天基紅外系統(tǒng)：美新一代反導(dǎo)“天眼”

文/蘭順正

▲ 天基紅外系統(tǒng)地球靜止軌道衛(wèi)星

2022年8月4日，美國第6顆“天基紅外系統(tǒng)”（SBIRS）地球靜止軌道衛(wèi)星搭乘“宇宙神-5”運載火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角航天中心發(fā)射升空。該衛(wèi)星是“天基紅外系統(tǒng)”最后一顆入軌衛(wèi)星，軌道高度約為35400千米，由洛·馬公司制造。此次發(fā)射也標(biāo)志著美國“天基紅外系統(tǒng)”已正式部署完畢。

國防支援計劃的繼任者

“國防支援計劃”（DSP）預(yù)警衛(wèi)星共發(fā)展了3代，首顆衛(wèi)星于1970年11月6日發(fā)射，至今共發(fā)射了23顆，最后一顆是2007年發(fā)射的。由于“國防支持計劃”是冷戰(zhàn)時期的產(chǎn)物，本身是為戰(zhàn)略導(dǎo)彈的預(yù)警而設(shè)計的，因而軌道單一、探測手段單一、數(shù)據(jù)處理手段單一，且對于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的發(fā)射存在預(yù)警時間短、虛警率高、漏報多等問題。為此，美國于1995年提出發(fā)展天基紅外系統(tǒng)，以取代日漸老化的“國防支援計劃”。

天基紅外系統(tǒng)最初的構(gòu)建方案包括高軌部分和低軌部分，其中高軌部分負責(zé)對來襲導(dǎo)彈助推段的探測與跟蹤；低軌部分負責(zé)對導(dǎo)彈中段和再入段的跟蹤，以及彈頭識別。不過在2002年，美國調(diào)整天基預(yù)警衛(wèi)星發(fā)展計劃，將低軌部分拆分成獨立的“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”（STSS），高軌部分則保留天基紅外系統(tǒng)的名稱。

空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)主要設(shè)計用于跟蹤全球范圍內(nèi)的、從發(fā)射到再入的彈道導(dǎo)彈，并將處理后的數(shù)據(jù)提供給攔截彈，以引導(dǎo)攔截彈的飛行，此外還可輔助用于空間態(tài)勢感知、技術(shù)情報以及戰(zhàn)場評估等。但在2022年隨著兩顆空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)演示驗證衛(wèi)星的退役，該項目正式終止。

而天基紅外系統(tǒng)承擔(dān)了導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈防御、戰(zhàn)場態(tài)勢感知和提供技術(shù)情報（描述導(dǎo)彈特征所需的數(shù)據(jù)及其他目標(biāo)數(shù)據(jù)）四類任務(wù)，具體包括：提供更快、更準(zhǔn)確的戰(zhàn)略和戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈發(fā)射報告；為導(dǎo)彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)能力提供有效支持；分析各類紅外信號的特征數(shù)據(jù)以進行快速判別；更好地了解戰(zhàn)場態(tài)勢，為打擊任務(wù)規(guī)劃、作戰(zhàn)力量防護提供支持等。

▲ 宇宙神-5運載火箭發(fā)射第6顆天基紅外系統(tǒng)地球靜止軌道衛(wèi)星任務(wù)海報

天基紅外系統(tǒng)的組成及功能

天基紅外系統(tǒng)由空間和地面兩部分組成，空間部分包括4顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和4顆大橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星；地面部分包括主用和備用控制站、主用和備用中繼站、固定式和移動式處理系統(tǒng)等。

地球靜止軌道衛(wèi)星主要用于探測和發(fā)現(xiàn)處于助推段的導(dǎo)彈，該型衛(wèi)星的載荷約450千克，包括高速掃描紅外探測器和高分辨率凝視紅外探測器，它們均為近紅外、中紅外和地面可見光波段三色紅外探測器，使用被動輻射制冷方式，并通過短施密特雙光學(xué)望遠鏡觀察地面，指向靈敏度高達0.05°。掃描探測器采用小平面陣列，不斷掃描地球的北半球和南半球，可全天候、全天時提供整片區(qū)域的大體圖像；視型傳感器使用一個正方形或長方形焦平面陣列連續(xù)地觀測一個特定區(qū)域，并檢測其紅外輻射的變化。

大橢圓軌道衛(wèi)星的主要任務(wù)在于對北極附近地區(qū)進行戰(zhàn)略和戰(zhàn)區(qū)監(jiān)視，以大幅擴大天基紅外系統(tǒng)的偵察范圍。該衛(wèi)星的載荷也為掃描型紅外傳感器，重270千克，集成了近紅外、中紅外和地面可見波段三色探測器芯片。該傳感器通過雙軸驅(qū)動的施密特望遠鏡觀察地面，利用萬向節(jié)靈活設(shè)置觀察方向，從而獲得導(dǎo)彈發(fā)射點、軌跡和落點準(zhǔn)確的紅外數(shù)據(jù)，所采集的原始數(shù)據(jù)會以100Mbps的速率全部直接下傳到地面處理中心后再進行處理。大橢圓軌道衛(wèi)星采用“閃電軌道”，該軌道因蘇聯(lián)閃電型通信衛(wèi)星首次使用而得名，特點是在遠地點附近停留的時間很長，而且遠地點附近在北半球有很好的可見度，適用于對北半球進行監(jiān)視任務(wù)。大橢圓軌道衛(wèi)星提高了天基紅外系統(tǒng)對北半球高緯度地區(qū)，尤其是北極地區(qū)洲際導(dǎo)彈和潛射導(dǎo)彈發(fā)射的監(jiān)視能力。根據(jù)模擬，2顆大橢圓軌道衛(wèi)星即可保證任意時刻都有一顆衛(wèi)星對北緯75度以北的北極地區(qū)進行監(jiān)視。

