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帖子主题:美国弹道导弹防御的天眼-天基导弹预警卫星

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美国弹道导弹防御的天眼-天基导弹预警卫星

作者:北京航天情报与信息研究所,张保庆 博士

天基预警卫星系统探测范围广、预警时间长,可为弹道导弹防御和实施反击提供及时预警信息。美国最先发展天基预警卫星系统,先后部署了多种型号的天基预警卫星系统,包括“国防支援计划”、“天基红外系统”、“空间跟踪与监视系统”等。当前,美国已形成了高低轨结合,预警、跟踪和识别功能复合的天基预警卫星系统,其性能最为先进,可为美国提供强大的弹道导弹预警能力。

一、美国天基预警卫星系统发展现状

20世纪70年代以来,美国先后发展了“国防支援计划”、“天基红外系统”、“空间跟踪与监视系统”等多种型号的天基预警卫星系统。作为美国反导体系的重要组成部分,天基预警卫星系统可以为国家领导、作战指挥官、情报机构以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、技术情报搜集及战时态势感知等方面的能力极大增强。 DSP卫星系统是美国部署的第一种实用型预警卫星系统,先后研制部署了三代,共23颗卫星。当前,DSP卫星仅有4颗DSP卫星在轨服役。这4颗DSP卫星位于地球同步轨道,主要任务是为美国指挥机构和作战司令部提供导弹发射的探测和预警。美国空军于1995年开始“天基红外系统”卫星论证。起初论证的“天基红外系统”由地球同步轨道(GEO)卫星、低轨道(LEO)卫星以及大椭圆轨道(HEO)载荷组成复合型星座,可对弹道导弹的主动段、飞行中段和再入段进行全程探测。2002年美国国防部对“天基红外系统”项目进行了调整,将低轨道卫星系统从项目中分离,作为在轨技术演示验证项目,交由当时新成立的导弹防御局发展,并更名为“空间跟踪与监视系统”(STSS)。地球同步轨道卫星和大椭圆轨道的有效载荷仍由美国空军负责,名称沿用“天基红外系统”(SBIRS)。SBIRS系统最终将部署4颗地球同步轨道(GEO)卫星和2颗大椭圆轨道(HEO)载荷,并通过一体化集成地面站为SBIRS空间段提供服务。

美国弹道导弹防御的天眼-天基导弹预警卫星

美国现役天基预警系统主要包括4颗“国防支援计划”(DSP)卫星、3个“天基红外系统”大椭圆轨道卫星载荷、2颗“天基红外系统”(SBIRS)地球同步轨道卫星和2颗“空间跟踪与监视系统”(STSS)低轨卫星。下表给出了“天基红外系统”中GEO卫星和HEO有效载荷的发射时间和目前状态。

美国弹道导弹防御的天眼-天基导弹预警卫星

表 SBIRS系统卫星和载荷情况

二、美国天基预警卫星系统关键技术

美国在其天基预警卫星系统中应用了大量先进的技术,现已建立了性能最为先进,高低轨相结合,扫描与凝视、捕获与跟踪手段相协作的导弹预警系统,能够对全球重点区域发射的弹道导弹提供及时预警信息,且对中段飞行的弹头具有一定的跟踪和识别能力。

美国弹道导弹防御的天眼-天基导弹预警卫星

(一)双探测器技术

美国天基预警卫星系统主要担负红外监视与跟踪导弹发射全过程的任务,可同时探测来袭的战略导弹和战术导弹,能够提供导弹预警、导弹防御、技术情报侦察(提供描述导弹特征所需的数据及其他目标数据)以及作战空间特征描述等功能。

1.“天基红外系统”

“天基红外系统”地球同步轨道(GEO)卫星主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹。SBIRS卫星最大的改进是采用了双探测器方案,每颗卫星载有一台高速扫描型(Scanning)探测器和与之互补的高分辨率凝视型(Staring)探测器。大椭圆轨道(HEO)有效载荷也装有高速扫描型探测器和高分辨率凝视型探测器,其主要任务在于对北极地区圈的探测预警,将天基红外系统的预警能力扩展到两级地区,使其侦察范围扩大了2~4倍。

