国外天基红外系统的发展动向与分析＊

吴 昊

（海军驻合肥地区军事代表室 合肥 230088）

1 引言

天基红外系统（Space Based Infrared System，SBIRS）是由美国空军研制的下一代天基红外监视系统，也是美国国家导弹防御系统的一个组成部分。该系统的任务是：战略和战区导弹预警、跟踪从初始助推阶段到飞行中段的导弹目标，为导弹防御指示目标提供技术情报，增进战场态势感知。本文就天基红外系统、发展动向、发展分析等，作进一步的研究和探讨［1］。

2 天基红外系统

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，预警速度和精度都有了显著提高［2］。

2.1 组成

天基红外系统是一个包括多个空间星座和SBIRS卫星地面站的综合系统。卫星星座由天基红外系统低轨卫星（SBIRS－Low）和天基红外系统高轨卫星（SBIRS－High）两部分组成，但为了系统工作，还有地面系统。

1）高轨卫星部分。SBIRS－High部分由五颗（四颗为工作卫星，一颗为备份卫星）地球同步轨道卫星和两颗大椭圆轨道卫星组成，主要用来探测和跟踪助推段飞行的弹道导弹，为美国最高指挥机构和作战部门提供全球和战区范围内的战略、战区导弹发射和助推段飞行及下落阶段的红外数据。大椭圆轨道卫星专门用来监视俄罗斯和中国高纬度地区的洲际导弹发射及潜射导弹发射。

首颗大椭圆轨道卫星HEO－1于2006年发射，为美国最高指挥当局和作战部门提供全球和战区的有关战略、战术导弹或其他红外事件的发射、助推飞行段和落点区域的红外数据。现已开始对美国和其他国家的发射活动进行成像侦察。

2）低轨卫星部分。低轨道系统是天基红外系统的核心部分，由约24颗部署在1600km左右高度的小型、低轨道、大倾角卫星组成，飞行在多个轨道面上，将与高轨道卫星共同提供全球覆盖能力。主要用以搜索和跟踪弹道目标中段飞行时的发热弹体和冷再入弹头，可为预警雷达、搜索雷达、制导雷达引导目标，对导弹来袭进行早期预警，实时向国家导弹防御系统传送弹道导弹在轨道全过程的飞行数据。

低轨卫星星座能够几颗卫星合作实现对导弹发射的立体观测，而且卫星之间可相互通信，通信链路选用60GHz。一旦导弹飞出一颗卫星的视线，该卫星能通过卫星之间的通信链路将收集的导弹信息传给其它卫星。

3）地面设施部分。在整个SBIRS计划中，地面系统也是整个系统的重要组成部分，其主要功能是接收和处理SBIRS高轨卫星和低轨卫星的信息与数据，并对卫星进行控制。

SBIRS卫星地面站于2001年建成，并由美国本土地面控制站 （MCS）、备 用 地 面 控 制 站 （BMCS）、防 摧 毁 站（SMCS）、海外中继站（SRGS）和多任务移动处理站（M3P）以及相关的通信链路等组成。

2.2 工作方式

SBIRS采用双探测器体制，每颗星上装有“扫描”型和“凝视”型两台探测器。高轨卫星主要用于探测助推段导弹，扫描速度和灵敏度比DSP卫星高10倍以上。它的扫描型探测器在导弹点火时就能探测到喷出的尾焰，然后在导弹发射后10s～20s内将警报信息传送给凝视型探测器，由凝视型探测器将目标画面拉近放大，获取详细信息。这种工作方式能有效增强探测战术弹道导弹的能力。低轨卫星主要用于跟踪在中段飞行的弹道导弹和弹头，引导拦截弹拦截目标，与现有系统相比可将防区范围扩大2～4倍。它的宽视场扫描型短波红外探测器用于观察导弹发射时的红外辐射，发现战区战术导弹目标，以扩大搜索视场；窄视场凝视型多光谱跟踪探测器用于中段和再入段跟踪导弹，以提高目标信息获取速率。通过扫描和凝视两种方式的观测，对陆地、海上和空间导弹的发射、类型、诱饵的撒布都有一定的观测和识别能力。

