本文內容轉載自《光電技術應用》，版權歸《光電技術應用》編輯部所有。(王云萍 北京跟蹤與通信技術研究所)

摘要：導彈預警衛星是空間預警系統的重要組成部分。以美國為例，介紹了DSP、SBIRS和Next-GenOPIR三代天基紅外導彈預警技術的發展，重點分析了天基紅外系統中紅外光學載荷的工作體制、性能參數及技術特點。同時，分析了天基紅外預警系統的工作模式，提出高低軌衛星組網、多波段／長線列／大面陣探測、構建彈性體系等是天基導彈預警技術的發展趨勢。

關鍵詞：天基；紅外；導彈預警；DSP；SBIRS；OPIR

導彈預警衛星系統是美國空間監視系統中非常關鍵的組成部分，是一個高度集成、高精度的光機電一體化系統，紅外探測器是其重要載荷，承擔著重要的導彈早期預警任務，可在全球范圍內快速探測戰略／戰術彈道導彈的發射，預報彈著區域，提供來襲導彈彈道參數，為導彈防御系統提供最早期的威脅預警，引導部署在全球各地的早期預警雷達實施搜索和跟蹤，進行威脅評估，判斷導彈的攻擊規模、性質和企圖，以便采取適當的應對措施。導彈預警衛星系統預警能力的高低、提供預警時間的多少，成為導彈攔截成功與否的關鍵因素。“國防支援計劃”衛星只能預警戰略導彈，對戰術導彈的預警能力不足，隨著導彈在現代戰爭中的運用日益廣泛，天基預警的功能需求也隨之由戰略級向戰術級延伸，因而美國正積極打造可同時預警戰略導彈和戰術導彈的“天基紅外系統”，一旦該系統建成，其將具備全球全天時覆蓋、功能完備、實時響應的預警能力，可監視和跟蹤全球彈道導彈飛行全程，必將對我國導彈武器的有效作戰應用構成嚴重威脅。因此，對美國天基紅外導彈預警技術及其發展進行深入研究具有重要現實意義。

1 國防支援計劃

“國防支援計劃”（DSP）是北美防空計劃（NORAD）中一項衛星預警支援計劃，也是美國一項早期導彈預警的衛星計劃，目的是對入侵北美的飛機、導彈和太空武器進行監測、預警和攔截，為美國和同盟國在全球駐軍提供導彈入侵預警服務，于1970年11月投入使用。

DSP衛星星座布設在地球靜止軌道上，由5顆衛星組成，4顆為工作星，1顆為備份星（以在必要時隨時替換）。DSP衛星分布在全球各大洲上空，如表1所示。

現役4顆工作星的位置是：西經37?（大西洋）、東經10?（歐洲）、東經69?（東半球和印度洋）和西經152?（太平洋），備份星定點于東經110?（印度洋東部）。這種設計能在衛星數目增多時確保有2顆以上的衛星對同一區域進行監視，協同掃描頻率更快，可提供立體的導彈尾焰信號特征數據。

DSP預警衛星紅外系統結構和工作方式見圖1，技術參數見表2。

圖1 DSP預警衛星紅外系統結構及工作方式

采用三軸穩定的方式，共有6種有效載荷：①紅外望遠鏡子系統（IR）；②紫外跟蹤探測器（ULS）；③星球探測器子系統（SS）；④狀態監視子系統（SMS）；⑤信號電子學子系統（SES）；⑥激光通信子系統（LCP）。其中，主探測器為2.7um和4.3um雙色紅外波段，前者用于導彈點火監測，后者用于導彈軌跡監測，地面分辨率為3-5km。紅外系統視場角為12?，光軸與衛星自旋軸夾角6?，隨著衛星的自旋，紅外探測器線列對地球表面每分鐘掃描6次。

