劃等。1995年8月，ALARM系統(tǒng)計劃又被取消，空軍最后決定研制天基紅外系統(tǒng)（SBIRS）預警衛(wèi)星。該衛(wèi)星于1997財年獲準進入工程與制造發(fā)展階段。

天基紅外系統(tǒng)（SBIRS）包括空間系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，星座分布見圖2。

圖2 SBIRS星座分布示意圖

空間系統(tǒng)由3種軌道高度的衛(wèi)星星座組成，即低軌衛(wèi)星星座（SBIRS-Low）、高軌衛(wèi)星星座（SBIRS-HEO）和靜止軌道衛(wèi)星星座（SBIRS-GEO），其中低軌道（LEO：12-24顆）、大橢圓軌道（HEO:2顆）和地球同步軌道（GE0:5顆，其中1顆為備份），每顆衛(wèi)星都具有寬視場、短波紅外捕獲和窄視場、多波段跟蹤傳感器，具有紅外、可見和紫外多譜段探測能力，具備導彈主動段、飛行中段和再人段的探測和在導彈飛行中段指導攔截的能力。

2.1 SBIRS-High衛(wèi)星系統(tǒng)

SBIRS的高軌部分由2顆SBIRS-HEO和5顆SBIRS-GEO組成。主要是通過紅外探測來偵察、跟蹤來襲導彈的助推段，為美國最高指揮當局和作戰(zhàn)部門提供全球范圍內(nèi)的導彈發(fā)射數(shù)據(jù)。其中，SBIRS-HEO遠地點位于北半球上空，可長期觀測北半球的情況，主要用于探測俄羅斯等高緯度地域的洲際導彈發(fā)射和北方水域的潛射導彈發(fā)射。SBIRS-GEO衛(wèi)星掃描型探測器掃描視場約為10?，利用擺鏡南北線列掃描，2幀實現(xiàn)相應地球表面覆蓋，凝視型探測器視場1?~2?，凝視型探測器對目標進行高分辨率成像、精確跟蹤，獲取詳細信息。SBIRS-GEO衛(wèi)星結構及功能部件見圖3。

圖3 SBIRS高軌衛(wèi)星結構圖

SBIRS高軌預警衛(wèi)星相比DSP衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星都裝有1臺高速寬視場掃描型短波紅外捕獲探測器（在熱助推段觀測明亮的導彈羽焰）和1臺窄視場凝視多譜段（中波、中長波和長波紅外及可見光）跟蹤探測器（在中段和末段跟蹤導彈），載荷使用方式見圖4。

圖4 SBIRS衛(wèi)星光學載荷使用示意圖

其中，短波紅外捕獲傳感器用于導彈發(fā)射時的偵察，可見光跟蹤傳感器用于導彈基地和導彈類型的鑒別，紅外跟蹤傳感器用于導彈發(fā)射后的跟蹤偵察。前者利用掃描折射望遠鏡和短波紅外焦平面陣列掃描南北半球，探測導彈發(fā)射時噴出的尾焰，發(fā)現(xiàn)目標后將其提供給后者，后者利用動作敏捷的望遠鏡將導彈發(fā)射畫面拉近放大，緊盯可疑目標，跟蹤導彈中段和末段飛行的彈頭，為美國國家導彈防御系統(tǒng)和戰(zhàn)區(qū)導彈防御系統(tǒng)提供高精度的目標瞄準數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對導彈發(fā)射的全程跟蹤；同時衛(wèi)星上的處理系統(tǒng)能預測處理導彈彈道和彈頭的落點，衛(wèi)星的掃描速度和靈敏度比DSP衛(wèi)星高出10倍，可有效增強對戰(zhàn)術導彈的探測能力，在導彈點火的瞬間將其捕獲，并在導彈發(fā)射后10-20s內(nèi)將警報信息傳送給地面部隊。

2.2 空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)

為了避免高軌道和低軌道星座相互混淆，2002年11月五角大樓將SBIRS-Low系統(tǒng)改名為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”（STSS）。STSS系統(tǒng)由24-30顆部署在高度1600km左右的多軌道面上的小型、大傾角、低軌道衛(wèi)星組成，衛(wèi)星之間信息通過60GHz的星間鏈路傳輸，衛(wèi)星與地面間的傳輸速率為22/44GHz，可以實現(xiàn)對彈道目標的立體式持續(xù)跟蹤，主要用于捕獲跟蹤彈道導彈中段飛行發(fā)熱彈體和末段飛行再入彈頭。STSS系統(tǒng)在SBIRS-High系統(tǒng)與陸基預警雷達系統(tǒng)對彈道目標中段進行探測的“空隙”之間架起一座“橋梁”，戰(zhàn)術應用示意圖見圖5。

