美天基预警系统发展现状及特性研究

王瀚霆，陈 锋，宋君强，郁海勇，郭禹辰

（上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

冷战时期美国建立的本土防御的地理优势在迅速发展的弹道导弹面前逐步丧失，因此如何对弹道导弹进行有效的预警与拦截是美军研究与发展的重点。弹道导弹在发射主动段会产生超高温、强辐射的尾焰，天基预警系统不受时间区域约束，通过星载红外探测载荷实现对弹道导弹尾焰及弹体高温蒙皮红外辐射发现与识别［1-2］，可在全球范围内对弹道导弹的发射进行探测，生成弹道信息实时引导地基远程预警雷达搜索跟踪，有效支援地基反导装备实施拦截［3-4］。因此天基预警系统在美导弹防御体系中处于空间上制高点、时间上最前沿，是美国家战略反导体系的核心环节。

美国自20 世纪50 年代开始启动天基预警系统的研究与部署，历经六十余年发展，期间经过了“米达斯”计划（MiDAS）、国防支援计划（DSP）及天基红外系统（SBIRS）3 个主要的发展阶段［5-7］，共发射40 余颗导弹预警卫星，从早期的试验验证逐步进入实战化应用阶段，已经建成了立体完备、全球覆盖、高效运行的天基预警系统。

1 “米达斯”计划

为应对苏联洲际弹道导弹带来的巨大威胁，20 世纪50 年代美国防部高级研究计划局（DARPA）提出了“米达斯”计划（MiDAS），旨在通过在苏联上空部署红外传感器实现对其弹道导弹发射的探测，“米达斯”计划也是美国第一代侦察卫星系统的重要组成部分。由于当时缺乏进入地球同步轨道的能力，MiDAS 卫星部署在高度约为3 200 km 的极地轨道上。在1960—1966 年期间，美军共发射12 颗MiDAS 卫星［8］，受到当时空间技术的制约，部分MiDAS 卫星发射失败或在入轨后失效。MiDAS 卫星探测灵敏度低，存在较高的虚警，不具备在实战中应用的条件。但通过其长时间的在轨试验，积累了大量目标及背景的红外辐射特性，充分验证了天基导弹预警相关技术体制及探测机理，为美后续天基预警系统的建设发展奠定了良好的基础。

2 国防支援计划

国防支援计划（DSP）是美军用于取代“米达斯”计划的天基预警系统，作为北美防空计划（NORAD）的重要组成部分，可为美国及其盟友提供全球范围内弹道导弹发射及地下核试验的预警信息。DSP 卫星星座部署于地球同步轨道，星座设计由5 颗卫星构成，其中4 颗为工作星，1 颗为备份星。卫星采用三轴自旋稳定控制方案，红外探测器光轴与卫星自转轴成7.5°夹角，随着卫星自旋红外探测器线列对覆盖区域形成圆形的扫描探测，扫描速度为每分钟6 圈［9］，探测器采用2 个短波红外波段，分别为2.7 µm 和4.3 µm［10］。

DSP 卫星在1970—2007 年间的整个计划实施的生命周期内历经多次的改进与升级，探测器像元数量从早期的2 000 个提升至6 000 个，设计寿命提升至5年，卫星质量功耗也得到了大幅度提升［11］，历次改进升级情况如表1 所示。国防支援计划先后发射23 颗卫星，其中2 颗发射失败，1 颗不明原因失效，其他卫星均正常入轨运行，其中大部分均超期服役完成了在轨任务。

表1 DSP 卫星改进升级情况

表2 在役DSP 卫星轨道参数

DSP 预警卫星系统可为美军提供对洲际弹道导弹25 min 以上的预警时间，在其服役数十年间发挥了重要作用。该系统在冷战期间探测到千余次弹道导弹发射信息，在海湾战争中成功探测到伊拉克“飞毛腿”导弹的发射［12］，该系统也是世界上唯一经过实战检验的天基预警系统。

截至目前仍有5 颗DSP 卫星在轨超年限服役，分别为DSP-17/18/20/21/22，经维护原计划于2020 年退役，但据最新报道将延长服役至2030 年，与新一代天基预警系统协同工作。根据北美防空司令部公开的DSP 卫星轨道信息（详见表 2）分析，DSP-18 卫星运行于轨道高于GEO 标称轨道300 km 左右的坟墓轨道上，考虑其为在轨备份星，其余4 颗星为工作星。尚在服役的DSP 卫星运行轨道倾角均大于10°，其中DSP-22 定点位置为东经87.3°，可实现对亚太区域的实时覆盖。

针对DSP 卫星系统在实战过程中暴露出来的问题，美国在海湾战争后进行了多方面的升级与改进，但该系统仍存在诸多不足：1）扫描速率慢、探测分辨率差、定位精度低；2）系统虚警、漏警问题严重；3）缺乏对战术导弹的预警能力；4）在南北两极区域存在预警盲区。为进一步加强天基导弹预警能力，美国空军在20 世纪90 年代初期决定发展新一代天基预警系统。