目前，DSP衛星已探測到前蘇聯、法、中、印、朝等國導彈發射信息1000余次。海灣戰爭期間，美國運用了2顆DSP衛星，監視伊拉克“飛毛腿”導彈的發射，從導彈發射到判明彈著區僅120s，并于180s內將這些情報傳送海灣部隊，可給愛國者導彈提供90-120s的預警時間。

DSP衛星最初作為一種戰略導彈預警手段提出的，存在一些固有的缺點：不能跟蹤中段飛行的導彈，對國外設站的依賴性大，虛警問題未得到根本解決，且衛星掃描速度較慢，對“飛毛腿”等戰術導彈的探測能力有限，難以給出更為充足的預警時間。針對DSP系統在海灣戰爭中所暴露的缺點，美國國防部和美國空軍在戰后啟動了以下3個技術改進計劃：

（1）導彈發射和截擊戰區預警（AIERT）計劃：ALERT計劃在導彈發射后幾分鐘內作出預警并攔截來襲目標，以滿足高技術戰爭的要求。為此，ALERT系統采用多CPU的新型號SGI計算機對DSP衛星數據進行快速處理，運算速度為15億次／s。該計劃于1995年完成。

（2）眼鏡蛇響聲（CB）計劃：為提高DSP衛星探測能力，要求研制一種新型的紅外遙感器，以代替DSP衛星上使用的雙波段探測器。改進之處有：采用3個焦平面，通過濾光片旋轉實現波段快速切換；采用快速掃描成幀技術；提高儀器的靈敏度；采用高速星上存儲器。該計劃于1995年歸人SBIRS計劃，新研制的紅外探測器也將用于高軌天基紅外系統衛星上。

（3）紅鼻鳧（TealRubv）計劃：這是一項紅外探測器的試驗衛星計劃，1985年立項，進行了1次發射，壽命為1年，星上傳感器是1臺具有13個窄波段（2.5-15.5um）的紅外裝置，每個紅外焦平面陣列上有1024個像元。

2 天基紅外系統

為應對彈道導彈的威脅，美空軍一直在不斷完善新一代導彈預警衛星系統，曾考慮過多種方案。從1979年至1995年，先后提出研制新一代的“先進預警系統”（AWS），“助推段監視與跟蹤系統”（BSTS），“后繼預警系統”（FEWS）計劃以及“導彈報警、定位和報知”（AIARM）系統計劃等。1995年8月，ALARM系統計劃又被取消，空軍最后決定研制天基紅外系統（SBIRS）預警衛星。該衛星于1997財年獲準進入工程與制造發展階段。

天基紅外系統（SBIRS）包括空間系統和地面系統，星座分布見圖2。

圖2 SBIRS星座分布示意圖

空間系統由3種軌道高度的衛星星座組成，即低軌衛星星座（SBIRS-Low）、高軌衛星星座（SBIRS-HEO）和靜止軌道衛星星座（SBIRS-GEO），其中低軌道（LEO：12-24顆）、大橢圓軌道（HEO:2顆）和地球同步軌道（GE0:5顆，其中1顆為備份），每顆衛星都具有寬視場、短波紅外捕獲和窄視場、多波段跟蹤傳感器，具有紅外、可見和紫外多譜段探測能力，具備導彈主動段、飛行中段和再人段的探測和在導彈飛行中段指導攔截的能力。

2.1 SBIRS-High衛星系統

SBIRS的高軌部分由2顆SBIRS-HEO和5顆SBIRS-GEO組成。主要是通過紅外探測來偵察、跟蹤來襲導彈的助推段，為美國最高指揮當局和作戰部門提供全球范圍內的導彈發射數據。其中，SBIRS-HEO遠地點位于北半球上空，可長期觀測北半球的情況，主要用于探測俄羅斯等高緯度地域的洲際導彈發射和北方水域的潛射導彈發射。SBIRS-GEO衛星掃描型探測器掃描視場約為10?，利用擺鏡南北線列掃描，2幀實現相應地球表面覆蓋，凝視型探測器視場1?~2?，凝視型探測器對目標進行高分辨率成像、精確跟蹤，獲取詳細信息。SBIRS-GEO衛星結構及功能部件見圖3。

