美国天基导弹预警系统

艾赛江 李义 宋易敏 张映昊（中国人民解放军63611部队）

美国最先发展天基导弹预警系统，已经形成高、低轨结合，预警、跟踪和识别功能复合，性能先进的预警卫星体系，可为美国提供强大的弹道导弹预警能力。美国先后部署了多种型号的天基导弹预警系统，包括“国防支援计划”（DSP）、“天基红外系统”（SBIRS）、“空间跟踪与监视系统”(STSS)等。为应对新威胁、新挑战，美国持续研究新技术、发展新系统，牢牢占据太空反导主动权。

1 引言

天基导弹预警系统能够提升对弹道导弹的预警和跟踪能力，协助地面指挥中心制定反导方案，对巩固国防具有重大意义。美国天基导弹预警系统是其国家导弹防御系统的重要组成部分，可以为国家领导、作战指挥官、情报机构及其他关键决策人员提供及时、可靠、准确的导弹预警与红外监测信息，使美国在全球导弹发射探测、弹道导弹防御、技术情报搜集及战场态势感知等方面的能力极大增强。

目前，美国典型的预警卫星系统包括“国防支援计划”预警卫星、“天基红外系统”和“空间跟踪与监视系统”。

2 美天基导弹预警系统发展现状

天基导弹预警系统构成

美军天基导弹预警系统以红外预警卫星为代表，具体分为3种：“国防支援计划”、“天基红外系统”和“空间跟踪与监视系统”。

（1）“国防支援计划”

“国防支援计划”预警卫星系统是美国第一种实战部署的预警卫星系统，是为应对洲际弹道导弹攻击美国本土而建造的。其首要任务是探测陆基和海基洲际弹道导弹预警，1991年海湾战争中的“沙漠风暴”后，也用于战区战术弹道导弹预警；第二任务是检测太空飞行器发射和核爆，可以检测地球大气层内和太空中的核爆，这个能力也可用于弹道导弹拦截效果评估。“国防支援计划”预警卫星自1970年发射第一颗预警卫星至2007年，共发射了23颗卫星。当前有4颗工作卫星运行在GEO轨道，分别为国防支援计划－18、20、21和22。

“国防支援计划”卫星系统上的主要载荷有2种：一是双色短波红外望远镜，每隔8～12s就可以对地球表面1/3区域重复扫描1次，能在导弹发射后90s探测到导弹尾焰的红外辐射信号，并将这一信息传给地面接收站，地面接收站再将情报传给指挥中心，全过程仅需3～4min；二是具有远望能力的高分辨率可见光电视摄像机，安装摄像机是防止把高空云层反射的阳光误认为是导弹尾焰而造成虚警。在星上红外望远镜没有发现目标时，摄像机每隔30s向地面发送1次电视图像，一旦红外望远镜发现目标，摄像机就自动或根据地面指令连续向地面站发送目标图像，以1～2帧/s的速度在地面电视屏幕上显示导弹尾焰图像的运动轨迹。

美军现役天基导弹预警卫星

“国防支援计划”卫星系统覆盖图

“国防支援计划”卫星系统采用3～4颗GEO卫星实现对地球表面的全天候覆盖，通过卫星旋转（6转/min）带2种载荷实现对单星覆盖区域的快速扫描，3颗卫星同时工作，10s就可完成对全球表面的1次扫描。

（2）“天基红外系统”

由于“国防支援计划”系统在性能上难以满足日益增长的弹道导弹防御需求，美国于1995年提出发展“天基红外系统”，逐步取代“国防支援计划”系统。“天基红外系统”的基本目标是完善对战略弹道导弹的预警能力，扩展对战术弹道导弹的预警能力，原计划由天基高轨部分（SBIRS-High）和低轨部分（SBIRS-Low）组成。2002年，美国调整天基预警卫星发展计划，将低轨部分拆分成独立的“空间跟踪与监视系统”，高轨部分保留“天基红外系统”的名称。

目前，“天基红外系统”由4颗GEO卫星和4颗HEO卫星载荷组成，洛马公司正在制造第5颗和第6颗GEO卫星。GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹，提供导弹的发射及主动段的非成像红外数据并预测导弹落区。HEO卫星载荷将系统的预警覆盖范围扩展到地球南、北两极，弥补了“国防支援计划”的极帽盲区。

“天基红外系统”卫星及载荷情况

“天基红外系统”卫星搭载双色高速扫描型红外探测器和高分辨率凝视传感器。扫描型探测器用一维线阵对地球南、北半球进行大范围扫描；凝视型探测器利用扫描型探测器提供的探测信息，用一个精细的二维面阵将导弹的发射画面拉近放大，获取详细的目标信息。两种探测器独立接受任务指令，可以同时工作。