卫星工作时,扫描型探测器先对地球的北半球和南半球进行快速扫掠,然后将探测到的数据提供给凝视型探测器。紧接着,凝视型探测器将目标画面拉近放大,获取详细信息,进而确定是否发生弹道导弹发射活动。双探测器协调工作,共同完成任务,有效增强了天基红外系统探测战术弹道导弹的能力。相比于DSP卫星,扫描型探测器的扫描速度更快,可以对全球导弹发射和自然现象进行广域监视;而凝视型探测器探测精度更高、地物杂波干扰抑制能力更强,能够持续监视一个特定区域,对感兴趣区域具有极高的探测灵敏度。扫描型探测器和凝视型探测器相互结合,使SBIRS系统的扫描速度和灵敏度相比DSP系统提高了10倍以上。

此外,SBIRS卫星还具备“See-to-Ground”探测能力,不仅弥补了DSP卫星无法穿越云层进行探测的弊端,而且高频率的扫描可以在弹道导弹刚一点火时就可探测到其发射。上述改进使SBIRS系统的性能大幅提升,使得“天基红外系统”在导弹发射10~20s内将预警信息发送至地面运行控制系统(DSP系统则需要60~90s),大大延长了战术弹道导弹的预警时间,进而为反导系统预留了充分的准备时间,可大幅提高反导成功率。

2.“空间跟踪与监视系统”

当前,STSS系统有2颗演示验证卫星(STSS Demo Satellites)在轨运行。2颗STSS卫星均装有一台宽视场捕获传感器和一台窄视场凝视型多波段跟踪传感器。 STSS卫星的宽视场捕获传感器,采用波长为0.7~3um的短波红外传感器(SWIR)。宽视场捕获传感器以地球为背景,可以捕获助推段弹道导弹的尾焰。STSS卫星的窄视场凝视型多波段跟踪传感器涉及3种波长的传感器。其中,波长为3~8um的中红外(MWIR)传感器以地球为背景进行工作,可以实现对助推段末期的弹道导弹进行跟踪;波长为8~12um的中长波红外(MLWIR)传感器以及波长为12~16um的长波红外(LWIR)传感器以空间为背景进行工作,可以实现对弹道导弹飞行中段的持续跟踪。中长波红外传感器和长波红外传感器在导弹助推段关机后仍能继续跟踪导弹飞行,而且还能够继续跟踪弹头的分离,并具备识别诱饵的能力。

STSS项目将构建由约24颗卫星组成的低轨卫星星座,卫星之间可以利用星间链路传递弹道导弹飞行中段的跟踪信息,卫星间信息的接力传递可实现对弹道导弹在外层空间飞行全过程的持续跟踪。

(二)卫星平台技术

“天基红外系统”的前4颗地球同步轨道(GEO)卫星,即GEO-1,GEO-2、GEO-3、GEO-4卫星均采用了洛克希德·马丁公司的A2100军用型卫星平台,并针对军事应用对A2100卫星平台进行了加固和改进。A2100平台开始研制于20世纪90年代,在1996年完成首次飞行验证。在模块化和通用化思想的指导下,A2100平台可根据载荷情况对平台配置进行剪裁。SBIRS卫星采用A2100平台,可使载荷和卫星平台间的相关性显著降低,设计、制造、测试等工序均可以并行进行,在提高效率的同时还可大幅降低成本。

2015年6月9日,美国空军宣布,将启用由洛克希德·马丁公司研制的升级版A2100卫星平台作为第5颗和第6颗“天基红外系统”地球同步轨道卫星,即GEO-5、GEO-6卫星的平台。A2100卫星平台的升级工作将作为SBIRS项目“技术更新”计划的一部分,利用主承包商洛克希德·马丁公司内部的研究与发展基金,不花费政府资金。 “技术革新”计划一方面使载荷和平台成为两个相互独立的模块,另一方面将对软件和指挥控制系统进行更新,以便增加新型载荷,如“商业搭载红外载荷”(CHIRP)任务试验的2000象元×2000象元凝视面阵探测器。升级版A2100平台通过使用通用部件和精简花的制造过程,进一步增加经济可承受性,大幅缩减成本和项目周期,从而可将有限资金集中用于有效载荷研制工作。此外,新的设计将使卫星能够兼容“德尔它”-4或者“猎鹰”-9等新型运载火箭,从而增加运载工具的可选择性,便于卫星发射和降低发射成本。三、美国天基预警系统未来发展