圖5 STSS衛(wèi)星導彈預警戰(zhàn)術示意圖

STSS主要功能是在戰(zhàn)區(qū)沖突和針對美國的導彈攻擊防御中，為導彈防御任務提供精確的中段跟蹤和識別能力，STSS目前還未直接參與攔截試驗，但具有針對彈道導彈飛行全過程的監(jiān)視與跟蹤能力，能夠探測到中段目標在跨越陽光與陰影區(qū)飛行中的溫度變化，甚至可以觀測到誘餌釋放、膨脹及展開過程的特性變化。STSS基本功能還包括：能對全球范圍內(nèi)的導彈發(fā)射進行監(jiān)視；能提供精確、及時的導彈發(fā)射時間和地點估計；能同時對多個彈道目標進行精確跟蹤與監(jiān)視；具有分辨彈頭和誘餌的能力，并獲得彈頭的位置、速度和加速度等狀態(tài)信息；能估計導彈攻擊的準確時間和地點；能夠精確引導地面雷達捕獲來襲導彈和彈頭，使地面雷達在對方導彈進入其作用范圍時才開始工作，可以減少來自反輻射導彈的威脅等；此外STSS還兼具技術情報收集、戰(zhàn)場空間特征描述等多種功能，為彈道導彈防御作戰(zhàn)提供有力的情報支持和技術保障。STSS演示驗證衛(wèi)星在軌試驗成果見表3。

目前，SBIRS已經(jīng)發(fā)射了4顆SBIRS-HEO衛(wèi)星、4顆SBIRS-GEO衛(wèi)星及2顆STSSDemo演示驗證衛(wèi)星，相關的技術方案還在不斷的調(diào)整與完善，其中STSS衛(wèi)星計劃已更名為精確跟蹤太空系統(tǒng)（PTSS），放棄了目標捕獲功能，只跟蹤目標。

3 Next-Gen OPIR計劃

2018年5月4日，美國空軍發(fā)布未來導彈預警衛(wèi)星合作意向，將向洛克希德·馬丁公司和諾斯羅普·格魯曼公司簽發(fā)兩份獨家采購合同，以開展“下一代過頂持續(xù)紅外”（Next-Gen OPIR，nnext generation overheadpersistent infrared program）預警衛(wèi)星項目。

美軍認為，隨著俄羅斯、印度等國大力發(fā)展衛(wèi)星對抗能力，其太空資產(chǎn)面臨著來自動能武器、天基操控武器、地基激光武器，以及網(wǎng)絡和電子攻擊等的威脅，這些威脅使得美國的太空體系日益脆弱，未來的天基導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)必須具備更強的生存能力和體系彈性。

為瞄準未來太空作戰(zhàn)，轉變裝備發(fā)展理念，著力構建在“競爭性環(huán)境”中具有更強的生存能力和體系彈性的天基預警體系，以應對新出現(xiàn)的和預期的威脅，空軍在Next-Gen OPIR項目中提出通過“采用成熟的衛(wèi)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(wèi)星的成本，從而降低己方導彈預警衛(wèi)星的作戰(zhàn)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(wèi)星，在戰(zhàn)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(wèi)星的體系彈性。

Next-Gen OPIR是美國在繼DSP、SBIRS之后，規(guī)劃的新一代高軌預警衛(wèi)星系統(tǒng)，初期系統(tǒng)將包括3顆GEO和2顆HEO衛(wèi)星，首顆GEO衛(wèi)星將在2023年發(fā)射。據(jù)分析，Next-Gen OPIR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(fā)射，還能探測和跟蹤小型地空導彈、助推一滑翔及吸氣式高超聲速武器，甚至空空導彈的發(fā)射。一旦整個系統(tǒng)完成實戰(zhàn)部署，可直接在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術層面上支持反導作戰(zhàn)，將對各國的導彈武器的作戰(zhàn)運用帶來極大影響。

4 天基導彈預警技術發(fā)展趨勢

分析DSP、SBIRS到OPIR的演變可知，美國天基紅外導彈預警技術發(fā)展具有下述幾個特點：

（1）從軌道來看，由單一的地球靜止軌道，到結合大橢圓軌道，再到高軌組網(wǎng)與低軌組網(wǎng)相互配合的發(fā)展過程。從提高彈道預警的精度看，雙星立體觀測是基本要求，3顆以上星同時觀測目標是更理想的方案。從組網(wǎng)方式上看，高中低軌道組網(wǎng)相互配合是發(fā)展方向，高軌道星座利用其覆蓋廣的優(yōu)勢用于發(fā)現(xiàn)目標，中低軌道星座利用其探側分辨率高的優(yōu)勢用于探測和跟蹤目標。

STSS整個低軌衛(wèi)星星座是利用衛(wèi)星內(nèi)部的交叉鏈路連接在一起的。當同軌道中一顆衛(wèi)星所跟蹤的導彈離開它的視線后，它可以將目標的位置等信息告知第二顆衛(wèi)星，第二顆衛(wèi)星將繼續(xù)跟蹤目標，實現(xiàn)對目標的“接力”跟蹤。STSS星座可以實現(xiàn)2-4顆衛(wèi)星共同對目標進行立體觀測和空間定位，通過融合多顆衛(wèi)星觀測的信息，可以對目標進行準確識別和定位，必要時被觀測目標的信息可以在整個星座中繼續(xù)傳遞下去，直到目標被摧毀或無法探測為止。據(jù)最新消息，雷神公司為SBIRS提供了約4kx4k的紅外焦平面?zhèn)鞲衅鳎梢阅暟雮€地球，未來部署的STSS星座的衛(wèi)星數(shù)量可能減少，但軌道數(shù)可能增加，實現(xiàn)更多顆衛(wèi)星同時對目標進行立體觀測。

