美国天基红外预警系统的发展＊

李国柱 孙 轶

（海军驻汉中地区航空军事代表室 汉中 723213）

1 引言

目前，美国在研的“天基红外系统”SBIRS采用了全新的组网方式和各种先进的星载光电探测器，提高了扫描速率和灵敏度，具有精确的跟踪和定位能力，可实时探测与跟踪导弹从发射到飞行的全过程，用于对全球和战区导弹预警、国家和战区导弹的防御、技术情报的提供和战场态势的分析等，预警速度和精度将大大提高。本文就天基红外预警系统、发展动向、发展分析等，作进一步的研究和探讨［1］。

2 天基红外预警系统（SBIRS）

2.1 SBIRS的组成

该卫星系统拟由两部分组成：高轨道部分，包括4颗地球同步轨道卫星和2颗大椭圆轨道卫星；低轨道部分，即SMTS，包括若干颗近地轨道小卫星，组成一个覆盖全球的卫星网，主要用于跟踪在中段飞行的弹道导弹和弹头，并能引导拦截弹拦截目标［2］。

1）SBIRS预警卫星高轨道部分。

SBIRS预警卫星的关键是研制能快速探测到“飞毛腿”之类较小导弹发射的一对先进探测器，即在每颗卫星上装有高速扫描型探测器和与之互补的凝视型探测器。扫描型探测器用一个一维线阵扫掠地球的北半球和南半球，对导弹在发射时所喷出的尾焰进行初始探测。然后它将探测信息提供给凝视探测器，后者用一个精细的二维面阵将发射画面拉近放大，对目标进行跟踪。

在按新方案设计的卫星上，所用的扫描型探测器具有比DSP快得多的扫描速度，它同高分辨率凝视型探测器相结合，可使天基红外系统卫星的扫描速度和灵敏度比DSP卫星高10倍以上。这些改进再加上能穿透大气层和几乎在导弹刚一点火时就能探测到其发射的本领，将使SBIRS卫星对较小导弹发射的探测能力比DSP卫星强得多，它可在导弹发射后10～20s内将警报信息传送给地面部队，而DSP卫星则需要40～50s。

2）SBIRS预警卫星低轨道部分。

SBIRS低轨道卫星（SMTS）数量大约为21～30颗。飞行在多个轨道面上的低轨道卫星将成对工作，以提供立体观测。每对卫星通过60GHz的卫星间交联线路进行相互通信。每颗卫星将有一台宽视场短波红外捕获探测器和一台窄视场凝视型多色（中波、中长波和长波红外及可见光）跟踪探测器。这些探测器将按“先看地平线以下后看地平线以上”的顺序工作，以捕获和跟踪目标导弹的排气尾焰及其发热弹体、助推级之后的尾焰和弹体以及最后的冷再入弹头。通过中段跟踪和对弹头与其他物体的辨别，卫星还能为地面防御系统提供指示性信息。SMTS使早期拦截弹道导弹成为可能，同现有系统相比，它可将防区范围扩大2～4倍。

2.2 SBIRS的特点

SBIRS-Low计划是SBIRS的核心，它至少由21颗低轨卫星组成，分布在3个轨道平面上。该系统将对全球范围内的导弹发射进行不间断的监视和监测，并提供导弹发射的准确时间和地点。不管导弹发射来自陆地、海上或空间，均可对导弹弹道轨迹进行跟踪，获得导弹弹头的位置、速度和加速度，并辨明真假目标和导弹碎片，进而估计其攻击的准确地点，及时通知当地的地面系统。此外，SBIRS－Low系统还将提供有关导弹发射场的特征参数和有关导弹类型的技术情报。

SBIRS-Low卫星为低费用小卫星。采用多台遥感器，工作波段包括可见光、中波红外和短波红外。其可见光遥感器用于导弹基地和导弹类型的鉴别；短波红外遥感器用于导弹发射的侦察；中波红外遥感器用于导弹发射后跟踪侦察。为使可见光遥感器能通过云层侦察，还装有原子谐振滤波器（ARF）。

早期的DSP卫星只采用短波红外（2.7μm）和可见光探测，无法克服云层反射阳光等自然现象造成的虚警问题，后来发展为双色红外波段（2.7μm和4.3μm），可以明显降低由此引起的虚警概率。目前正在试验紫外和长波红外的探测效果。来自不同波段和不同探测器的数据融合可进一步降低虚警以提高目标的识别率。

SBIRS对弹道导弹的探测仍以中短波红外为主，因为该波段探测技术比较成熟，同时能获得较高的图像信噪比和探测效率。由于预警目标和材料及工艺的原因，早期的DSP探测器采用了2000像元的线阵列，其分辨率低，但对于探测尾焰红外辐射长度达几公里的战略导弹是足够的。SBIRS采用长线列扫描发现战区战术导弹目标，以扩大搜索视场；用大面阵凝视跟踪目标，以提高目标信息的获取速率。