这些探测器将按从地平线以下到地平线以上的顺序工作，捕获和跟踪目标导弹的尾焰及其发热弹体、助推级之后的尾焰和弹体以及最后的冷再入弹头，实现对导弹发射全过程的跟踪。其探测距离可达10000km左右，分辨率为几十甚至几米。通过对导弹和弹头弹道的跟踪，可以获得导弹弹头的空间位置、飞行速度、加速度，从而根据数据库数据进行识别判断真假目标和导弹碎片，卫星上的处理系统将预测出最终的导弹弹道以及弹头的落点。并及时通知地面雷达系统和反导弹打击系统，使得战区导弹防御（TMD）系统和国家导弹防御（NMD）系统的防御区域扩大，能力增强。因此，SBIRS低轨卫星具有太空防御和打击能力。

2.3 关键技术

天基红外系统的主要任务是监视、探测、识别和跟踪目标，因此光电探测技术是其关键技术。

1）提高探测距离是光电探测技术的核心。探测距离不仅与所探测物的辐射能量或弹头的表面温度有关，而且与探测器的波长、灵敏度等也有很大的关系。天基红外系统红外成像望远镜Ⅲ（SPIRITⅢ）探测距离理论上可达35007km，但实际探测中，由于宇宙星体的辐射会带来噪声，而且弹头的能量并非呈方向性辐射，不能完全接收弹头在6～16μm波段辐射的能量，因此，实际的探测距离要小得多，一般探测距离为17500km就可以满足探测、跟踪和识别的需要。但当弹头表面温度为150K，探测距离为7880km时，对于整个天基红外系统卫星网来说，就难以满足需要。

为提高探测距离采用了高性能、长线列、扫描型及大面积凝视型红外探测器及制冷技术，尽量增加探测器元数，提高响应效率，使阻抗高，均匀性好，时间常数足够小，同时使用了高性能斯特林循环制冷等技术。

2）动目标点迹处理与威胁判断技术。由于数字技术的成熟和集成技术的发展，使得目标识别和判断技术也得到很快发展。这里的点迹处理实际上是多批次运动目标的点迹跟踪处理，它根据图像处理单元发送来的每个目标的灰度等级、空间坐标，按照其灰度等级以及卫星的运动状态等信息进行多目标识别和威胁判断。

2.4 成像侦察卫星

按星载遥感器的不同，成像侦察卫星可分为光学成像侦察卫星、雷达成像侦察卫星和混合型成像侦察卫星三类

1）光学成像侦察卫星。光学成像侦察卫星也称照相侦察卫星，其上载有可见光、红外、多光谱和超光谱成像设备。可见光成像的地面分辨力最高，但缺点是受天气影响较大，阴雨天、有云雾及夜间都不宜工作。红外成像可以在夜间工作，并有一定的识别伪装能力。多光谱成像可以获得更多的目标信息。超光谱遥感器的谱分辨力为纳米级，可以有效识别伪装，也可以发现浅海的水下目标，是实施近海和海岸作战的重要手段。但红外和多光谱成像的缺点是分辨力都不及可见光成像高，而且都在一定程度上受云、雾、雨、雪的影响。

目前许多国家都拥有光电成像侦察卫星，如美国的“锁眼”（KH）系列、俄罗斯的“阿拉克斯”（Araks）系列、以色列的“地平线”系列、法国的“太阳神”系列、日本的“情报收集卫星”（IGS）系列、印度的“试验评估卫星”（TES）等。

2）雷达成像侦察卫星。雷达成像侦察卫星搭载雷达传感器，包括侧视雷达和合成孔径雷达对目标进行侦察，具有不受云、雾、烟和光照条件影响的侦察能力，可进行全天时和全天候侦察，并可识别伪装或地下目标。它可以弥补光学成像侦察卫星的不足，但其地面分辨力不及光学成像侦察卫星。

雷达成像侦察卫星实用性强，是世界各国都想拥有的侦察卫星。目前世界上唯一在轨部署的军事雷达成像侦察卫星是美国的“长曲棍球”（Lacrosse）卫星，俄罗斯以前虽然发射过多颗雷达成像侦察卫星，但目前轨道上没有在轨运行的卫星。德国、日本、意大利也正在抓紧研制。

