美国天基导弹预警跟踪系统发展动向

方勇 （中国国防科技信息中心）

美国天基导弹预警跟踪系统发展动向

The Development of US Space-based Missile Warning and Track System

方勇 （中国国防科技信息中心）

天基预警跟踪系统具有高视角、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。2017年1月，美国“天基红外系统”（SBlRS）第三颗地球静止轨道（GEO）卫星发射入轨。美国总统特朗普在竞选期间提出，美国弹道导弹防御系统未来将重点发展天基导弹预警和跟踪技术。2017年6月，美国国会众议院武装力量委员会发布《2018财年国防授权法案》，要求国防部尽快制定天基导弹防御战略，重点是明确未来天基导弹预警探测器如何发展，并对其研制和部署成本进行评估。上述动向表明，天基系统已成为美国导弹预警跟踪系统发展的重点之一。

1 发展现状

目前，美国天基导弹预警跟踪系统主要由仍在役的“国防支援计划”（DSP）星座、正在建设中的“天基红外系统”星座和“空间跟踪与监视系统”（STSS）星座、尚处于技术探索阶段的“天基杀伤评估”（SKA）系统等组成，已初步构建起高低轨相结合、预警探测跟踪与杀伤评估一体的天基预警跟踪系统。

“国防支援计划”卫星

“国防支援计划”卫星系统是美国第一种实战部署的预警卫星系统，该系统已发展三代共23颗卫星，目前仅有4颗卫星在轨服役，运行在地球同步轨道（GSO）上。“国防支援计划”卫星经过4次改进，卫星性能不断提高，由最初只能用于探测远程战略弹道导弹发射，到1991年海湾战争时，已经能够用于探测伊拉克发射的战区弹道导弹。随着导弹技术的发展（如诱饵、中段机动、多目标等技术），加之“国防支援计划”卫星研制较早，在性能上无法满足当前和未来弹道导弹防御作战需要，如无法跟踪中段飞行导弹、扫描速度慢、虚警率高、预警时间短等。为此，美国正在发展“天基红外系统”，以逐步取代“国防支援计划”系统。

美国在“国防支援计划”预警卫星上的主要载荷有2种：一种是红外望远镜，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/秒的速度在地面电视屏幕上显示导弹尾焰图像的运动轨迹。

“天基红外系统”

美国1995年提出发展“天基红外系统”，以取代“国防支援计划”卫星。最初目标是构建由4颗地球静止轨道（GEO）卫星、2个大椭圆轨道（HEO）有效载荷和2 4颗低地球轨道（LEO）卫星组成的新一代预警卫星系统星座。2002年，“天基红外系统”低轨计划因耗资过大而被取消，高轨部分仍由美国空军负责，称为“天基红外系统”，由4颗GEO卫星和2个HEO轨道载荷组成。其中，GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹，HEO载荷用于将系统的预警覆盖范围扩展到南北两极。

“天基红外系统”计划并未因为其低轨计划的剥离而顺利推进，而是遭遇严重的“拖降涨”问题。其中，2个HEO轨道载荷均推迟交付。HEO-1卫星有效载荷在2006年6月搭载美国国家侦察局（NRO）的USA-184卫星发射入轨，进度拖延18个月；HEO-2卫星有效载荷于2008年3月搭载美国国家侦察局USA-200卫星发射入轨，进度拖延21个月。GEO轨道卫星的交付时间更为滞后，3颗GEO卫星分别于2011年5月、2013年3月和2017年1月发射。

“天基红外系统”GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段飞行的弹道导弹，带有凝视型和扫描型2种红外探测器。扫描型探测器用于对地球南北半球进行大范围扫描，通过探测导弹发射时喷出的尾焰对导弹发射情况进行监视；凝视型探测器用于将导弹的发射画面拉近放大，并紧盯可疑目标，获取详细的目标信息。2种探测器独立接受任务指令，意味着这2种探测器可以同时工作，即在扫描广大区域的同时，对重点区域进行详细观察。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，可在导弹发射后10～20s内将警报信息传送给部队。HEO轨道载荷可将系统的预警能力扩展到南北两极地区。

“空间跟踪与监视系统”

