美天基導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤能力發(fā)展淺析

郭凱 崔瀟瀟 汪琦 任飛 魏晨曦 史蕾 陸怡婕 倪志釗

（1北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 2航天恒星科技有限公司）

當(dāng)前，美天基導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤系統(tǒng)被視為可提供最先進(jìn)的導(dǎo)彈預(yù)警能力。俄羅斯等國正在加緊部署下一代高超聲速、低空飛行導(dǎo)彈，并在研制反衛(wèi)武器和其他反太空系統(tǒng)。而美軍當(dāng)前的地基、天基系統(tǒng)無法有效應(yīng)對上述威脅。本文探究了美天基導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤能力發(fā)展動向，聚焦其面臨的威脅與挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略，淺析其未來發(fā)展趨勢。

1 美天基導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤系統(tǒng)現(xiàn)階段能力

20世紀(jì)70年代以來，美軍先后發(fā)展了“國防支援計劃”（DSP）、“天基紅外系統(tǒng)”（SBIRS）和“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”（STSS），已形成高、低軌結(jié)合，預(yù)警、跟蹤和識別功能復(fù)合，性能先進(jìn)的預(yù)警衛(wèi)星體系，為美國提供強(qiáng)大的彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力。

2020年6月，美國太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心與諾格公司（NG）簽訂了價值2.225億美元的合同，對“國防支援計劃”預(yù)警衛(wèi)星進(jìn)行技術(shù)升級，并將使該星座使用壽命延 長 至2030年。2022年8月4日，SBIRS-GEO－6的成功發(fā)射標(biāo)志著SBIRS系統(tǒng)已部署完畢，將有效提升美導(dǎo)彈預(yù)警能力。繼SBIRS系統(tǒng)之后,美軍又規(guī)劃了“下一代過頂持續(xù)紅外”（Next-Gen OPIR）系統(tǒng)。

SBIRS-GEO－6示意圖

OPIR衛(wèi)星示意圖

SBIRS系統(tǒng)衛(wèi)星/載荷發(fā)射情況統(tǒng)計表

系統(tǒng)概述

OPIR系統(tǒng)作為SBIRS系統(tǒng)能力的補(bǔ)充并最終取代SBIRS系統(tǒng)。OPIR衛(wèi)星主要用于監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)敵方的戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈，并在導(dǎo)彈發(fā)射時發(fā)出警報。

（1）星座構(gòu)成和研制計劃

Next-Gen OPIR項(xiàng)目分為Block 0和Block 1兩個階段。Block 0階段有3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和2顆在大橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星。首顆GEO衛(wèi)星預(yù)計2025年發(fā)射；首顆HEO衛(wèi)星預(yù)計2027年發(fā)射。預(yù)計2029年完成5顆衛(wèi)星組網(wǎng)，補(bǔ)充現(xiàn)役SBIRS系統(tǒng)，為美軍及其盟友提供彈道導(dǎo)彈及戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的早期預(yù)警功能。

OPIR星座組成

（2）系統(tǒng)性能

美軍積極尋求基于創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)建新體系，旨在提升體系抗毀能力，并力爭2030年完成業(yè)務(wù)星部署。在OPIR系統(tǒng)的Block 1階段，將與在軌道上的Block 0衛(wèi)星協(xié)同工作。與現(xiàn)役的SBIRS衛(wèi)星相比，OPIR衛(wèi)星的特點(diǎn)是加強(qiáng)了探測能力，同時在面對反衛(wèi)星武器威脅的時候有更高的生存力特征，從網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化到在軌機(jī)動，使其能夠在太空競爭環(huán)境中發(fā)揮作用。OPIR主要在以下幾個方面增強(qiáng)系統(tǒng)能力：①利用大面陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)多域多目標(biāo)預(yù)警跟蹤能力；②將預(yù)警對象擴(kuò)展到高超武器；③增強(qiáng)全球紅外事件的感知能力；④利用軌道設(shè)計增加燃料攜帶，增強(qiáng)系統(tǒng)的機(jī)動能力。OPIR完成部署并投入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中后，將直接在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面支持反導(dǎo)作戰(zhàn)，將對“導(dǎo)彈中心戰(zhàn)”帶來極大的影響。

有效載荷研制整體進(jìn)展

OPIR系統(tǒng)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(dǎo)彈的發(fā)射，還能探測和跟蹤小型地空導(dǎo)彈、助推滑翔及吸氣式高超聲速武器，甚至空空導(dǎo)彈的發(fā)射。Block 0階段的衛(wèi)星有效載荷研制由雷神情報與空間公司（RIS）和諾格公司與鮑爾航空航天公司組合團(tuán)隊（NG-Ball Aerospace）承包，分別設(shè)計、制造、組裝、集成和交付1臺任務(wù)載荷，用于前兩顆GEO預(yù)警衛(wèi)星。