3 天基红外系统

天基红外系统（SBIRS）是美新一代导弹预警卫星系统，可为美军提供导弹防御、导弹预警、技术情报及战场感知等信息［13］。该系统原计划采用高低轨协同互补、立体化探测的建设思路，其中高轨部分由同步轨道星座（SBIRS-GEO）和大椭圆轨道星座（SBIRS-HEO）构成，具备全球范围内导弹多目标主动段预警、多关机点探测等能力；低轨部分由低轨道星座（SBIRS-LEO）构成，负责对全球范围内弹道导弹飞行全程的发现跟踪。其中低轨部分在2001 年由美空军移交美导弹防御局，重新命名为“空间跟踪与监视系统”（STSS），在美已全球部署远程预警雷达形成中段反导能力的背景下，同时考虑技术风险与经费投入，STSS 系统只发射了2 颗演示验证星，验证星入轨后参与美导弹防御局多次反导试验，验证了弹道导弹全程跟踪、为导弹防御系统提供精确引导等关键能力［14］。高轨部分继续沿用SBIRS 名称，接替DSP 计划，成为美军新一代天基导弹预警系统。

3.1 空间段

2022 年8 月美国第6 颗地球同步轨道导弹预警卫星SBIRS-GEO-6 在卡纳维拉尔角空军基地成功发射，标志着美新一代天基红外系统已全面建成。天基红外系统由6 颗部署于同步轨道上的SBIRS-GEO 卫星和4 个寄宿于大椭圆电子侦察卫星上的SBIRS-HEO导弹预警载荷组成。

SBIRS-GEO 卫星装载了扫描红外相机和凝视红外相机，探测波段覆盖近红外、中红外与可见光。卫星工作时首先利用大视场扫描红外相机实现对导弹主动段尾焰辐射的广域探测，获取目标信息后交接给凝视红外相机，利用其窄视场高精度凝视能力精确跟踪导弹、弹头及诱饵等目标，并通过星上信息链路向地面数据接收站及前沿战区传输星上处理后的或原始的红外预警信息，实现对弹道导弹的早期预警。与DSP 卫星相比，其扫描速度与探测灵敏度均提升了10倍以上。

SBIRS-HEO 导弹预警载荷搭载于美军新一代大椭圆轨道电子侦察卫星“小号”（Trumpet）上，运行在远地点位于北半球高纬度区域的闪电轨道上。闪电轨道也称为莫尼亚轨道（Molniya orbit）［15］，是一种倾角约为63.4°的大偏心率椭圆轨道，可在大部分时间内运行在远地点上空。因此SBIRS-HEO 载荷可重点提升对俄罗斯本土、北极附近等北半球高纬度地区弹道导弹发射的连续监视能力，填补同步轨道预警卫星探测盲区。该载荷采用扫描红外相机，探测波段覆盖近红外、中红外与可见光［16］。

根据卫星轨道参数（详见表3）分析可知，6 颗SBIRS-GEO 卫星已实现对全球中低纬度地区一重覆盖，对部分重点关注区域两重覆盖；4 个大椭圆轨道SBIRS-HEO 载荷形成了对北纬50°以上地区的24 h 连续监视能力，与远程预警雷达构成了全过程、分布式、立体化的导弹防御体系。

表3 SBIRS 卫星轨道参数

根据SBIRS-GEO 卫星历史轨道参数对其轨道控制策略进行分析，以GEO-1/4 两颗卫星为例。图1 与图2 分别给出了以2022 年1 月1 日为起点、在300 天时间内卫星轨道倾角与升交点赤经的真实值与高精度轨道递推结果（HPOP 模型）的对比情况，对比结果表明2 种情况倾角误差≤0.001°，升交点赤经误差≤0.3°。数据上的一致性说明SBIRS-GEO 卫星真实轨道倾角与升交点赤经变化符合自然受摄运动规律，卫星不进行南北位置保持控制。

图1 轨道倾角真实值与递推值对比

图2 升交点赤经真实值与递推值对比

图3给出了卫星定点经度真实值与高精度轨道递推结果的对比情况，曲线表明两者存在明显差异，且定点经度真实值变化区间小于0.1°，说明SBIRS-GEO卫星定期进行东西位置保持控制。

图3 定点经度真实值与递推值比对

通过对SBIRS-GEO 卫星的历史轨位数据分析确认，其存在大范围轨位调整的情况，表4 给出了GEO-1/2/5 卫星在2020 年以来的定点位置调整情况，推测其目的为加强对重点区域的侦察监视。

表4 SBIRS-GEO 卫星定点位置调整情况

3.2 地面段

SBIRS 卫星系统的地面段主要由地面测控站与数据接收站组成。

1）地面测控站

SBIRS 卫星采用美国空军卫星控制网（AFSCN）进行测控，该控制网广泛应用于美军高轨卫星的测控，是美国军用测控网中规模最大，同时也是最重要的多用户军事航天测控网［17］，该控制网包括8 个远程测控站，主要分布情况如表5 所示。