与“国防支援计划”卫星相比，“天基红外系统”卫星的探测谱段更宽，扫描型和凝视型探测器相结合，使“天基红外系统”的扫描速度和灵敏度相比“国防支援计划”系统提高了10倍以上，能够穿透大气层在导弹刚一点火就探测到其发射，可对目标进行精确跟踪，定位精度约1km，可在导弹发射后10～20s内将预警信息传给预警指挥控制中心。

（3）“空间跟踪与监视系统”

“空间跟踪与监视系统”即原来的“SBIRSLow”计划，2001年由美国空军转交至国家导弹防御局（MDA）并于2002年重新命名。“空间跟踪与监视系统”目标是构建具有对弹道导弹全程跟踪和探测能力的卫星星座。该项目由于技术风险和经费投入过大，最终仅批准先发射2颗卫星进行技术演示验证试验，参与反导实验和数据采集，为后续建设积累经验。

“空间跟踪与监视系统”卫星

2009年9月，“空间跟踪与监视系统”的2颗演示验证卫星发射入轨，多次参与美国导弹拦截试验，展示了导弹全程跟踪、立体式跟踪、多目标跟踪、空间目标跟踪、相机间任务转交、双星间通信，以及下行链路和导弹防御指挥与控制系统通信能力。在多次导弹防御试验中生成高质量预警信息，拥有更优的预报精度，缩短了信息传输回路，可以提供更多拦截准备时间。

“空间跟踪与监视系统”卫星装有1台宽视场捕获传感器和1台窄视场凝视型多波段跟踪传感器。宽视场捕获传感器通过相对地球背景观察主动段尾焰来探测处于地平线以下且逐渐爬升的导弹。窄视场凝视型多波段跟踪传感器涉及3种波长，可以观察地平线以上目标，锁定目标并在弹道中段和再入段跟踪该目标。

天基导弹预警系统工作流程和原理

（1）天基导弹预警系统工作流程

美国天基导弹预警系统是通过高低轨卫星的协作以及地面站的支持来实现其系统功能的。

其中，高轨卫星（SBIRS-High）利用其覆盖范围广的优势来快速发现目标，并将卫星的跟踪数据进行初步处理后传送到地面任务控制站（MCS），任务控制站对数据进行处理、分类和目标识别，判断红外源的性质，计算出导弹弹道，然后将跟踪数据传送给低轨STSS卫星并引导其对导弹中段及末段的跟踪测量，低轨卫星利用其分辨率高的优势来连续探测、跟踪目标。同时，任务控制站将卫星信息送往导弹防御系统的“指挥控制、作战管理和通信系统”（C2BMC），引导武器拦截系统对导弹实施拦截。

天基导弹预警系统采用多轨道部署的组网方式，GEO卫星用于探测导弹飞行的助推段，LEO卫星用于跟踪导弹飞行中段和再入段，HEO卫星能够覆盖两极地区，相互之间进行信息传输和情报共享，高、低轨卫星构成了一个立体探测网络，实现对导弹全程跟踪。

美国天基导弹预警系统工作流程图

（2）天基导弹预警系统工作原理

天基红外预警卫星对弹道导弹的预警可分为目标探测和参数预报两个层次。其中，目标探测是依据助推段弹道导弹尾焰与背景在特定波段红外辐射强度的高对比度及其特有的运动规律完成的。助推段弹道导弹的尾焰中的主要辐射气体CO2和H2O在2.7μm和4.3μm两个波段发出强烈的红外辐射；天基红外预警卫星使用碲镉汞探测器对这两个波长附近的红外辐射进行探测。参数预报则是依据对目标多次探测的定位信息，拟合出导弹的弹道，进而完成对其发射点、关机点和落点等关键参数的估计。天基红外预警卫星在完成目标的探测与定位后，通过连续多次的定位数据初步拟合导弹的弹道，随着探测信息的不断累积，弹道参数将不断更新，弹道拟合越来越准确；通过对导弹关机点的捕捉，就可以估计关机点的位置和速度，进而根据被动段飞行规律推测导弹落点参数。

3 未来发展趋势

美国高度重视天基预警卫星系统的发展，加速开展相关工作，推动向可防御的太空态势转变，持续保持太空优势。

发展新一代导弹预警卫星系统

面对空间系统威胁增加、脆弱性增强的现状，2018年，美国空军决定取消采购“天基红外系统”GEO-7和GEO-8卫星，计划过渡到“下一代过顶持续红外 ”（Next-Gen OPIR）导弹预警卫星。“下一代过顶持续红外”是“天基红外系统”的替代版本，是美国继“国防支援计划”、“天基红外系统”和“空间跟踪与监视系统”之后，为瞄准未来太空作战，转变装备发展理念，着力构建在“竞争性环境”中具有更强生存能力和体系弹性的天基预警体系，以应对未来可能出现的威胁。新一代高轨预警卫星系统具有功能更强大的传感器和其他优点，在对抗环境中具有更好的适应性。