“天基红外系统”低轨部分起初由美国空军主管，由于存在较大技术风险，2002年更名为“空间跟踪与监视系统”，并由美国空军移交给导弹防御局（MDA）。“空间跟踪与监视系统”计划的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，能够区分真假弹头，能够将跟踪数据传输给指挥控制系统，以引导雷达跟踪目标，并能提供拦截效果评估。由于技术风险和经费投入过大，美国国会要求调整计划，最终仅批准先发射2颗卫星进行技术演示验证试验。2002年8月，美国导弹防御局授予诺斯罗普·格鲁曼公司价值8.69亿美元的合同，研制2颗演示验证卫星，并建造地面控制站等。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。

“空间跟踪与监视系统”2颗演示验证卫星入轨后，多次参与美国一系列导弹拦截试验，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。2011年4月，“空间跟踪与监视系统”的1颗卫星捕获到发射后处于飞行中段的靶弹，利用星间链路提示另一颗卫星进行立体跟踪并相互传递数据，首次演示验证了对弹道导弹的全程跟踪能力。2013年2月，美国导弹防御局和海军进行的标准导弹飞行试验-20中，“空间跟踪与监视系统”卫星利用其精确跟踪能力，首次为“宙斯盾”（Aegis）弹道导弹防御系统提供了目标指示，并为标准-3-1A拦截弹制定火控方案。“空间跟踪与监视系统”可以为导弹拦截系统提供更准确、及时的预警信息，与拦截弹形成火力控制的闭环回路，将使“宙斯盾”系统有能力在靶弹进入探测范围前发射拦截弹，支持更早、更准确的拦截，大大扩展了整个导弹防御区域。

“空间跟踪与监视系统”卫星具有以下功能。一是全天时全球覆盖。该卫星的跟踪过程是：当第一颗卫星所跟踪目标离开视线后，可以将目标位置告知第二颗卫星，第二颗卫星继续跟踪目标并将有关引导信息提供给反导拦截部队，必要时可以在整个星座中继续传递下去，直到目标被摧毁或无法探测为止。二是弹道全程跟踪。“空间跟踪与监视系统”具备对弹道导弹助推段、中段和再入段的弹道全程跟踪能力，相比之下，“国防支援计划”和“天基红外系统”只能探测到弹道导弹助推段尾焰。三是立体跟踪。2颗及2颗以上“空间跟踪与监视系统”卫星通过重叠覆盖，可以实现类似人类双眼视觉的立体式跟踪，大大提高了对目标的定位和跟踪能力，更有效支持导弹拦截。四是真假弹头识别。“空间跟踪与监视系统”卫星在对弹道导弹进行全程跟踪时，还能分辨出弹头与诱饵，该卫星主要是通过光谱等信息进行识别。

“空间跟踪与监视系统”卫星搭载了捕获探测器和跟踪探测器。捕获探测器是一种宽视场扫描型短波红外探测器，可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，一旦捕获探测器锁定目标，信息将传送给跟踪探测器；跟踪探测器是一种窄视场、高精度凝视型多色（中波、中长波、长波红外及可见光）探测器，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。整个“空间跟踪与监视系统”星座将利用卫星内部的星间链路连接在一起，每对卫星通过60MHz的星间链路相互通信。

“天基杀伤评估”系统

“天基杀伤评估”系统是美国导弹防御局正在开展的导弹拦截效果评估实验系统。该系统通过在商业卫星上搭载托管载荷，用于评估导弹拦截是否成功。负责研制“天基杀伤评估”系统载荷的美国约翰·霍普金斯应用物理实验室研究人员指出，正在开发的杀伤评估载荷需要回答以下问题：拦截弹是否与目标碰撞？是否拦截了所希望拦截的目标？拦截目标携带何种载荷（核、高爆炸药、化学或生物武器）？拦截弹是否使载荷不再具备杀伤能力？导弹防御局认为，“天基杀伤评估”系统可以确认来袭导弹是否已被有效摧毁，从而无需再发射更多拦截弹进行拦截，达到降低成本并提高作战效能的目的。

“天基杀伤评估”探测器包括3个单像素光敏二极管，质量约10kg，将搭载在商业卫星上。导弹防御局评估认为，“宙斯盾”弹道导弹防御项目表明，光电/红外探测器是最适宜用于毁伤评估的探测器。“天基杀伤评估”探测器将主要依靠导弹防御指挥控制系统提供的预计拦截点位置信息，预先定位探测器可观测拦截碰撞所产生的可见光和红外光，通过观测碰撞-杀伤拦截所产生破片云的闪光或热辐射的可见光或红外光谱，对拦截弹的毁伤效果及来袭导弹的载荷类型进行评估。