表5 AFSCN 远程测控站

2）数据接收站

SBIRS 卫星的地面数据接收站分为3 类，具体如下：

①地面任务控制站（MCS）：负责接收与处理天基红外系统探测数据，位于美本土伯克利空军基地。

②中继地面站（RGS）：分别是美本土伯克利空军基地地面站（CGS）、澳大利亚松峡地面站（OGS）和位于德国的欧洲地面站（EGS），地面站最大接收天线口径为18 m，其中OGS 与EGS 站只负责天基红外数据的接收和传输，数据传回美国本土MCS 站统一处理。3 个中继地面站在经度上分布间隔约120°，形成了对高轨预警卫星全球可见的能力，3 个中继地面站间通过光缆进行数据传输。

③联合战术地面站（JTAGS）：在海湾战争后，针对DSP 卫星在战区导弹预警方面存在的问题，美军研制了可机动化部署的联合战术地面站（JTAGS）。JTAGS 系统可作为移动式信息处理系统部署在前沿战区内，配置3 副2.44 m 口径的抛物面天线，可同时接收多颗天基红外卫星下传的数据，并通过信息计算处理系统实现对多颗卫星红外数据的融合处理，进一步提升精度。同时可通过战区通信网络近实时地完成导弹预警信息的分发。JTAGS 系统共发展了Block I 与Block II 两代，目前共部署9 套，后续将会进一步将其升级为多任务移动处理系统（M3P），提升数据处理能力。

SBIRS 卫星不同类型的地面数据接收站具体分布情况如表6 所示。

表6 SBIRS 卫星数据接收站分布

3.3 链路段

SBIRS-GEO 卫星共配置6 条星地信息链路，包含4 条下行链路和2 条上行链路，覆盖卫星测控、数传、战区数据分发等数据传输功能［18］。链路分别命名为Link1～Link6，其中Link1 又分为Link1-S 和Link1-T两条链路，各信息链路频率及传输内容等具体参数如表7 所示。

表7 SBIRS-GEO 卫星信息链路

SBIRS-GEO 卫星采用洛克希德·马丁公司的A2100/LM2100 卫星平台，采用模块化设计理念，可适应不同载荷的需求，具备在轨软件灵活重构能力，卫星设计寿命15 年［19］。根据洛马公布的卫星组成示意图分析确认SBIRS-GEO 卫星配置2 副双频段万向点波束天线（Dual-Band Gimbaled Spot Beams）、1 副S频段全球天线（S-Band Earth Antenna）、1 副全向天线（Omni Antenna），天线配置情况如图4 所示。

图4 SBIRS-GEO 卫星链路与天线对应情况

1）数传链路

卫星数传链路按不同的传输内容与速率分为Link1-S、Link1-T、Link3 三条，工作于K 频段。星上配置2 副双频段万向点波束天线实现对地面数传站的精确指向与信号辐射。根据图5 中卫星组成示意图与卫星总装实物图的参照对比情况可判断其采用抛物面天线形式，配置双频段馈源。2 副天线可同时指向2 个部署在不同位置的地面数据接收站，数据既可传输至大型中继地面站（RGS），又可传输至可移动的联合战术地面站（JTAGS）。

图5 SBIRS-GEO 卫星天线实物情况

2）战术分发链路

卫星Link4 链路可实现战区任务数据分发，工作于S 频段。通过1 副S 频段全球天线将导弹预警信息直接分发至各战区配属的联合战术地面站（JTAGS）或其他类型机动站。根据图5 判断该天线采用了16阵元相控阵天线设计，天线波束可瞬时覆盖地球可视圆盘，波束可敏捷灵活指向用于满足卫星在不同姿态下的对地覆盖需求。

3）抗干扰遥控链路

卫星Link2 链路是抗干扰遥控链路，工作于EHF频段，推测该链路与先进极高频（AEHF）通信卫星上行抗干扰遥控链路类似，均采用宽带高速跳频体制［20］，抗干扰能力强，可作为卫星在强电磁干扰环境下的保底控制手段。根据图5 判断该链路与数传链路共用2 副双频段固定点波束天线，可同时指向2 个测控站，抛物面天线应具备K 与EHF 双频段工作能力。

4）测控链路

卫星Link5 为下行遥测链路，Link6 为上行遥控链路，测控链路采用美国空军控制网的天地链路系统（SGLS）体制，可提供测控站与卫星间的遥测、遥控、跟踪、测距等功能。下行链路工作于S 频段、上行链路工作于L 频段。根据图5 判断星上配置1 副全向天线实现在任意姿态情况下卫星测控信号的接收与发射。

4 结束语

美军基于全球覆盖的战略反导理念，历经四十余年建设发展，已形成装备体系完善、综合集成度高、技术先进的多轨道立体化的天基预警系统，实现了对全球范围内弹道导弹的预警与情报分发，是美国家导弹防御系统的重要组成。本文介绍了美天基预警系统的发展过程，从空间、地面、链路3 个部分详细分析了新一代SBIRS 预警卫星的建设情况，可为天基预警系统的建设提供借鉴与启示。■