3 发展动向

1）美国首个天基红外高椭圆轨道系统通过运行鉴定。美国洛克希德·马丁公司网站2008年12月15日报道：美国天基红外系统（SBIRS）首个高椭圆轨道（HEO-1）有效载荷及地面系统已经通过了美国战略司令部（USSTRATCOM）的运行鉴定。SBIRS系统可提供导弹发射预警，同时为导弹防御、技术情报和战场态势感知等任务提供支持［3］。

SBIRS团队由美国空军太空与导弹中心的天基红外系统联队领导，洛·马公司为SBIRS的主承包商，诺·格公司为载荷集成商。SBIRS的运行由空军太空司令部负责。

此次正式鉴定证实了SBIRS HEO传感器及相关地面系统能为国家指挥机构（National Command Authoritie）提供及时、准确的预警数据，为美国战略司令部任务提供支持。

有关官员表示，HEO-1系统具有卓越的数据质量。HEO有效载荷所提供的前所未有的战场空间红外图像，标志着向日益增强的战场空间态势感知能力迈出的第一步，HEO有效载荷同时还提供关于导弹、飞行器和其他事件的实时数据。

2）“天基红外高轨系统”第二颗高椭圆轨道预警卫星进入运行阶段。美国洛克西德·马丁公司网站2009年7月24日报道：美空军正式接收“天基红外高轨系统”（SBIRS-high）第二颗高椭圆轨道（HEO-2）预警卫星载荷进入运行阶段，为美国战略司令部在8月份正式将HEO-2卫星载荷纳入到导弹防御系统中铺平了道路［4］。

HEO-2卫星载荷于2008年3月由国家侦察局（NRO）的NROL-28卫星携带进入轨道，同年6月通过初步在轨测试后投入测试运行阶段。在测试期内，HEO-2卫星载荷获得的实时数据被集成到现有的预警网络中，提供导弹预警，在轨试验性能超过预期。

“天基红外高轨系统”将替代目前在轨的“国防支援计划”（DSP）卫星为美军提供新的天基导弹预警能力。该系统的主承包商是洛克西德·马丁公司，计划研制2颗高椭圆轨道卫星和2颗地球同步轨道（GEO）卫星。近日，洛·马公司获得了价值15亿美元的 HEO-3卫星和GEO-3卫星研制合同，预计今年年底将获得HEO-4卫星和GEO-4卫星研制合同。

3）古德里奇公司短波红外（SWIR）传感器技术支持空军监视和侦察项目。美国《军事与航空航天电子学》网站2011年3月9日报道：美国空军研究人员需要用以定位和情报、监视和侦察（ISR）的短波红外（SWIR）图像传感器技术［5］。

在位于俄亥俄州的赖特帕特森空军基地材料和制造局的美国空军研究实验室（AFRL）的科学家正在选择古德里奇公司ISR系统开发SWIR图像传感器技术，此项技术是AFRL军事SWIR传感器项目中先进保护技术开发（ADePT）的一部分。

SWIR传感器能够检测人眼看不到的0.9～1.7μm的反射光。然而，SWIR光从可见物体上反射，产生的阴影和图像对比度，并制作在分辨率和细节上可媲美可见光图的影像。短SWIR图像没有颜色，这使得对象容易辨认并有利于对象或个体识别。

古德里奇公司的SWIR摄像技术具有小型、低功率、轻巧特征。公司官员说，因为它使用了铟镓砷化物（InGaAs）材料和先进的电路运行而不会冷却。

“ADePT项目上的工作将开发材料和技术，以提高情报、监视和侦察和定位传感器的生存能力，让我们的战士在战场上有一个很大的优势，”古德里奇ISR系统公司的业务发展经理大卫·戴维斯称。

4）美国古德里奇公司向美海军交付宽域持久监视红外摄像机［6］。美国古德里奇公司2010年3月11日报道：古德里奇公司ISR系统部向美国海军研究实验室交付了7套CA-247机载稳定宽域持久监视系统（WAPS）中的第四套，这些红外摄像机将用于作战部署。

CA-247摄像系统采用了先进的光学系统、稳定系统和软件，视场较宽，可为地面部队提供持久的宽域监视。该摄像机可增加可见光传感器，以提供昼夜成像能力。系统基于模块化设计，可根据特定任务需求容纳多种传感器结构。