為保障OPIR預(yù)警衛(wèi)星星座的建設(shè)，美軍太空發(fā)展局（SDA）也在發(fā)展一項(xiàng)初期導(dǎo)彈預(yù)警網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，作為下一代天基預(yù)警傳感器的試驗(yàn)臺，該計劃最終部署由70顆寬視場（WFOV）衛(wèi)星組成的大型星座。

2022年7月2日，美天軍發(fā)射了一顆WFOV衛(wèi)星，該衛(wèi)星由美國L3-哈里斯技術(shù)公司（L3-Harris）負(fù)責(zé)研發(fā)和建造，其設(shè)計任務(wù)壽命為3～5年，總質(zhì)量達(dá)3t，該任務(wù)旨在解決Next-Gen OPIR系統(tǒng)研發(fā)過程中的技術(shù)問題,包括測試新的大尺寸焦平面紅外傳感器、開發(fā)地面算法以處理傳感器數(shù)據(jù)等。WFOV衛(wèi)星裝載一個紅外光學(xué)凝視儀，用于探測導(dǎo)彈發(fā)射時的排氣羽流，測試廣域傳感器在未來軍事行動預(yù)警系統(tǒng)中的使用。

WFOV測試平臺空間想象圖

OPIR預(yù)警衛(wèi)星未來應(yīng)用

下一代OPIR預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)項(xiàng)目通過改進(jìn)導(dǎo)彈預(yù)警能力，來以更高生存能力應(yīng)對新出現(xiàn)的各種空間威脅。目前美軍已經(jīng)形成了成像偵察衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星和導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星三位一體的偵察預(yù)警衛(wèi)星體系。美軍現(xiàn)有的SBIRS空間預(yù)警系統(tǒng)一直在改進(jìn)與完善中，下一代OPIR預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)首顆衛(wèi)星即將發(fā)射，一旦整個系統(tǒng)完成實(shí)戰(zhàn)部署，可直接在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面上支持反導(dǎo)作戰(zhàn)，必將對美軍主要競爭對手戰(zhàn)略威懾力、導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)運(yùn)用構(gòu)成重大不利影響。由此可見，美軍計劃開發(fā)的下一代OPIR預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)對于當(dāng)前他國正在研究的高超音速滑翔彈頭威脅非常大，甚至可能成為未來美軍太空軍發(fā)展的重要太空支點(diǎn)。

2 美天基導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤系統(tǒng)面臨的威脅、挑戰(zhàn)與對策

威脅與挑戰(zhàn)

（1）應(yīng)對跟蹤高超聲速武器的挑戰(zhàn)

1）多種發(fā)射選項(xiàng)和不可預(yù)測的飛行路徑。高超聲速武器可從機(jī)載飛機(jī)、艦艇和陸基移動發(fā)射器等各種平臺發(fā)射，可作為部分軌道轟炸系統(tǒng)的一部分進(jìn)行部署，這意味著與初始助推器火箭分離的高超聲速武器不會產(chǎn)生足夠強(qiáng)烈的紅外信號，目前美軍地面相控陣?yán)走_(dá)以及GEO和HEO上部署的衛(wèi)星傳感器無法探測到。高超聲速武器還具備遠(yuǎn)程機(jī)動打擊多個目標(biāo)的能力，同樣也使目標(biāo)風(fēng)險增加。

2）可低空飛行。新型高超聲速導(dǎo)彈系統(tǒng)可在比洲際彈道導(dǎo)彈低得多的高度飛行，一些高超聲速導(dǎo)彈可以離地球表面30～50km處飛行，甚至更低，這意味著在地球曲率影響下，其飛行高度可能位于當(dāng)今雷達(dá)預(yù)警體系有效覆蓋的區(qū)域之外。目前的雷達(dá)和天基紅外傳感器系統(tǒng)無法對保持低空飛行的高超聲速武器進(jìn)行跟蹤。

3）速度。一般來說，武器速度越快，防御者探測攻擊、確定其可能目標(biāo)，然后決定適當(dāng)對策的時間就越少。目前的陸基和天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)無法為美軍和盟國人員提供足夠的預(yù)警時間。