“下一代过顶持续红外”项目通过“采用成熟的卫星平台+重点关注传感器技术”的方式，使美国在未来保持甚至获得更强预警能力的同时，有效降低单个预警卫星的成本，从而降低己方导弹预警卫星的作战目标价值，获得更高的生存概率。此外，“相对简单廉价”的预警卫星，在战时也能够大量制造和快速部署，补充和维持天基导弹预警能力，增强导弹预警卫星的体系弹性。

“下一代过顶持续红外”采用超大面阵多波段红外阵焦平面探测器，不仅能探测跟踪大型弹道导弹的发射，还能探测和跟踪小型地空导弹、高超声速武器，甚至空空导弹的发射。一旦整个系统完成实战部署，可直接在战略和战术层面上支持反导作战，将对各国的导弹武器的作战运用带来极大影响。

在美国天军2021财年预算申请中，增加了对“下一代过顶持续红外”系统的投资，为“下一代过顶持续红外”星座申请23亿美元。其首个星座（Block 0）将由3颗GEO卫星和2颗极轨卫星组成，主承包商是洛马公司和诺格公司。根据预算文件，首颗GEO卫星将于2025年交付，首颗极轨卫星将于2027年交付。预计到2029年，所有5颗Block 0卫星都将入轨。

利用现代商业卫星技术

美国高级研究计划局（DARPA）提出新设想，能否利用现代商业卫星技术，在LEO上构建起一个由大量低轨卫星持续覆盖全球的、低成本的卫星网络，这样就解决了经费问题。

DARPA计划在未来2～3年内，向LEO发射一个配备军用有效载荷的试验性小型商业卫星星座，即“黑杰克”（Blackjack）项目。“黑杰克”项目旨在改进商业太空技术用于军事用途，其背后的理念是抓住商业太空创新，减少军事系统的成本和开发时间，有望使国防部进入快速部署低成本太空系统的新时代。如果项目取得成功，可以证明“天基传感器层”能以低于传统军事卫星的成本实现，同时，相比大多数国防部系统7～10年的生产周期，其生产周期只有1～2年。

导弹预警是“黑杰克”卫星的潜在应用之一。“黑杰克”项目还设定了更宏伟的目标，计划在轨演示验证使用“智能”卫星自主收集、分析和传播数据，甚至可能向拦截弹武器发送信息，这将大幅减少应对导弹攻击所需的时间。需要进一步研究的问题之一是“天基传感器层”的“火控方法”。高超声速导弹的飞行速度比弹道导弹快得多，因此数据延迟将是一个关键影响因素。DARPA寻求在“黑杰克”项目的下一阶段解决此问题，开发名为“工头”（Pit Boss）的自动控制单元，内含高速处理器，可进行在轨计算并管理与地面之间的通信，使每颗卫星都具备自主智能运行能力，同时可实现任一卫星与星座中的其他节点的协同作战，保证整个星座不需人员干预也能长期自主运行。

发展对高超声速武器的跟踪能力

在高超声速武器防御方面，美国仍处于早期探索研究阶段，在美国导弹防御局主导下，基于“全面、分层防御战略”，美国将从体系架构、预警探测、指挥控制、拦截弹等多个维度推动高超声速防御能力发展。

为应对高超声速武器对现有预警体系的威胁，美军推进低轨天基传感器层的研发与部署,大力发展“高超声速和弹道导弹跟踪天基探测器”（HBTSS）项目。计划在LEO发展一个规模为百颗小卫星星座的天基传感器层，实现对高超声速导弹进行“从生到死”的全周期持续跟踪与识别。未来，天基传感器层将纳入国防太空架构以支持导弹预警。

拓展更丰富的波段

未来，天基导弹预警系统将突破现有的红外体系，向更丰富的波段拓展。大部分导弹在2.7μm和4.3μm这两个波段都有强烈的特征峰，但是未来的洲际弹道导弹必然会在配方、发射机制等方面做足功夫，力图降低这两个波段的辐射特征。实际上，目前一些国家已经启动了低可探测的固体火箭发动机配方的研制计划。固体火箭推进剂或多或少地都会添加铝粉等颗粒物来增加比冲。铝粉的氧化物在高温条件下有着紫外波段的典型辐射特征。可以推断，未来的天基预警卫星将对0.24～0.29μm波段的紫外线产生依赖。今后的天基预警卫星会采用多种波段融合的体系。

4 结束语

天基导弹预警系统具有高视角、探测范围广、预警时间长、具备全程跟踪能力等特点，可为弹道导弹防御和实施反击提供及时预警信息，是导弹预警体系的重要组成部分。美国通过建立和提升天基预警能力甚至是天基拦截技术，来应对高超声速滑翔武器、远程巡航导弹等新型进攻性武器的威胁，实现覆盖全球的监测，并与其他系统融合，进一步增强体系反导能力。总体来说，整个下一代导弹预警体系方案基本确定，高轨系统作为保底系统，重视提升防御能力；低轨系统大力推进传感器层建设，通过建设高超声速与弹道导弹跟踪太空传感器层应对高超声速武器的威胁。