3）混合型成像侦察卫星。前述两种成像侦察卫星虽然空间分辨力较高，但在近几次局部战争中证明其实战效果不够理想，对瞬息万变的战场情况无法及时获取。混合型成像侦察卫星由此应运而生，它同时搭载有光学和雷达成像侦察设备，兼具光学成像侦察卫星和雷达成像卫星的功能和优点，能保证卫星在任何气象条件下都不丢失信息，即在任何天候条件下都能以较高分辨力侦察到地面目标。同时由于前述两种成像侦察卫星满足不了作战所需的大范围战场成像的要求，如美国的锁眼－11侦察卫星，分辨率达0.1m，但测绘带只有6～10km，战场指挥员抱怨是“用麦管看战场”。相比而言，混合型成像侦察卫星每圈能覆盖的范围更大，数据传输率也更高，这些正是战场指挥官所要求的。混合型成像侦察卫星是未来成像侦察卫星的发展方向。

3 发展动向

1）多国天基成像系统：欧洲能无缝共享太空监视吗。《国防工业日报》网站2012年9月2日报道：迄今，多国天基成像系统（MUSIS）仍然更多停留在构想上，尽管有些卫星零部件已经签署合同［3］。

如果运行，整个MUSIS星座将取代之前的许多平台，包括：法国的太阳神－2、德国的Sar－Lupe雷达卫星、ORFEO合作项目（包括法国两用昴宿星光学卫星、意大利两用COSMO－SkyMed X波段雷达观测卫星）。MUSIS项目参与者将包括比利时、法国、德国、希腊、意大利，以及西班牙。目前MUSIS的挑战包括：陷入经济危机的欧洲政府面临资金短缺和不利环境；次要问题包括各国观点不同。

法国将建造CSO光学侦察卫星，意大利的CSG雷达太空卫星则是军民合作项目。欧盟的促进防务和武器合作组织（OCCAR－EA）负责管理MUSIS CIL（通用互操作性层面）的设计，这是一座搭建在地面上先进桥梁，用于连接CSO与CSG卫星系统。CIL可以让一国操作者向合作者的系统订购图片产品，为其他国家的卫星分配任务，接收图片产品，并以安全方式存储。

阶段A和阶段B关注架构与系统定义，已经开始实施。阶段C与阶段D是研制阶段，目标是在卫星入轨前后，部署MUSIS CIL。预计在法国2016年底发射CSO时应该能够就绪。

2012年春，MUSIS系统需求评审确定了系统的可行性，对此先进桥梁提出了详细架构。2012年6月，意大利与法国决定启动MUSIS联邦活动，阶段B2。2012年7月20日，意大利与以色列签署一系列武器协议，包括一项OPTSAT 3000高分辨率光学卫星协议。2012年8月8日，MUSIS阶段B1结束。

2）诺·格公司完成天基红外系统大椭圆轨道－3有效载荷集成与环境功能测试。全球新闻通报网站10月4日报道：诺·格公司成功完成美国空军天基红外系统（SBIRS）第3个大椭圆轨道（HEO－3）有效载荷的载荷集成和环境功能测试。洛·马公司是SBIRS的主承包商，诺·格公司是有效载荷集成商［4］。

SBIRS项目包括地球同步轨道（GEO）卫星、大椭圆地球轨道（HEO）星载有效载荷以及相关的地面软硬件，该项目为国家提升了导弹预警能力，同时为军事导弹防御、技术情报和战场空间态势感知等任务领域提供支持。

两个HEO有效载荷和首颗地球同步轨道卫星（GEO－1）已经发射升空。在有效载荷集成期间，诺·格领导的小组实施了有效载荷机械积分、导线检查、导接线连接检查、指令确认和一次／二次电源检查，并验证了初始电功能。集成检查一结束，初始环境功能测试将提供功能基准性能，并为下一阶段的测试、电磁干扰（EMI）和热真空试验做好准备。

诺·格公司军用与民用航天事业部副总经理斯蒂芬·J·托纳称，HEO－3有效载荷和以往的载荷一样，提供同样高质量的全球持久红外监视能力。SBIRS小组以严密和勤奋为我们的战士和国家服务。

在热真空试验后，HEO－3有效载荷将进行原型资格接收试验，计划2013年交付。洛·马公司空中持久红外（OPIR）任务领域副总经理杰夫·史密斯称，该测试的完成在HEO－3有效载荷集成和组合过程中是一个重要的里程碑。我们专注于交付HEO－3有效载荷，并为我们的战士提供前所未有的红外监视能力。