美国国防部《2014财年国防授权法案》提出，“导弹防御局应提高地基中段导弹防御系统杀伤评估能力”。2014年4月，导弹防御局启动“天基杀伤评估”系统项目，前期工作由2013年取消的“精确跟踪太空系统”项目剩余经费提供部分资金。目前，最有可能搭载“天基杀伤评估”系统载荷的商业卫星是“铱”（Iridium）卫星系统。美国计划2017年9月发射10颗“铱”卫星，最终将构建起由66颗在轨卫星和4颗备份卫星组成的“铱”卫星系统。“铱”卫星将运行在高780km的6个近圆轨道上，每个轨道面将部署11颗卫星，每颗卫星装有专用的托管载荷舱。由于“天基杀伤评估”系统载荷只有10kg，因此每颗卫星可容纳多个载荷。

2 性能特点

战略预警与战区预警相结合

美国现在部署的天基预警系统已经不再是只能用于探测远程战略弹道导弹的“战略导弹预警系统”，也能探测战区弹道导弹，满足区域防御作战的需要。由于能够探测远程导弹发射的预警卫星，不一定能够探测到战区弹道导弹发射，而能够探测到战区弹道导弹发射的预警卫星，则肯定能探测到远程战略弹道导弹发射，所以美国战略司令部现在已将其部署的预警卫星系统改称为“战区弹道导弹预警系统”。

采用双探测器体制

“天基红外系统”卫星最大的改进是采用双探测器方案，每颗卫星载有1台高速扫描型探测器和与之互补的高分辨率凝视型探测器。双探测器协同工作，除具备战略导弹预警能力外，还有效增强了探测战术弹道导弹能力。“空间跟踪与监视系统”卫星装有捕获探测器和跟踪探测器，其中捕获探测器可以捕获助推段弹道导弹尾焰，跟踪探测器可实现对弹道导弹飞行中段的持续跟踪。2种探测器协同工作，可以实现对弹道导弹的全程跟踪。通过2种探测器分工协作，可对全球范围内导弹发射进行不间断监视与监测，并提供导弹发射的准确时间和地点，估计其攻击的准确地点，在10～20s内将警报信息传到地面，使防御系统和拦截导弹尽早进入工作状态。

采用多种卫星轨道相结合

高轨道卫星（如GEO轨道卫星和HEO轨道卫星）星座地面覆盖面积大，但其地面分辨率相对较低，可用于发现导弹的发射并探测导弹助推段的飞行，提供弹道导弹的发射位置、发射时间和导弹类型的初始信息；低轨道卫星星座成本低、地面分辨率高，可用于对导弹飞行中段和再入段的连续跟踪，提供弹道参数信息并进行真假目标识别。美国导弹预警跟踪卫星系统的轨道类型，已由原来的单一轨道向多种轨道类型组合发展。美国早期的“国防支援计划”预警卫星采用GSO轨道，“天基红外系统”卫星采用的是GEO轨道和HEO轨道相结合，“空间跟踪与监视系统”卫星采用的是LEO轨道。通过GEO轨道与HEO轨道相结合、高轨道与低轨道相结合，大幅提升了导弹预警卫星的预警能力。

采用多种探测波段

随着预警探测技术的发展，美国天基导弹预警跟踪系统星载探测器的探测波段，经历了由单一波段向多波段拓展的过程。早期“国防支援计划”预警卫星主要采用以中短波红外传感器为主，该传感器不仅造成虚警率高，而且只能观测到导弹在助推段时羽焰所发出的红外辐射信号。当导弹助推段结束进入自由飞行时，弹体温度急剧下降，红外探测器的作用就微乎其微。而“空间跟踪与监视系统”卫星搭载的探测器可工作在短波、中波、中长波和长波红外及可见光等多个波段，预警信息更为丰富，有利于识别假目标，可降低虚警概率，提高发现概率。其中，捕获相机采用红外短波波段对地进行大视场扫描捕获主动段目标，捕获目标后将目标交接给采用中长波红外波段的小视场跟踪相机，对中段冷弹头进行接续跟踪，从而实现对目标的全程跟踪监视。

