王瀚霆,陳 鋒,宋君強(qiáng),郁海勇,郭禹辰
(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)
冷戰(zhàn)時(shí)期美國(guó)建立的本土防御的地理優(yōu)勢(shì)在迅速發(fā)展的彈道導(dǎo)彈面前逐步喪失,因此如何對(duì)彈道導(dǎo)彈進(jìn)行有效的預(yù)警與攔截是美軍研究與發(fā)展的重點(diǎn)。彈道導(dǎo)彈在發(fā)射主動(dòng)段會(huì)產(chǎn)生超高溫、強(qiáng)輻射的尾焰,天基預(yù)警系統(tǒng)不受時(shí)間區(qū)域約束,通過(guò)星載紅外探測(cè)載荷實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道導(dǎo)彈尾焰及彈體高溫蒙皮紅外輻射發(fā)現(xiàn)與識(shí)別[1-2],可在全球范圍內(nèi)對(duì)彈道導(dǎo)彈的發(fā)射進(jìn)行探測(cè),生成彈道信息實(shí)時(shí)引導(dǎo)地基遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)搜索跟蹤,有效支援地基反導(dǎo)裝備實(shí)施攔截[3-4]。因此天基預(yù)警系統(tǒng)在美導(dǎo)彈防御體系中處于空間上制高點(diǎn)、時(shí)間上最前沿,是美國(guó)家戰(zhàn)略反導(dǎo)體系的核心環(huán)節(jié)。
美國(guó)自20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始啟動(dòng)天基預(yù)警系統(tǒng)的研究與部署,歷經(jīng)六十余年發(fā)展,期間經(jīng)過(guò)了“米達(dá)斯”計(jì)劃(MiDAS)、國(guó)防支援計(jì)劃(DSP)及天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)3 個(gè)主要的發(fā)展階段[5-7],共發(fā)射40 余顆導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星,從早期的試驗(yàn)驗(yàn)證逐步進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用階段,已經(jīng)建成了立體完備、全球覆蓋、高效運(yùn)行的天基預(yù)警系統(tǒng)。
為應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)洲際彈道導(dǎo)彈帶來(lái)的巨大威脅,20 世紀(jì)50 年代美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)提出了“米達(dá)斯”計(jì)劃(MiDAS),旨在通過(guò)在蘇聯(lián)上空部署紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)其彈道導(dǎo)彈發(fā)射的探測(cè),“米達(dá)斯”計(jì)劃也是美國(guó)第一代偵察衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分。由于當(dāng)時(shí)缺乏進(jìn)入地球同步軌道的能力,MiDAS 衛(wèi)星部署在高度約為3 200 km 的極地軌道上。在1960—1966 年期間,美軍共發(fā)射12 顆MiDAS 衛(wèi)星[8],受到當(dāng)時(shí)空間技術(shù)的制約,部分MiDAS 衛(wèi)星發(fā)射失敗或在入軌后失效。MiDAS 衛(wèi)星探測(cè)靈敏度低,存在較高的虛警,不具備在實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用的條件。但通過(guò)其長(zhǎng)時(shí)間的在軌試驗(yàn),積累了大量目標(biāo)及背景的紅外輻射特性,充分驗(yàn)證了天基導(dǎo)彈預(yù)警相關(guān)技術(shù)體制及探測(cè)機(jī)理,為美后續(xù)天基預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
國(guó)防支援計(jì)劃(DSP)是美軍用于取代“米達(dá)斯”計(jì)劃的天基預(yù)警系統(tǒng),作為北美防空計(jì)劃(NORAD)的重要組成部分,可為美國(guó)及其盟友提供全球范圍內(nèi)彈道導(dǎo)彈發(fā)射及地下核試驗(yàn)的預(yù)警信息。DSP 衛(wèi)星星座部署于地球同步軌道,星座設(shè)計(jì)由5 顆衛(wèi)星構(gòu)成,其中4 顆為工作星,1 顆為備份星。衛(wèi)星采用三軸自旋穩(wěn)定控制方案,紅外探測(cè)器光軸與衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸成7.5°夾角,隨著衛(wèi)星自旋紅外探測(cè)器線列對(duì)覆蓋區(qū)域形成圓形的掃描探測(cè),掃描速度為每分鐘6 圈[9],探測(cè)器采用2 個(gè)短波紅外波段,分別為2.7 μm 和4.3 μm[10]。
