天基红外系统：美新一代反导“天眼”

文/兰顺正

▲ 天基红外系统地球静止轨道卫星

2022年8月4日，美国第6颗“天基红外系统”（SBIRS）地球静止轨道卫星搭乘“宇宙神-5”运载火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角航天中心发射升空。该卫星是“天基红外系统”最后一颗入轨卫星，轨道高度约为35400千米，由洛·马公司制造。此次发射也标志着美国“天基红外系统”已正式部署完毕。

国防支援计划的继任者

“国防支援计划”（DSP）预警卫星共发展了3代，首颗卫星于1970年11月6日发射，至今共发射了23颗，最后一颗是2007年发射的。由于“国防支持计划”是冷战时期的产物，本身是为战略导弹的预警而设计的，因而轨道单一、探测手段单一、数据处理手段单一，且对于战术导弹的发射存在预警时间短、虚警率高、漏报多等问题。为此，美国于1995年提出发展天基红外系统，以取代日渐老化的“国防支援计划”。

天基红外系统最初的构建方案包括高轨部分和低轨部分，其中高轨部分负责对来袭导弹助推段的探测与跟踪；低轨部分负责对导弹中段和再入段的跟踪，以及弹头识别。不过在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”（STSS），高轨部分则保留天基红外系统的名称。

空间跟踪与监视系统主要设计用于跟踪全球范围内的、从发射到再入的弹道导弹，并将处理后的数据提供给拦截弹，以引导拦截弹的飞行，此外还可辅助用于空间态势感知、技术情报以及战场评估等。但在2022年随着两颗空间跟踪与监视系统演示验证卫星的退役，该项目正式终止。

而天基红外系统承担了导弹预警、导弹防御、战场态势感知和提供技术情报（描述导弹特征所需的数据及其他目标数据）四类任务，具体包括：提供更快、更准确的战略和战区导弹发射报告；为导弹防御系统作战能力提供有效支持；分析各类红外信号的特征数据以进行快速判别；更好地了解战场态势，为打击任务规划、作战力量防护提供支持等。

▲ 宇宙神-5运载火箭发射第6颗天基红外系统地球静止轨道卫星任务海报

天基红外系统的组成及功能

天基红外系统由空间和地面两部分组成，空间部分包括4颗地球静止轨道（GEO）卫星和4颗大椭圆轨道（HEO）卫星；地面部分包括主用和备用控制站、主用和备用中继站、固定式和移动式处理系统等。

地球静止轨道卫星主要用于探测和发现处于助推段的导弹，该型卫星的载荷约450千克，包括高速扫描红外探测器和高分辨率凝视红外探测器，它们均为近红外、中红外和地面可见光波段三色红外探测器，使用被动辐射制冷方式，并通过短施密特双光学望远镜观察地面，指向灵敏度高达0.05°。扫描探测器采用小平面阵列，不断扫描地球的北半球和南半球，可全天候、全天时提供整片区域的大体图像；视型传感器使用一个正方形或长方形焦平面阵列连续地观测一个特定区域，并检测其红外辐射的变化。

大椭圆轨道卫星的主要任务在于对北极附近地区进行战略和战区监视，以大幅扩大天基红外系统的侦察范围。该卫星的载荷也为扫描型红外传感器，重270千克，集成了近红外、中红外和地面可见波段三色探测器芯片。该传感器通过双轴驱动的施密特望远镜观察地面，利用万向节灵活设置观察方向，从而获得导弹发射点、轨迹和落点准确的红外数据，所采集的原始数据会以100Mbps的速率全部直接下传到地面处理中心后再进行处理。大椭圆轨道卫星采用“闪电轨道”，该轨道因苏联闪电型通信卫星首次使用而得名，特点是在远地点附近停留的时间很长，而且远地点附近在北半球有很好的可见度，适用于对北半球进行监视任务。大椭圆轨道卫星提高了天基红外系统对北半球高纬度地区，尤其是北极地区洲际导弹和潜射导弹发射的监视能力。根据模拟，2颗大椭圆轨道卫星即可保证任意时刻都有一颗卫星对北纬75度以北的北极地区进行监视。