3）洛·马公司将为美国空军再建两颗天基红外系统卫星。美国《防务系统》网站2013年3月6日报道：洛克希德·马丁公司3月5日称，美国空军已授予洛克希德·马丁公司一项价值2.8亿美元的合同，将建造天基红外系统（SBIRS）导弹预警星座中的第5和第6颗地球同步轨道卫星［5］。

SBIRS计划包括地球同步轨道（GEO）卫星，高椭圆形地球轨道（HEO）上的寄宿有效载荷，以及相关的地面硬件和软件，为客户提供抗毁型和改进型导弹预警能力。SBIRS也向军方导弹防御、技术情报和战场空间感知任务领域提供重要服务。

洛克希德·马丁公司的SBIRS合同包括四个HEO有效载荷，四颗GEO卫星和地面资产，用于接收、处理和发送红外任务数据。

4）美军将发射第二颗天基红外同步轨道卫星。法国《航宇防务》2013年3月19日报道：美国空军和洛克希德·马丁公司宣布已经做好准备，将发射天基红外系统（SBIRS）的第二颗地球同步轨道卫星（GEO－2）。3月19日，卫星已经与美国联合发射同盟（ULA）的阿特拉斯V（Atlas V）型火箭集成完毕，从位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的空军发射中心发射升空，发射窗口定于美国东部时间17点21分至18点01分［6］。

SBIRS项目计划在地球同步轨道和大椭圆轨道（HEO）部署多枚不同功能的卫星，这些卫星将连同地面软硬件设备一起，为美国提供比以往更强大、更灵活的导弹预警能力，同时成为美军导弹防御能力体系的重要组成部分，还能够有效地增强美军在任务区域内的技术情报和战场态势感知能力。洛克希德·马丁公司目前握有的SBIRS合同包括建造四颗HEO卫星、四颗GEO卫星以及用于接收和分发卫星任务数据的地面设备。现在，洛克希德·马丁公司领导的SBIRS项目团队已经开始提前为第五颗和第六颗GEO卫星生产部件。SBIRS项目中，目前已经有两颗HEO和一颗GEO卫星在轨运行。其中GEO－1卫星的性能指标达到甚至超过预期。其传感器定位精度超过实际需求九倍，亮度探测能力超过设计值60%，可以观测比预定目标亮度低25%的目标。

SBIRS项目由美国空军的红外空间系统理事会领导，由美空军航天司令部负责运行。该项目主承包商是洛克希德·马丁公司，诺斯罗普·格鲁曼公司负责对卫星载荷进行集成。

5）洛克希德·马丁公司为美空军天基红外卫星系统提供后勤支持。美国《今日卫星》2013年3月18日报道：美国国防部3月15日宣布，根据价值1.05亿美元的合同，洛克希德·马丁公司在提供常规支持以及为联合特遣部队提供支持外，将为美国空军导弹预警与防御系统提供后勤支持［7］。

天基红外卫星系统（SBIRS）旨在为总统提供战略和战术弹道导弹预警信息，以及为国防部长、作战指挥官和联合特遣部队指挥官提供红外数据。

天基红外卫星系统通过高椭圆轨道卫星（HEO）和静地轨道卫星（GEO）搭载的托管传感器以及相关地面设施为主要决策者接收、处理和传输红外信息。洛克希德·马丁公司是SBIRS系统主要承包商，诺斯罗普·格鲁曼公司为系统集成商，美国空军航天司令部负责运营该系统。

6）新方法将帮助美军更快速地实现天基信息进座舱。美国《防务新闻》2013年2月26日报道：美国的间谍卫星不断绕地球飞行，准确定位坦克、雷达站和运动中的部队。但是，最新的图像不能发送给正在作战区域飞行的美国飞行员们，而他们迫切地需要这些［8］。

美国空军正在努力改变这种情况，其方式是实施联合全国信息源综合（JINDI）项目。JINDI通过向军机座舱显示器发送易于阅读的图像，为飞行员们提供地对空导弹阵地以及其他附近目标或威胁的位置。美国空军ISR（情报、监视与侦察）局的能力现代化副主管布莱恩·朱洛维茨表示，该项目的目标是尽可能快地推送信息。