DSP 衛(wèi)星在1970—2007 年間的整個(gè)計(jì)劃實(shí)施的生命周期內(nèi)歷經(jīng)多次的改進(jìn)與升級(jí),探測(cè)器像元數(shù)量從早期的2 000 個(gè)提升至6 000 個(gè),設(shè)計(jì)壽命提升至5年,衛(wèi)星質(zhì)量功耗也得到了大幅度提升[11],歷次改進(jìn)升級(jí)情況如表1 所示。國(guó)防支援計(jì)劃先后發(fā)射23 顆衛(wèi)星,其中2 顆發(fā)射失敗,1 顆不明原因失效,其他衛(wèi)星均正常入軌運(yùn)行,其中大部分均超期服役完成了在軌任務(wù)。
表1 DSP 衛(wèi)星改進(jìn)升級(jí)情況
表2 在役DSP 衛(wèi)星軌道參數(shù)
DSP 預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)可為美軍提供對(duì)洲際彈道導(dǎo)彈25 min 以上的預(yù)警時(shí)間,在其服役數(shù)十年間發(fā)揮了重要作用。該系統(tǒng)在冷戰(zhàn)期間探測(cè)到千余次彈道導(dǎo)彈發(fā)射信息,在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中成功探測(cè)到伊拉克“飛毛腿”導(dǎo)彈的發(fā)射[12],該系統(tǒng)也是世界上唯一經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的天基預(yù)警系統(tǒng)。
截至目前仍有5 顆DSP 衛(wèi)星在軌超年限服役,分別為DSP-17/18/20/21/22,經(jīng)維護(hù)原計(jì)劃于2020 年退役,但據(jù)最新報(bào)道將延長(zhǎng)服役至2030 年,與新一代天基預(yù)警系統(tǒng)協(xié)同工作。根據(jù)北美防空司令部公開(kāi)的DSP 衛(wèi)星軌道信息(詳見(jiàn)表 2)分析,DSP-18 衛(wèi)星運(yùn)行于軌道高于GEO 標(biāo)稱軌道300 km 左右的墳?zāi)管壍郎?,考慮其為在軌備份星,其余4 顆星為工作星。尚在服役的DSP 衛(wèi)星運(yùn)行軌道傾角均大于10°,其中DSP-22 定點(diǎn)位置為東經(jīng)87.3°,可實(shí)現(xiàn)對(duì)亞太區(qū)域的實(shí)時(shí)覆蓋。
針對(duì)DSP 衛(wèi)星系統(tǒng)在實(shí)戰(zhàn)過(guò)程中暴露出來(lái)的問(wèn)題,美國(guó)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后進(jìn)行了多方面的升級(jí)與改進(jìn),但該系統(tǒng)仍存在諸多不足:1)掃描速率慢、探測(cè)分辨率差、定位精度低;2)系統(tǒng)虛警、漏警問(wèn)題嚴(yán)重;3)缺乏對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的預(yù)警能力;4)在南北兩極區(qū)域存在預(yù)警盲區(qū)。為進(jìn)一步加強(qiáng)天基導(dǎo)彈預(yù)警能力,美國(guó)空軍在20 世紀(jì)90 年代初期決定發(fā)展新一代天基預(yù)警系統(tǒng)。
天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)是美新一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng),可為美軍提供導(dǎo)彈防御、導(dǎo)彈預(yù)警、技術(shù)情報(bào)及戰(zhàn)場(chǎng)感知等信息[13]。該系統(tǒng)原計(jì)劃采用高低軌協(xié)同互補(bǔ)、立體化探測(cè)的建設(shè)思路,其中高軌部分由同步軌道星座(SBIRS-GEO)和大橢圓軌道星座(SBIRS-HEO)構(gòu)成,具備全球范圍內(nèi)導(dǎo)彈多目標(biāo)主動(dòng)段預(yù)警、多關(guān)機(jī)點(diǎn)探測(cè)等能力;低軌部分由低軌道星座(SBIRS-LEO)構(gòu)成,負(fù)責(zé)對(duì)全球范圍內(nèi)彈道導(dǎo)彈飛行全程的發(fā)現(xiàn)跟蹤。其中低軌部分在2001 年由美空軍移交美導(dǎo)彈防御局,重新命名為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”(STSS),在美已全球部署遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)形成中段反導(dǎo)能力的背景下,同時(shí)考慮技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)費(fèi)投入,STSS 系統(tǒng)只發(fā)射了2 顆演示驗(yàn)證星,驗(yàn)證星入軌后參與美導(dǎo)彈防御局多次反導(dǎo)試驗(yàn),驗(yàn)證了彈道導(dǎo)彈全程跟蹤、為導(dǎo)彈防御系統(tǒng)提供精確引導(dǎo)等關(guān)鍵能力[14]。高軌部分繼續(xù)沿用SBIRS 名稱,接替DSP 計(jì)劃,成為美軍新一代天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)。