美国高度重视天基预警卫星系统的发展,积极推进高轨星座“天基红外系统”的建设,而对低轨星座“天基跟踪与监视系统” 采取有限度发展的态度。

在卫星系统体系架构方面,美国空军已着手考虑下一代导弹预警系统体系架构,至少提出了4种不同的卫星系统架构,其中包括分解方案,有效载荷搭载、多作战域部署等。除开展系统架构研究外,美国空军还开展了新型全尺寸导弹预警传感器的研发,重点关注2个宽视场传感器,其视场分别达到6度和9度。下一代导弹预警系统研发工作将于2020年开始,首颗卫星将在2025年运行。

(一)星座架构坚持高轨为主,有限度发展低轨卫星

经过20余年的研制和部署,高轨星座“天基红外系统”一直具备作战能力。尽管屡次出现延迟交付的情况,但美国空军坚持积极推进“天基红外系统”的构建。目前“天基红外系统” GEO-1和GEO-2已在轨运行并具备作战能力,GEO-3和GEO-4预计2016和2017年发射,GEO-1和GEO-2的后继卫星GEO-5和GEO-6也在研制中;“天基红外系统”大椭圆轨道(HEO)有效载荷HEO-2、HEO-2和HEO-3已相继发射并在轨运行,HEO-4也已研制完成。然而,“天基跟踪与监视系统”(STSS)低轨星座项目卫星数量需求大、星座管理复杂且成本高,而且存在难以跨越的技术障碍难题,自STSS项目提出以来,美军一直维持着对STSS低轨预警系统的有限度发展,目前仅有2颗卫星在轨演示验证。

(二)系统体系结构倾向于功能分解、多轨道、多作战域部署

随着空间安全环境的变化,美军空间系统面临的威胁不断加剧,脆弱性日益增强,加上国防预算削减的影响,将难以继续沿用旧有的空间体系。2013年8月,美空军航天司令部发布《弹性与分散式空间系统体系结构》。为了实现分散式空间系统体系结构,美军在白皮书中规划了五种途径:结构分离、功能分解、有效载荷搭载、多轨道部署、多作战域部署。美国空军已着手考虑下一代天基预警系统体系架构,采取了其中多种模式。功能分解方面,美国空军希望下一代卫星能够将战略预警和战术预警能力进行分解,但预算的缩减迫使美国空军将未来导弹预警系统的重点关注集中于战略威胁任务;有效载荷搭载方面,美空军提出了商业搭载有效载荷方案,研究在商业卫星上搭载军事专用有效载荷的技术,以实现利用商业卫星快速、灵活的搭载军用载荷的目标;多轨道部署方面,美军在高中低轨均部署有预警卫星;多作战域部署方面,美军积极将天基预警系统与地基、海基红外传感器联合使用,提高发射探测和导弹跟踪能力。

(三)高度重视发展宽视场传感器技术

美空军在2015和2016财年预算申请中,分别为研制宽视场传感器申请了2900万美元和5100万美元的经费。预算文件显示,美国空军正在考虑开发6度和9度视场试验型传感器。美国空军尤为重视宽视场传感器试验,认为这些试验不仅有助于为空军下一代“天基红外系统”评估任务架构,还有助于空军开发算法,以处理升级版传感器焦平面技术所提供的大量数据。L-3通信公司在2014年获得一份价值1300万美元的合同,用于研发6度视场传感器。2016财年预算申请的5100万美元经费中,其中1100万美元用于发射、校准和在轨校验6度视场试验型传感器以及相关地面系统工作,4000万美元用于将该有效载荷集成至卫星。

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