古德里奇公司ISR系统部官员称，该公司的WAPS技术可用于多种任务平台，用途极为广泛，可在各种场合下为地面部队进行支持。除了该合同涵盖的7台摄像机外，古德里奇公司还为其他几份合同制造了数台类似的WAPS系列摄像机。

5）美国空军关注新卫星体系结构。美国《航宇周刊》2011年5月10日报道：导弹防御局（MDA）的下一套天基卫星跟踪系统将采用比目前在轨验证的诺斯罗普·格鲁曼“空间系统跟踪与监视系统”（STSS）卫星更小的设计。未来十年中这两种新方法能被更好地应用于导弹预警和追踪领域中［7］。

导弹防御局是基于约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的建议做出决定的，这个决定将指导后续的“精确跟踪太空系统”（PTSS）的设计方案研究。MDA在设计PTSS时放弃了目标获取功能，卫星只跟踪目标以降低研发价格和风险，这将推动MDA提高场外指示所需要的通信能力和网络工作能力。

APL已经公布了6份最终设计子合同，分别授予了洛克希德·马丁、波音、诺斯罗普·格鲁曼、雷声、鲍尔航宇公司和轨道科学公司进行，但尚未确定采办和建造计划。前两颗卫星很可能由APL负责设计建造，工业界将生产最多10颗卫星，发射最初计划在2014年，但现在已经推迟到了2016年。

与此同时，在“天基红外系统”（SBIRS）以外，五角大楼可以把红外导弹预警任务最终转变到“分解”式体系结构。洛克希德·马丁公司为4颗SBIRS地球同步轨道的主合同商，预计未来美国空军还将通过批量购买方式再采购两颗。但高级国防官员认为在不终止天基红外采购的同时，实施“分解”战略的机会仍旧存在。

未来导弹预警技术的成熟需要宽视场焦平面阵列技术。雷声等公司正在研究这些阵列。雷声公司正在计划一种模块化方法，用于未来天基导弹预警与跟踪系统。以其响应器模块化卫星概念为基础，该公司正在计划新的导弹预警工具包。这种概念要求通用零部件（如处理器、冷却器和望远镜），配以为专项任务优化了的专用焦平面阵列（如用于导弹预警的短波红外和用于导弹跟踪的长波红外）。

与此同时，如果洛克希德·马丁／诺斯罗普·格鲁曼团队无法掌控目前主要由天基红外系统执行的导弹预警任务，一组经过挑选的合同商将协同工作。诺斯罗普·格鲁曼和波音团队已经低调宣布他们对今后组成团队感兴趣。其他的有效载荷供应商包括雷声公司和古德里奇公司。

4 发展分析

天基红外预警系统的发展趋势：一是扩展应用；二是微小卫星；三是一体化；四是网络化［8］。

4.1 扩展应用

扩展天基预警系统的战术应用。DSP预警卫星系统更适于探测跟踪战略导弹，难以满足现代信息化战争中对战术导弹预警的要求。为此，美军对DSP和SBIRS卫星系统制订了多项技术改进计划，如在地面用超高速计算机处理卫星数据以缩短预警时间，选择合适的红外探测器波段和灵敏度，将SBIRS低轨道的工作星座缩小到8颗，使应用范围从战略层次向战术层次延伸。美国计划2020年将SBIRS建成兼顾战略和战术要求、以战术应用为主的天基预警系统，以提高直接支援部队作战的能力。

4.2 微小卫星

构建微小预警卫星星座。微小型卫星具有发射灵活、反应快速、成本低廉等优点，可满足应对突发事件和局部战争的需要，美、俄、欧盟、日本都在大力发展微小型卫星。微小型卫星多以星座形式部署，生存能力强、侦察监视范围大、重访周期短，在未来军事领域的应用十分广泛。美国“天基红外系统”低轨道卫星就将采用小卫星组网，在小卫星上配备捕捉传感器和跟踪传感器，用以发现、跟踪在中段飞行的弹道导弹和弹头，引导拦截弹拦截目标。

2011年5月27日美国航天网报道：美国陆军正在极力推动发射大批微型廉价间谍卫星，这些卫星将成为地面陆军的耳目。

这项工作意在适应战争特点的新变化。战争变得越来越需要一小队美国士兵在恶劣、孤立的环境中（如阿富汗山区）猎获难以寻觅的目标。新卫星能有助于降低此类行动的难度和危险性。首颗此类纳卫星于2010年12月发射，这是自1960年以来发射的首颗由陆军建造的卫星。陆军官员表示陆军可能在不久后建造更多纳卫星。

陆军太空与导弹防御司令部（SMDC）纳卫星技术项目经理约翰·兰顿（John London）在2011年国际太空发展会议上指出：“我们认为能在一个很小的装置内封装许多能力，目前正在快速朝这一方向发展。”