2022 年8 月美國(guó)第6 顆地球同步軌道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星SBIRS-GEO-6 在卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射,標(biāo)志著美新一代天基紅外系統(tǒng)已全面建成。天基紅外系統(tǒng)由6 顆部署于同步軌道上的SBIRS-GEO 衛(wèi)星和4 個(gè)寄宿于大橢圓電子偵察衛(wèi)星上的SBIRS-HEO導(dǎo)彈預(yù)警載荷組成。
SBIRS-GEO 衛(wèi)星裝載了掃描紅外相機(jī)和凝視紅外相機(jī),探測(cè)波段覆蓋近紅外、中紅外與可見(jiàn)光。衛(wèi)星工作時(shí)首先利用大視場(chǎng)掃描紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈主動(dòng)段尾焰輻射的廣域探測(cè),獲取目標(biāo)信息后交接給凝視紅外相機(jī),利用其窄視場(chǎng)高精度凝視能力精確跟蹤導(dǎo)彈、彈頭及誘餌等目標(biāo),并通過(guò)星上信息鏈路向地面數(shù)據(jù)接收站及前沿戰(zhàn)區(qū)傳輸星上處理后的或原始的紅外預(yù)警信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道導(dǎo)彈的早期預(yù)警。與DSP 衛(wèi)星相比,其掃描速度與探測(cè)靈敏度均提升了10倍以上。
SBIRS-HEO 導(dǎo)彈預(yù)警載荷搭載于美軍新一代大橢圓軌道電子偵察衛(wèi)星“小號(hào)”(Trumpet)上,運(yùn)行在遠(yuǎn)地點(diǎn)位于北半球高緯度區(qū)域的閃電軌道上。閃電軌道也稱為莫尼亞軌道(Molniya orbit)[15],是一種傾角約為63.4°的大偏心率橢圓軌道,可在大部分時(shí)間內(nèi)運(yùn)行在遠(yuǎn)地點(diǎn)上空。因此SBIRS-HEO 載荷可重點(diǎn)提升對(duì)俄羅斯本土、北極附近等北半球高緯度地區(qū)彈道導(dǎo)彈發(fā)射的連續(xù)監(jiān)視能力,填補(bǔ)同步軌道預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)盲區(qū)。該載荷采用掃描紅外相機(jī),探測(cè)波段覆蓋近紅外、中紅外與可見(jiàn)光[16]。
根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)(詳見(jiàn)表3)分析可知,6 顆SBIRS-GEO 衛(wèi)星已實(shí)現(xiàn)對(duì)全球中低緯度地區(qū)一重覆蓋,對(duì)部分重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域兩重覆蓋;4 個(gè)大橢圓軌道SBIRS-HEO 載荷形成了對(duì)北緯50°以上地區(qū)的24 h 連續(xù)監(jiān)視能力,與遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)構(gòu)成了全過(guò)程、分布式、立體化的導(dǎo)彈防御體系。
表3 SBIRS 衛(wèi)星軌道參數(shù)
根據(jù)SBIRS-GEO 衛(wèi)星歷史軌道參數(shù)對(duì)其軌道控制策略進(jìn)行分析,以GEO-1/4 兩顆衛(wèi)星為例。圖1 與圖2 分別給出了以2022 年1 月1 日為起點(diǎn)、在300 天時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星軌道傾角與升交點(diǎn)赤經(jīng)的真實(shí)值與高精度軌道遞推結(jié)果(HPOP 模型)的對(duì)比情況,對(duì)比結(jié)果表明2 種情況傾角誤差≤0.001°,升交點(diǎn)赤經(jīng)誤差≤0.3°。數(shù)據(jù)上的一致性說(shuō)明SBIRS-GEO 衛(wèi)星真實(shí)軌道傾角與升交點(diǎn)赤經(jīng)變化符合自然受攝運(yùn)動(dòng)規(guī)律,衛(wèi)星不進(jìn)行南北位置保持控制。
圖1 軌道傾角真實(shí)值與遞推值對(duì)比
圖2 升交點(diǎn)赤經(jīng)真實(shí)值與遞推值對(duì)比
圖3給出了衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度真實(shí)值與高精度軌道遞推結(jié)果的對(duì)比情況,曲線表明兩者存在明顯差異,且定點(diǎn)經(jīng)度真實(shí)值變化區(qū)間小于0.1°,說(shuō)明SBIRS-GEO衛(wèi)星定期進(jìn)行東西位置保持控制。
圖3 定點(diǎn)經(jīng)度真實(shí)值與遞推值比對(duì)
通過(guò)對(duì)SBIRS-GEO 衛(wèi)星的歷史軌位數(shù)據(jù)分析確認(rèn),其存在大范圍軌位調(diào)整的情況,表4 給出了GEO-1/2/5 衛(wèi)星在2020 年以來(lái)的定點(diǎn)位置調(diào)整情況,推測(cè)其目的為加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的偵察監(jiān)視。
表4 SBIRS-GEO 衛(wèi)星定點(diǎn)位置調(diào)整情況