除高超聲速導(dǎo)彈外，美軍還面臨其他各種類型導(dǎo)彈的威脅，這些導(dǎo)彈的機(jī)動性將越來越強(qiáng)，飛行高度將越來越低，飛行速度可從亞聲速到高超聲速不等。國防部未來的天基導(dǎo)彈防御系統(tǒng)必須能夠?qū)@些威脅提供早期預(yù)警，并向國內(nèi)外的防空與導(dǎo)彈防御系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。

（2）在對抗性太空領(lǐng)域作戰(zhàn)所面臨的挑戰(zhàn)

俄羅斯等大國認(rèn)為美軍的天基資產(chǎn)是高價值目標(biāo)，可在危機(jī)中威脅脅迫美軍，或在沖突中發(fā)動攻擊以實(shí)現(xiàn)太空優(yōu)勢。俄羅斯已部署對抗GPS導(dǎo)航信號、戰(zhàn)術(shù)通信、衛(wèi)星通信和雷達(dá)的陸基系統(tǒng)等非動能選項(xiàng)，并一直在尋求激光等陸基定向能武器，以破壞、降級或摧毀衛(wèi)星及各種傳感器。俄羅斯還在開發(fā)機(jī)載激光平臺，以對抗天基導(dǎo)彈預(yù)警傳感器。俄羅斯已開發(fā)動能反衛(wèi)星武器和其他太空武器，并已演示驗(yàn)證幾種反衛(wèi)星導(dǎo)彈，這些導(dǎo)彈可能在未來幾年內(nèi)投入使用，能摧毀近地軌道上的目標(biāo)。

（3）協(xié)同天基力量方面的挑戰(zhàn)

美軍防部設(shè)想采用“多樣化”架構(gòu)，包括所有三個軌道中的系統(tǒng)組合。部署在GEO和極地軌道上的下一代OPIR天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)作為未來架構(gòu)中“最持久”的一層，其全球覆蓋和多視角傳感器可以為作戰(zhàn)人員提供導(dǎo)彈威脅的初步指示和警告，并為架構(gòu)中其他層的傳感器提供信息；部署在中地球軌道上的衛(wèi)星可以利用這些信息開始跟蹤威脅，中地球軌道所處的高度將有助于提高紅外傳感器導(dǎo)彈跟蹤的保真度；最后，一個成熟的未來分散型低地球軌道（P-LEO）星座及其數(shù)百顆衛(wèi)星將提供更高的保真度，為導(dǎo)彈防御系統(tǒng)提供所需要的信息，以實(shí)現(xiàn)精確的火力控制解決方案。

發(fā)展對策

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)和威脅，未來美軍美天基導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展或?qū)⒉扇∫韵聨醉?xiàng)對策：

（1）采用多星架構(gòu)構(gòu)建更高彈性天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)

美國國防部應(yīng)采用多層衛(wèi)星架構(gòu)，將傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力與近地軌道、中地軌道、地球軌道和極地軌道的增強(qiáng)型傳感器相結(jié)合，以探測并跟蹤高超聲速武器以及其他新型導(dǎo)彈威脅的整個飛行軌跡。

（2）利用成熟技術(shù)提高天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)機(jī)動能力

美國國防部應(yīng)該利用成熟的技術(shù)，從使用有限壽命的化學(xué)推進(jìn)劑過渡到其他更先進(jìn)的推進(jìn)能力以提高導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)機(jī)動能力。鑒于部署的衛(wèi)星數(shù)量有限，賦予其快速機(jī)動能力將提高生存能力。

（3）發(fā)展誘餌衛(wèi)星成熟技術(shù)助力天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)防御能力

美國國防部應(yīng)發(fā)展在近地軌道和中地軌道部署“誘餌”衛(wèi)星的能力，給對手帶來目標(biāo)選擇上的困境，或使對手將高價值的反衛(wèi)星資產(chǎn)浪費(fèi)在非作戰(zhàn)、低成本的誘餌上，從而使對手國家的反太空目標(biāo)行動復(fù)雜化。

（4）部署反衛(wèi)系統(tǒng)強(qiáng)化天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)生存能力

美國國防部應(yīng)迅速和公開地部署足夠數(shù)量的動能和非動能反衛(wèi)星系統(tǒng)，使對手的太空系統(tǒng)處于危險之中，以加強(qiáng)威懾，并在威懾失敗的情況下，取得勝利。

3 美天基導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

綜上，美軍高度重視天基預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，積極推進(jìn)高軌星座SBIRS系統(tǒng)的建設(shè)，具體來說，有以下幾項(xiàng)發(fā)展趨勢：