JINDI并不是一个新的构思。美军从2007年开始实施该项目，目的是试验联接美国政府的各个中心（情报分析员们在此判读间谍卫星图像）与前线部队的方法。2007年年底和2008年年初在太平洋地区进行的一些试验显示，分析员们能够在数分钟内将信息发送给飞行员们。但在此后，该项目因缺乏资金和高层支持而搁置。五年之后，JINDI项目最终重启—美国空军ISR局局长罗伯特·奥托少将于2012年11月批准了建立美国用以支持JINDI的情报站的计划。美国空军的官员们拒绝透露该情报站的名称或位置，仅表示该站处于美国大陆。今年晚些时候，预计将有更多的美国情报中心支持JINDI。

JINDI通过Link 16数据链向军机座舱传送威胁和可能的目标信息，该数据链是美国和北约组织（NATO）部队的一种高速数据网，可传送文本、话音和图像。朱洛维茨说，以雷达站为例，在JINDI传送一个新确定的雷达站信息之前，分析员们需已通过来自飞机或卫星的各种图像确认了其位置，并确保飞行员们接收到了关键信息，而不需要针对难以理解的图像反复提问。

自上个世纪80年代以来，美军各领导人一直在表示作战部队需要能快速访问各个情报机构所搜集的信息。通常，来自美国国家侦察局各种卫星的数据会通过国家地理空间情报局等机构传递到军方指挥官，在这之后很长时间才可能到达飞行员们面前。JINDI项目的思路就是建立直接的联系。朱洛维茨表示该项目在初期集中于帮助阿富汗上空的美国空军飞行员们，不过这可以是一种联合的能力。美国空军的领导者们正与陆军、海军和海军陆战队讨论将舰船、坦克和爱国者导弹连与JINDI联接。对此奥托表示：JINDI项目能够为空军、海军和海军陆战队航空兵增加显著地作战能力。在对抗性的和高度对抗性的环境中，它的作用和价值会更大。

为了扩展JINDI，美国空军的官员们将需要资金，为每个情报中心的装备、人员和训练投资。一旦完成了这些工作，那些中心就能够支持任何地方的部队。对此，朱洛维茨表示：今天，我们可以支持美国中央司令部。明天，我们可以支持美国太平洋司令部。后天，我们可以支持美国非洲司令部。

4 发展分析

天基红外预警系统的发展趋势：一体化；战术应用；网络化；微小卫星；联合发展［9］。

1）一体化。发展一体化的预警系统。例如，美军的天基预警系统、空中预警系统和陆基预警系统组成了多层次、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。

2）战术应用。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。例如，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八颗，使应用范围从战略层次向战术层次延伸。

3）网络化。实现天基预警系统的网络化。例如，美军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。建立一个全球国防信息网，通过星间通信、星上数据处理和信息融合，逐步实现天基预警系统的网络化。

4）微小卫星。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。例如，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。

5）联合作发展。2000年，美、俄两国共同出资改造设在莫斯科的一座导弹预警设施，以建立双方共同运行的联合数据中心。美俄双方通过该中心交换导弹和航天发射信息，监视其他国家的导弹发射，并向双方提供近实时的预警数据。2002年，美、以军方共同试验了一种高速计算机化导弹预警网。该预警网能将来自美国“国防支援计划”卫星、“宙斯盾”舰载雷达和以色列陆基“绿松树”雷达的导弹预警数据，与来自其他保密渠道的情报融合在一起。

5 结语

目前，国外更加重视发展SBIRS系统，加快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”计划已于2012年开始启动，这一新的星座取代了DSP卫星在导弹预警任务中的主导地位［10］。

［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）：39－42.

［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）：22－27.

［3］多国天基成像系统［N］.每日防务快讯，2012－09－11.

［4］诺·格公司完成天基红外系统大椭圆轨道－3有效载荷集成与环境功能测试［N］.每日防务快讯，2012－10－23.

［5］洛·马公司将为美国空军再建两颗天基红外系统卫星［N］.每日防务快讯，2013－03－13.

［6］美军将发射第二颗天基红外同步轨道卫星［N］.每日防务快讯 ，2013－03－22.

［7］洛克希德·马丁公司为美空军天基红外卫星系统提供后勤支持［N］.每日防务快讯，2013－03－25.

［8］新方法将帮助美军更快速地实现天基信息进座舱［N］.每日防务快讯，2013－04－03.

［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，2009，16（3）：6－8.

［10］李群章.弹道导弹弹道中段和再入段弹头红外光学识别方法研究［J］.红外与激光工程，1999，28（5）：1－5.