3 发展趋势

向多功能方向发展

美国天基弹道导弹预警跟踪系统正向“多种功能、多种手段、多种层次、协同预警、全程覆盖”的方向发展。

在预警能力上，美国天基预警卫星不仅具备战略弹道导弹预警能力，还具备了战术导弹预警能力。在跟踪能力上，从弹道导弹的助推段跟踪向末助推段、中段和再入段全程跟踪发展，从单纯跟踪向弹道立体跟踪发展，可提供精确的弹道预报信息。在能力拓展上，美国天基导弹预警跟踪系统正在从原来主要用于导弹预警，向发射探测、跟踪识别、杀伤评估及空间态势感知等多功能一体化方向发展。“空间跟踪与监视系统”卫星和“天基杀伤评估”系统的研制，将使美国在具备导弹预警能力外，还将具备导弹跟踪与拦截效果评估能力。美国还在考虑天基导弹预警跟踪与空间态势感知能力一体化。2010年7月，“空间跟踪与监视系统”卫星跟踪相机在事先知道卫星位置与轨道条件下，利用其多个红外波段跟踪到1颗极地轨道卫星——美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的诺阿-17（NOAA-17），并观测到卫星交会情况，首次实现对空间目标的监视。未来，美国导弹防御局还将加强与空军合作，使下一代天基导弹预警跟踪系统具备更强的空间态势感知能力。

采用弹性分散式体系结构

为应对日趋复杂的太空安全环境变化，美国空军在下一代导弹预警卫星系统体系架构设计中，纳入分散式体系结构理念，即利用“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”的方式，实现弹性与分散式空间系统体系结构。在功能分解方面，美国谋求将“天基红外系统”卫星的战略预警载荷（核指挥控制和导弹预警）和战区预警载荷分开部署，以降低遭攻击的风险；在有效载荷搭载方面，美国空军正在研究模块化导弹预警载荷，将其搭载在包括商业卫星在内的多种卫星平台上；在多轨道部署方面，美军在高轨、低轨和HEO轨道上均部署有预警卫星；在多作战域部署方面，美军积极推进天基预警卫星系统与地基、海基导弹预警传感器的整体使用，提高发射探测和导弹跟踪能力。

发展新一代导弹预警卫星技术

为最大限度降低“天基红外系统”的技术风险并为未来做技术储备，美国已开始预研第三代导弹预警卫星（3GIRS），重点发展商业卫星搭载预警载荷和宽视场探测器技术。

美国空军已完成首个搭载商业通信卫星上的“商业搭载红外有效载荷”（CHIRP）的早期在轨试验，所搭载的欧洲卫星公司-2（SES-2）卫星于2011年9月发射升空。“商业搭载红外有效载荷”是一个宽视场红外凝视系统，是一个能从GEO轨道观测1/4地球的望远镜，可在4个特殊光谱带进行高帧频成像，同时降低成本和复杂性，用于探测运载火箭或弹道导弹在发射期间的尾焰羽流。该试验一方面验证了在商业卫星上搭载导弹预警载荷的可行性，另一方面表明需开展更多的宽视场探测器、算法及数据处理技术在轨试验。美国空军2015财年为“天基红外系统”现代化改造申请了2900万美元，用于宽视场探测器的研发。预算文件显示，美国空军正考虑开展2项单独的项目以研发2个试验传感器，分别是6°视场和9°视场探测器。

发展针对高超声速滑翔武器的天基跟踪能力

为应对日益严峻的高超声速武器威胁，2017年3月，美国导弹防御局启动“天基微型探测器试验”（OMniSciEnT）项目，发展2颗50千克级LEO轨道卫星，采用双星验证对高超声速滑翔武器的探测与跟踪。卫星设计寿命5年，基于模块化设计，采用开放式系统架构，运行轨道在高1000km以下，计划2～3年发射。验证内容包括：探测器宽视场凝视、实时数据传输通信、精确指向、自主运行，以及存储与转发等。天基微型探测器一旦成熟，将发展成覆盖热点区域、最终覆盖全球的完整的LEO轨道星座，将填补对高超声速滑翔武器天基跟踪体系的空白。