圖3 SBIRS高軌衛星結構圖

SBIRS高軌預警衛星相比DSP衛星，每顆衛星都裝有1臺高速寬視場掃描型短波紅外捕獲探測器（在熱助推段觀測明亮的導彈羽焰）和1臺窄視場凝視多譜段（中波、中長波和長波紅外及可見光）跟蹤探測器（在中段和末段跟蹤導彈），載荷使用方式見圖4。

圖4 SBIRS衛星光學載荷使用示意圖

其中，短波紅外捕獲傳感器用于導彈發射時的偵察，可見光跟蹤傳感器用于導彈基地和導彈類型的鑒別，紅外跟蹤傳感器用于導彈發射后的跟蹤偵察。前者利用掃描折射望遠鏡和短波紅外焦平面陣列掃描南北半球，探測導彈發射時噴出的尾焰，發現目標后將其提供給后者，后者利用動作敏捷的望遠鏡將導彈發射畫面拉近放大，緊盯可疑目標，跟蹤導彈中段和末段飛行的彈頭，為美國國家導彈防御系統和戰區導彈防御系統提供高精度的目標瞄準數據，實現對導彈發射的全程跟蹤；同時衛星上的處理系統能預測處理導彈彈道和彈頭的落點，衛星的掃描速度和靈敏度比DSP衛星高出10倍，可有效增強對戰術導彈的探測能力，在導彈點火的瞬間將其捕獲，并在導彈發射后10-20s內將警報信息傳送給地面部隊。

2.2 空間跟蹤與監視系統

為了避免高軌道和低軌道星座相互混淆，2002年11月五角大樓將SBIRS-Low系統改名為“空間跟蹤與監視系統”（STSS）。STSS系統由24-30顆部署在高度1600km左右的多軌道面上的小型、大傾角、低軌道衛星組成，衛星之間信息通過60GHz的星間鏈路傳輸，衛星與地面間的傳輸速率為22/44GHz，可以實現對彈道目標的立體式持續跟蹤，主要用于捕獲跟蹤彈道導彈中段飛行發熱彈體和末段飛行再入彈頭。STSS系統在SBIRS-High系統與陸基預警雷達系統對彈道目標中段進行探測的“空隙”之間架起一座“橋梁”，戰術應用示意圖見圖5。

圖5 STSS衛星導彈預警戰術示意圖

STSS主要功能是在戰區沖突和針對美國的導彈攻擊防御中，為導彈防御任務提供精確的中段跟蹤和識別能力，STSS目前還未直接參與攔截試驗，但具有針對彈道導彈飛行全過程的監視與跟蹤能力，能夠探測到中段目標在跨越陽光與陰影區飛行中的溫度變化，甚至可以觀測到誘餌釋放、膨脹及展開過程的特性變化。STSS基本功能還包括：能對全球范圍內的導彈發射進行監視；能提供精確、及時的導彈發射時間和地點估計；能同時對多個彈道目標進行精確跟蹤與監視；具有分辨彈頭和誘餌的能力，并獲得彈頭的位置、速度和加速度等狀態信息；能估計導彈攻擊的準確時間和地點；能夠精確引導地面雷達捕獲來襲導彈和彈頭，使地面雷達在對方導彈進入其作用范圍時才開始工作，可以減少來自反輻射導彈的威脅等；此外STSS還兼具技術情報收集、戰場空間特征描述等多種功能，為彈道導彈防御作戰提供有力的情報支持和技術保障。STSS演示驗證衛星在軌試驗成果見表3。

目前，SBIRS已經發射了4顆SBIRS-HEO衛星、4顆SBIRS-GEO衛星及2顆STSSDemo演示驗證衛星，相關的技術方案還在不斷的調整與完善，其中STSS衛星計劃已更名為精確跟蹤太空系統（PTSS），放棄了目標捕獲功能，只跟蹤目標。