SBIRS-High星座軌道較高，觀測范圍大，能夠在導彈點火的瞬間捕獲目標，盡早發(fā)現(xiàn)目標，并將目標信息傳輸給STSS星座，STSS衛(wèi)星對目標進行精確識別和跟蹤。SBIRS-High與STSS共同構成美國天基預警系統(tǒng)高、低軌道復合型星座，成為美國彈道導彈防御的太空“鷹眼”，通過二者的配合探測，可以在助推段、中段和再人段實現(xiàn)對遠程和洲際彈道導彈的全程跟蹤與探測，并通過精確定位為攔截系統(tǒng)提供引導信息，成為彈道導彈防御系統(tǒng)的力量倍增器。

（2）從探測器件的發(fā)展來看，經(jīng)歷了從單一波段向多波段／多光譜、從少探測元線列掃描向多探測元線列掃描和大面陣／大視場凝視的發(fā)展過程。

早期的DSP衛(wèi)星只采用短波紅外（2.7um）和可見光探測，無法克服云層反射陽光等自然現(xiàn)象造成的虛警問題，后來發(fā)展為雙色紅外波段（2.7um和4.3um），可以大大降低由此引起的虛警率。目前正在試驗紫外和長波紅外的探測效果。來自不同波段和不同探側器的數(shù)據(jù)融合可進一步降低虛等、提高目標的識別率。但對彈道導彈主動段的探測仍以中短波紅外為主，因為該譜段探測技術比較成熟，同時能獲得較高的圖像信噪比和探測效率。由于預警目標和材料及工藝的原因，早期的DSP探測器采用了2000元的線陣列，其分辨率低，但對于探測尾焰紅外輻射長度達幾千米的戰(zhàn)略導彈是足夠的，隨著技術的進步和戰(zhàn)術彈道導彈預警的要求，之后采用了6000元的雙色紅外線陣列，地面分辨率達到1km，使得中短程彈道導彈和部分原來探測不到的目標（如加力狀態(tài)下的飛機）也能被探測出來。SBIRS則用長線列掃描發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)戰(zhàn)術導彈目標，以擴大搜索視場，用大面陣凝視跟蹤目標，以提高目標信息的獲取速率。新一代的紅外系統(tǒng)OPIR中的探測器件則采用超大面陣多波段紅外陣焦平面探測器。

（3）從對彈道導彈飛行中段的預警來，目前技術還不成熟，未來傾向于以中、低軌道衛(wèi)星為主。

從SBIRS計劃來看，紫外、可見光、長波紅外和毫米波雷達都是候選的波段，但目前都處于數(shù)據(jù)收集和原理試驗階段。由于中段彈頭不發(fā)熱，要求探測器有很高的分辨率。因此，中段探測器不僅要求有較多的探測元，而且要布置在中低軌道上組網(wǎng)進行監(jiān)視，必要時以深空為背景進行觀測。這些衛(wèi)星的任務是跟蹤目標并測定彈道參數(shù)，它們需要接收主動段探測的信息指示。

（4）從數(shù)據(jù)通信鏈路上來看，經(jīng)歷了從地面站集中接收并送到處理中心處理再送回戰(zhàn)場指揮中心，到可以機動部署，同時可接收和處理多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的戰(zhàn)場前沿移動站為主的發(fā)展過程。以快速分發(fā)為主要發(fā)展方向，并具有在星上完成信息處理的趨勢。

（5）從戰(zhàn)場生存能力上來看，天基導彈預警衛(wèi)星將通過搭載通信衛(wèi)星或其他商業(yè)衛(wèi)星等方式具有更強的隱蔽性，發(fā)射和部署周期更短、數(shù)量更多、機動變軌能力更強，系統(tǒng)將具有更強的生存能力和體系彈性。

5 結論

太空已經(jīng)成為維護國家安全和利益所必須關注和爭奪的戰(zhàn)略制高點。美軍現(xiàn)有的典型空間預警系統(tǒng)SBIRS-直在改進與完善中，Next-Gen OPIR首顆衛(wèi)星即將發(fā)射，一旦整個系統(tǒng)完成實戰(zhàn)部署，可直接在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術層面上支持反導作戰(zhàn)，必將對我國戰(zhàn)略威懾力、導彈武器作戰(zhàn)運用構成重大不利影響；同時，未來的空間衛(wèi)星預警系統(tǒng)需要對目標進行實時、高速采集及數(shù)據(jù)處理和自動控制，系統(tǒng)效能的發(fā)揮更將依賴于信息協(xié)同，急需研究其薄弱環(huán)節(jié)，綜合利用雷達、通信、光電、衛(wèi)星對抗武器等多種措施，有針對性地發(fā)展對抗手段，從頂端破壞強敵反導信息鏈，降低其作戰(zhàn)效能，從而保障己方導彈武器的突防力和核威懾的有效性。