▲ “國防支援計劃”預(yù)警衛(wèi)星在軌飛行示意圖

▲ “空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星示意圖

天基紅外系統(tǒng)在地面上的控制和中繼設(shè)施分為地面固定式和機動式兩大類。固定式系統(tǒng)作為主力裝備由美國空軍太空司令部第460部隊管理運行；機動式系統(tǒng)作為輔助裝備由美國空軍國家警衛(wèi)隊第233部隊負責(zé)，以提供可生存、可持續(xù)的任務(wù)支援。天基紅外系統(tǒng)最核心的地面設(shè)施位于科羅拉多州巴克利空軍基地的主任務(wù)控制站，該控制站負責(zé)接收和處理天基紅外系統(tǒng)的信息與數(shù)據(jù)，并統(tǒng)管衛(wèi)星和載荷的任務(wù)規(guī)劃與分配。一旦檢測到國外導(dǎo)彈發(fā)射等重大活動，地面控制站會先將信息傳輸?shù)教账玖畈?，隨后再傳送到北美航空防御司令部和軍方其他相關(guān)部門，由他們判定威脅等級并給出防御對策。

▲ 2017年1月，宇宙神-5運載火箭將GEO-3衛(wèi)星送入太空

相比于“國防支援計劃”，天基紅外系統(tǒng)的預(yù)警能力得到了大幅提高。早期的“國防支援計劃”使用短紅外和可見光探測，無法克服云層反光的虛警問題，后來雖然演進到雙色紅外波段，但6000單元一維線陣列的視場和分辨率并不理想，雖然足以滿足探測巨大尾焰的遠程和洲際彈道導(dǎo)彈的需求，但對中短程戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈則有些力有不逮。而天基紅外系統(tǒng)解決了“國防支援計劃”預(yù)警時間短、虛警率高、漏報多的問題，它結(jié)合了掃描型和凝視型探測器的優(yōu)勢，掃描速度和靈敏度比“國防支援計劃”提高了10倍以上，可在導(dǎo)彈發(fā)射后10～20秒內(nèi)將預(yù)警信息傳遞給指揮控制系統(tǒng)，并對助推段導(dǎo)彈進行穩(wěn)定、可靠的跟蹤，為后續(xù)反導(dǎo)傳感器提供關(guān)鍵的目標(biāo)指示；同時，天基紅外系統(tǒng)在設(shè)計時一并考慮了對洲際導(dǎo)彈、遠程導(dǎo)彈和中近程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的探測跟蹤能力，它對陸基洲際導(dǎo)彈的預(yù)警時間達26分鐘，對潛射導(dǎo)彈的預(yù)警時間為15分鐘，對陸基戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的預(yù)警時間為4～5分鐘；另外，天基紅外系統(tǒng)還彌補了“國防支援計劃”在北極附近的探測盲區(qū)，實現(xiàn)了導(dǎo)彈預(yù)警的全球覆蓋。

2011年5月，美國發(fā)射了天基紅外系統(tǒng)的首顆地球靜止軌道衛(wèi)星GEO-1，并于2012年11月投入作戰(zhàn)應(yīng)用。隨后，GEO-2、3、4分別于2013年3月、2017年1月、2018年1月發(fā)射升空，這4顆衛(wèi)星均采用的是洛·馬公司研發(fā)的A2100衛(wèi)星平臺。2021年5月，第5顆地球靜止軌道衛(wèi)星GEO-5發(fā)射升空，以替換GEO-1。GEO-5采用的LM2100衛(wèi)星平臺是A2100平臺的升級版本，共有26項改進，增強了動力和機動性。此次發(fā)射的第6顆地球靜止軌道衛(wèi)星GEO-6據(jù)估計也應(yīng)該采用了LM2100衛(wèi)星平臺，為的是替換2013年部署的第2顆地球靜止軌道衛(wèi)星GEO-2。

▲ 準(zhǔn)備裝入整流罩中的GEO-4衛(wèi)星

▲ 采用LM2100衛(wèi)星平臺的 GEO-5衛(wèi)星準(zhǔn)備進入熱真空實驗室測試

2006年6月，第一顆天基紅外系統(tǒng)大橢圓軌道衛(wèi)星HEO-1搭載在NROL-22偵察衛(wèi)星上發(fā)射升空，并在軌完成了性能測試，隨后交付美軍投入作戰(zhàn)應(yīng)用。2008年3月，HEO-2搭載NROL-28偵察衛(wèi)星以同樣方式入軌運行。數(shù)年之后，HEO-3搭載NROL-35偵察衛(wèi)星、HEO-4搭載NROL-42偵察衛(wèi)星分別于2014年和2017年發(fā)射入軌，至此完成了4顆大橢圓軌道衛(wèi)星的在軌部署。

從之前的報道看，天基紅外系統(tǒng)的地球靜止軌道衛(wèi)星和大橢圓軌道衛(wèi)星性能都有超出預(yù)期的表現(xiàn)，此次天基紅外系統(tǒng)的部署完畢無疑將顯著提高美國及其盟友對彈道導(dǎo)彈襲擊的預(yù)警能力，從而削弱潛在競爭對手的相關(guān)威懾能力。