美军已经拥有了运行中的侦察卫星系统，这些巨大、昂贵、能力极强的卫星大多数由空军开发，如近日发射的价值14亿美元的首颗天基红外地球同步轨道卫星（GEO-1）。除了这些先进卫星的能力，地面作战人员还非常需要更加精确且及时的信息。

为满足将士需求，陆军正在研发试验多种纳卫星，纳卫星由于成本低廉可以大量发射。这些纳卫星的观测范围将相当大，敌人要想击落卫星也很难。

4.3 一体化

发展一体化的预警系统。天基预警系统、空中预警系统和陆基预警系统组成了美军多层次、全方位的一体化预警探测系统，可以探测到几乎所有的弹道导弹威胁。天基预警系统主要由“国防支援计划”卫星系统组成；空中预警系统现装备的预警机主要有E-2“鹰眼”，预警时间为5～25min；E-3“卫兵”，预警时间为30min；E-8“联合监视目标攻击雷达系统”，监视范围达1000，000km2，具有远程预警、指挥控制的功能，能协调三军联合作战；陆基预警系统由多种雷达预警系统组成，可对洲际弹道导弹、巡航导弹等进行预警。美军还计划研制一种天基预警与控制雷达系统，由预警与控制系统卫星（AWACS）及RQ-4A“全球鹰”无人机构成，具有监视地域广、部署速度快、生存能力强、抗干扰等优点。

4.4 网络化

实现天基预警系统的网络化。美军目前已经建立了以卫星作为获取和传递信息的主要手段的军事信息结构，在现代高技术局部战争中发挥了重要作用。但目前的军事信息结构也有其缺陷，由于不同的系统由不同的机构进行管理，因此互操作性差，服务功能单一。

例如，2001年，美国提出建设国家战略预警的网络化信息集成系统，该计划强调充分利用陆军、空军、海军、民用和盟国的空间系统资源，在战略预警系统的建设上采用联合技术标准，克服目前预警系统功能重复、条块分割的现象。通过与陆军、空军、海军、民用和盟国信息基础设施的集成，组成国家一体化、分布式体系结构的战略预警、侦察、监视和情报网络系统。

到2020年，利用导弹预警卫星和通信中继卫星之间的信息链路和全球指挥控制系统以及全球军用通信系统。如全球战术信息广播系统、国防信息网系统等，将所有陆军、空军、海军和航天部队的预警信息数据汇集、处理和融合，迅速分发各个预警系统的信息，把相关数据传送给军事战略指挥机关和战区导弹防御部队，实现预警信息交换的畅通无阻，幷且纳入“全预警防御信息网”，实现全军C4ISR系统诸环节的无缝结合，为全球美军和盟军作战，提供弹道导弹发射和战场态势的信息数据。

到2025年，利用导弹预警卫星和通信中继卫星之间的信息联络和导弹预警卫星与通信中继卫星之间的信息数据处理和融合，建成功能强大、功防兼备的空间反导预警网。

5 结语

综合国外多种报道：目前，美国天基预警系统的发展趋势将是多种探测手段结合、多种轨道卫星组网，并与其它系统（如反导防御系统）横向联合，扩展预警卫星系统能力。例如，美国加快了DSP向SBIRS的转换，以便提供更精确的预警能力，尤其是发展SBIRS低轨卫星凝视传感器的超长波红外等先进探测技术，可大大提高SBIRS系统发现跟踪目标的把握性，特别是对战术弹道导弹进行的预警。其中，“SBIRS增量Ⅱ”计划于2012年开始启动，这一新的星座将逐步取代DSP卫星在导弹预警任务中的主导地位［9］。

［1］郭文鸽，冯书兴.美国导弹预警卫星系统分析及其启示［J］.中国航天，2005（12）

［2］钟建业，魏雯.美国预警卫星探测器及其相关技术［J］.中国航天，2005（6）

［3］美国首个天基红外高椭圆轨道系统通过运行鉴定［N］.每日防务，2008-12-23

［4］“天基红外高轨系统”第二颗高椭圆轨道预警卫星进入运行阶段［N］.每日防务，2009-07-29

［5］古德里奇公司短波红外（SWIR）传感器技术支持空军监视和侦察项目［N］.每日防务，2011-03-11

［6］美国古德里奇公司向美海军交付宽域持久监视红外摄像机［N］.每日防务，2010-03-18

［7］美国空军关注新卫星体系结构［N］.每日防务，2011-05-17

［8］袁俊.弹道导弹预警技术的应用与发展［J］.航空科学技术，2006（6）

［9］刘涛，陈浩文，黎湘.天基红外传感器弹道导弹中段目标识别技术分析［J］.电光与控制，2009（3）