3 Next-Gen OPIR計劃

2018年5月4日，美國空軍發布未來導彈預警衛星合作意向，將向洛克希德·馬丁公司和諾斯羅普·格魯曼公司簽發兩份獨家采購合同，以開展“下一代過頂持續紅外”（Next-Gen OPIR，nnext generation overheadpersistent infrared program）預警衛星項目。

美軍認為，隨著俄羅斯、印度等國大力發展衛星對抗能力，其太空資產面臨著來自動能武器、天基操控武器、地基激光武器，以及網絡和電子攻擊等的威脅，這些威脅使得美國的太空體系日益脆弱，未來的天基導彈預警衛星系統必須具備更強的生存能力和體系彈性。

為瞄準未來太空作戰，轉變裝備發展理念，著力構建在“競爭性環境”中具有更強的生存能力和體系彈性的天基預警體系，以應對新出現的和預期的威脅，空軍在Next-Gen OPIR項目中提出通過“采用成熟的衛星平臺+重點關注傳感器技術”的方式，使美國在未來保持甚至獲得更強預警能力的同時，有效降低單個預警衛星的成本，從而降低己方導彈預警衛星的作戰目標價值，獲得更高的生存概率。此外，“相對簡單廉價”的預警衛星，在戰時也能夠大量制造和快速部署，補充和維持天基導彈預警能力，增強導彈預警衛星的體系彈性。

Next-Gen OPIR是美國在繼DSP、SBIRS之后，規劃的新一代高軌預警衛星系統，初期系統將包括3顆GEO和2顆HEO衛星，首顆GEO衛星將在2023年發射。據分析，Next-Gen OPIR采用超大面陣多波段紅外陣焦平面探測器，不僅能探測跟蹤大型彈道導彈的發射，還能探測和跟蹤小型地空導彈、助推一滑翔及吸氣式高超聲速武器，甚至空空導彈的發射。一旦整個系統完成實戰部署，可直接在戰略和戰術層面上支持反導作戰，將對各國的導彈武器的作戰運用帶來極大影響。

4 天基導彈預警技術發展趨勢

分析DSP、SBIRS到OPIR的演變可知，美國天基紅外導彈預警技術發展具有下述幾個特點：

（1）從軌道來看，由單一的地球靜止軌道，到結合大橢圓軌道，再到高軌組網與低軌組網相互配合的發展過程。從提高彈道預警的精度看，雙星立體觀測是基本要求，3顆以上星同時觀測目標是更理想的方案。從組網方式上看，高中低軌道組網相互配合是發展方向，高軌道星座利用其覆蓋廣的優勢用于發現目標，中低軌道星座利用其探側分辨率高的優勢用于探測和跟蹤目標。

STSS整個低軌衛星星座是利用衛星內部的交叉鏈路連接在一起的。當同軌道中一顆衛星所跟蹤的導彈離開它的視線后，它可以將目標的位置等信息告知第二顆衛星，第二顆衛星將繼續跟蹤目標，實現對目標的“接力”跟蹤。STSS星座可以實現2-4顆衛星共同對目標進行立體觀測和空間定位，通過融合多顆衛星觀測的信息，可以對目標進行準確識別和定位，必要時被觀測目標的信息可以在整個星座中繼續傳遞下去，直到目標被摧毀或無法探測為止。據最新消息，雷神公司為SBIRS提供了約4kx4k的紅外焦平面傳感器，可以凝視半個地球，未來部署的STSS星座的衛星數量可能減少，但軌道數可能增加，實現更多顆衛星同時對目標進行立體觀測。