（1）具有彈性、分層的天基架構(gòu)更適合未來天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展

雖然基于GEO的SBIRS系統(tǒng)繼續(xù)服務(wù)于美軍的導(dǎo)彈預(yù)警需求，但新出現(xiàn)的威脅和競爭日益激烈的空間環(huán)境或?qū)⑹芤嬗诙嘬壍赖姆謱蛹軜?gòu)。美軍天基導(dǎo)彈預(yù)警目前正在進(jìn)行的是SBIRS現(xiàn)代化工作，下一步是開發(fā)一種位于近地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）之間的導(dǎo)彈預(yù)警架構(gòu)。這種多軌道、分層架構(gòu)也適用于其他各種天基能力，將為美軍的太空行動提供應(yīng)對對手的潛在威脅的能力。

（2）星座架構(gòu)堅持高軌為主，有限度發(fā)展低軌衛(wèi)星

經(jīng)過20余年的研制和部署，高軌星座SBIRS系統(tǒng)一直具備作戰(zhàn)能力。盡管屢次出現(xiàn)延遲交付的情況，但美軍堅持積極推進(jìn)SBIRS系統(tǒng)的構(gòu)建。然而，STSS系統(tǒng)低軌星座項(xiàng)目衛(wèi)星數(shù)量需求大、星座管理復(fù)雜且成本高，而且存在難以跨越的技術(shù)障礙難題，自STSS項(xiàng)目提出以來，美軍一直維持著對STSS低軌預(yù)警系統(tǒng)的有限度發(fā)展。

（3）系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)傾向于功能分解、多軌道、多作戰(zhàn)域部署

隨著空間安全環(huán)境的變化，美軍空間系統(tǒng)面臨的威脅不斷加劇，脆弱性日益增強(qiáng)，將難以繼續(xù)沿用舊的空間體系。2013年8月，美空軍航天司令部發(fā)布《彈性與分散式空間系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)》。為了實(shí)現(xiàn)分散式空間系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，美軍在白皮書中規(guī)劃了五種途徑：結(jié)構(gòu)分離、功能分解、有效載荷搭載、多軌道部署、多作戰(zhàn)域部署。

美軍已著手考慮下一代天基預(yù)警系統(tǒng)體系架構(gòu)，采取了其中多種模式。功能分解方面，美軍希望下一代衛(wèi)星能夠?qū)?zhàn)略預(yù)警和戰(zhàn)術(shù)預(yù)警能力進(jìn)行分解，但預(yù)算的縮減迫使美軍將未來導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的重點(diǎn)關(guān)注集中于戰(zhàn)略威脅任務(wù)；有效載荷搭載方面，美空軍提出了商業(yè)搭載有效載荷方案，研究在商業(yè)衛(wèi)星上搭載軍事專用有效載荷的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)利用商業(yè)衛(wèi)星快速、靈活的搭載軍用載荷的目標(biāo)；多軌道部署方面，美軍在高中低軌均部署有預(yù)警衛(wèi)星；多作戰(zhàn)域部署方面，美軍積極將天基預(yù)警系統(tǒng)與地基、?；t外傳感器聯(lián)合使用，提高發(fā)射探測和導(dǎo)彈跟蹤能力。

（4）高度重視發(fā)展寬視場傳感器技術(shù)

美軍尤為重視寬視場傳感器試驗(yàn)，認(rèn)為這些試驗(yàn)不僅有助于為空軍下一代SBIRS系統(tǒng)評估任務(wù)架構(gòu)，還有助于空軍開發(fā)算法，以處理升級版?zhèn)鞲衅鹘蛊矫婕夹g(shù)所提供的大量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

對未來導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的研制與規(guī)劃來說，首先，構(gòu)建彈性和分散化的太空體系結(jié)構(gòu)，采用高、低軌結(jié)合的部署方式，在GEO和HEO高軌道部署大型衛(wèi)星，低軌方面充分利用商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展成果，構(gòu)建大規(guī)模、低成本的小衛(wèi)星星座；其次，重點(diǎn)發(fā)展搜索、跟蹤一體化大面陣載荷技術(shù)，研究寬視場任務(wù)數(shù)據(jù)高性能處理算法，構(gòu)建高質(zhì)量、可擴(kuò)展的目標(biāo)紅外圖像數(shù)據(jù)集，提高強(qiáng)對抗條件下星上數(shù)據(jù)處理的時效性，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)即跟蹤，應(yīng)對新的威脅；最后，為提升高軌預(yù)警衛(wèi)星戰(zhàn)時生存能力，應(yīng)積極發(fā)展衛(wèi)星近場感知與機(jī)動規(guī)避等防御技術(shù)。綜上，建設(shè)預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)著眼于具體需求，力圖構(gòu)建兼顧戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)要求，以戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用為主的天基預(yù)警系統(tǒng)。