▲ “国防支援计划”预警卫星在轨飞行示意图

▲ “空间跟踪与监视系统”卫星示意图

天基红外系统在地面上的控制和中继设施分为地面固定式和机动式两大类。固定式系统作为主力装备由美国空军太空司令部第460部队管理运行；机动式系统作为辅助装备由美国空军国家警卫队第233部队负责，以提供可生存、可持续的任务支援。天基红外系统最核心的地面设施位于科罗拉多州巴克利空军基地的主任务控制站，该控制站负责接收和处理天基红外系统的信息与数据，并统管卫星和载荷的任务规划与分配。一旦检测到国外导弹发射等重大活动，地面控制站会先将信息传输到太空司令部，随后再传送到北美航空防御司令部和军方其他相关部门，由他们判定威胁等级并给出防御对策。

▲ 2017年1月，宇宙神-5运载火箭将GEO-3卫星送入太空

相比于“国防支援计划”，天基红外系统的预警能力得到了大幅提高。早期的“国防支援计划”使用短红外和可见光探测，无法克服云层反光的虚警问题，后来虽然演进到双色红外波段，但6000单元一维线阵列的视场和分辨率并不理想，虽然足以满足探测巨大尾焰的远程和洲际弹道导弹的需求，但对中短程战术弹道导弹则有些力有不逮。而天基红外系统解决了“国防支援计划”预警时间短、虚警率高、漏报多的问题，它结合了扫描型和凝视型探测器的优势，扫描速度和灵敏度比“国防支援计划”提高了10倍以上，可在导弹发射后10～20秒内将预警信息传递给指挥控制系统，并对助推段导弹进行稳定、可靠的跟踪，为后续反导传感器提供关键的目标指示；同时，天基红外系统在设计时一并考虑了对洲际导弹、远程导弹和中近程战术导弹的探测跟踪能力，它对陆基洲际导弹的预警时间达26分钟，对潜射导弹的预警时间为15分钟，对陆基战术导弹的预警时间为4～5分钟；另外，天基红外系统还弥补了“国防支援计划”在北极附近的探测盲区，实现了导弹预警的全球覆盖。

2011年5月，美国发射了天基红外系统的首颗地球静止轨道卫星GEO-1，并于2012年11月投入作战应用。随后，GEO-2、3、4分别于2013年3月、2017年1月、2018年1月发射升空，这4颗卫星均采用的是洛·马公司研发的A2100卫星平台。2021年5月，第5颗地球静止轨道卫星GEO-5发射升空，以替换GEO-1。GEO-5采用的LM2100卫星平台是A2100平台的升级版本，共有26项改进，增强了动力和机动性。此次发射的第6颗地球静止轨道卫星GEO-6据估计也应该采用了LM2100卫星平台，为的是替换2013年部署的第2颗地球静止轨道卫星GEO-2。

▲ 准备装入整流罩中的GEO-4卫星

▲ 采用LM2100卫星平台的 GEO-5卫星准备进入热真空实验室测试

2006年6月，第一颗天基红外系统大椭圆轨道卫星HEO-1搭载在NROL-22侦察卫星上发射升空，并在轨完成了性能测试，随后交付美军投入作战应用。2008年3月，HEO-2搭载NROL-28侦察卫星以同样方式入轨运行。数年之后，HEO-3搭载NROL-35侦察卫星、HEO-4搭载NROL-42侦察卫星分别于2014年和2017年发射入轨，至此完成了4颗大椭圆轨道卫星的在轨部署。

从之前的报道看，天基红外系统的地球静止轨道卫星和大椭圆轨道卫星性能都有超出预期的表现，此次天基红外系统的部署完毕无疑将显著提高美国及其盟友对弹道导弹袭击的预警能力，从而削弱潜在竞争对手的相关威慑能力。