SBIRS-High星座軌道較高，觀測范圍大，能夠在導彈點火的瞬間捕獲目標，盡早發現目標，并將目標信息傳輸給STSS星座，STSS衛星對目標進行精確識別和跟蹤。SBIRS-High與STSS共同構成美國天基預警系統高、低軌道復合型星座，成為美國彈道導彈防御的太空“鷹眼”，通過二者的配合探測，可以在助推段、中段和再人段實現對遠程和洲際彈道導彈的全程跟蹤與探測，并通過精確定位為攔截系統提供引導信息，成為彈道導彈防御系統的力量倍增器。

（2）從探測器件的發展來看，經歷了從單一波段向多波段／多光譜、從少探測元線列掃描向多探測元線列掃描和大面陣／大視場凝視的發展過程。

早期的DSP衛星只采用短波紅外（2.7um）和可見光探測，無法克服云層反射陽光等自然現象造成的虛警問題，后來發展為雙色紅外波段（2.7um和4.3um），可以大大降低由此引起的虛警率。目前正在試驗紫外和長波紅外的探測效果。來自不同波段和不同探側器的數據融合可進一步降低虛等、提高目標的識別率。但對彈道導彈主動段的探測仍以中短波紅外為主，因為該譜段探測技術比較成熟，同時能獲得較高的圖像信噪比和探測效率。由于預警目標和材料及工藝的原因，早期的DSP探測器采用了2000元的線陣列，其分辨率低，但對于探測尾焰紅外輻射長度達幾千米的戰略導彈是足夠的，隨著技術的進步和戰術彈道導彈預警的要求，之后采用了6000元的雙色紅外線陣列，地面分辨率達到1km，使得中短程彈道導彈和部分原來探測不到的目標（如加力狀態下的飛機）也能被探測出來。SBIRS則用長線列掃描發現戰區戰術導彈目標，以擴大搜索視場，用大面陣凝視跟蹤目標，以提高目標信息的獲取速率。新一代的紅外系統OPIR中的探測器件則采用超大面陣多波段紅外陣焦平面探測器。

（3）從對彈道導彈飛行中段的預警來，目前技術還不成熟，未來傾向于以中、低軌道衛星為主。

從SBIRS計劃來看，紫外、可見光、長波紅外和毫米波雷達都是候選的波段，但目前都處于數據收集和原理試驗階段。由于中段彈頭不發熱，要求探測器有很高的分辨率。因此，中段探測器不僅要求有較多的探測元，而且要布置在中低軌道上組網進行監視，必要時以深空為背景進行觀測。這些衛星的任務是跟蹤目標并測定彈道參數，它們需要接收主動段探測的信息指示。

（4）從數據通信鏈路上來看，經歷了從地面站集中接收并送到處理中心處理再送回戰場指揮中心，到可以機動部署，同時可接收和處理多顆衛星數據的戰場前沿移動站為主的發展過程。以快速分發為主要發展方向，并具有在星上完成信息處理的趨勢。

（5）從戰場生存能力上來看，天基導彈預警衛星將通過搭載通信衛星或其他商業衛星等方式具有更強的隱蔽性，發射和部署周期更短、數量更多、機動變軌能力更強，系統將具有更強的生存能力和體系彈性。

5 結論

太空已經成為維護國家安全和利益所必須關注和爭奪的戰略制高點。美軍現有的典型空間預警系統SBIRS-直在改進與完善中，Next-Gen OPIR首顆衛星即將發射，一旦整個系統完成實戰部署，可直接在戰略和戰術層面上支持反導作戰，必將對我國戰略威懾力、導彈武器作戰運用構成重大不利影響；同時，未來的空間衛星預警系統需要對目標進行實時、高速采集及數據處理和自動控制，系統效能的發揮更將依賴于信息協同，急需研究其薄弱環節，綜合利用雷達、通信、光電、衛星對抗武器等多種措施，有針對性地發展對抗手段，從頂端破壞強敵反導信息鏈，降低其作戰效能，從而保障己方導彈武器的突防力和核威懾的有效性。