SBIRS 衛(wèi)星系統(tǒng)的地面段主要由地面測(cè)控站與數(shù)據(jù)接收站組成。
1)地面測(cè)控站
SBIRS 衛(wèi)星采用美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)(AFSCN)進(jìn)行測(cè)控,該控制網(wǎng)廣泛應(yīng)用于美軍高軌衛(wèi)星的測(cè)控,是美國(guó)軍用測(cè)控網(wǎng)中規(guī)模最大,同時(shí)也是最重要的多用戶軍事航天測(cè)控網(wǎng)[17],該控制網(wǎng)包括8 個(gè)遠(yuǎn)程測(cè)控站,主要分布情況如表5 所示。
表5 AFSCN 遠(yuǎn)程測(cè)控站
2)數(shù)據(jù)接收站
SBIRS 衛(wèi)星的地面數(shù)據(jù)接收站分為3 類,具體如下:
①地面任務(wù)控制站(MCS):負(fù)責(zé)接收與處理天基紅外系統(tǒng)探測(cè)數(shù)據(jù),位于美本土伯克利空軍基地。
②中繼地面站(RGS):分別是美本土伯克利空軍基地地面站(CGS)、澳大利亞松峽地面站(OGS)和位于德國(guó)的歐洲地面站(EGS),地面站最大接收天線口徑為18 m,其中OGS 與EGS 站只負(fù)責(zé)天基紅外數(shù)據(jù)的接收和傳輸,數(shù)據(jù)傳回美國(guó)本土MCS 站統(tǒng)一處理。3 個(gè)中繼地面站在經(jīng)度上分布間隔約120°,形成了對(duì)高軌預(yù)警衛(wèi)星全球可見(jiàn)的能力,3 個(gè)中繼地面站間通過(guò)光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
③聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)地面站(JTAGS):在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后,針對(duì)DSP 衛(wèi)星在戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈預(yù)警方面存在的問(wèn)題,美軍研制了可機(jī)動(dòng)化部署的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)地面站(JTAGS)。JTAGS 系統(tǒng)可作為移動(dòng)式信息處理系統(tǒng)部署在前沿戰(zhàn)區(qū)內(nèi),配置3 副2.44 m 口徑的拋物面天線,可同時(shí)接收多顆天基紅外衛(wèi)星下傳的數(shù)據(jù),并通過(guò)信息計(jì)算處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多顆衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)的融合處理,進(jìn)一步提升精度。同時(shí)可通過(guò)戰(zhàn)區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)近實(shí)時(shí)地完成導(dǎo)彈預(yù)警信息的分發(fā)。JTAGS 系統(tǒng)共發(fā)展了Block I 與Block II 兩代,目前共部署9 套,后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步將其升級(jí)為多任務(wù)移動(dòng)處理系統(tǒng)(M3P),提升數(shù)據(jù)處理能力。
SBIRS 衛(wèi)星不同類型的地面數(shù)據(jù)接收站具體分布情況如表6 所示。
表6 SBIRS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站分布
SBIRS-GEO 衛(wèi)星共配置6 條星地信息鏈路,包含4 條下行鏈路和2 條上行鏈路,覆蓋衛(wèi)星測(cè)控、數(shù)傳、戰(zhàn)區(qū)數(shù)據(jù)分發(fā)等數(shù)據(jù)傳輸功能[18]。鏈路分別命名為L(zhǎng)ink1~Link6,其中Link1 又分為L(zhǎng)ink1-S 和Link1-T兩條鏈路,各信息鏈路頻率及傳輸內(nèi)容等具體參數(shù)如表7 所示。
表7 SBIRS-GEO 衛(wèi)星信息鏈路
SBIRS-GEO 衛(wèi)星采用洛克希德·馬丁公司的A2100/LM2100 衛(wèi)星平臺(tái),采用模塊化設(shè)計(jì)理念,可適應(yīng)不同載荷的需求,具備在軌軟件靈活重構(gòu)能力,衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命15 年[19]。根據(jù)洛馬公布的衛(wèi)星組成示意圖分析確認(rèn)SBIRS-GEO 衛(wèi)星配置2 副雙頻段萬(wàn)向點(diǎn)波束天線(Dual-Band Gimbaled Spot Beams)、1 副S頻段全球天線(S-Band Earth Antenna)、1 副全向天線(Omni Antenna),天線配置情況如圖4 所示。
圖4 SBIRS-GEO 衛(wèi)星鏈路與天線對(duì)應(yīng)情況
1)數(shù)傳鏈路
衛(wèi)星數(shù)傳鏈路按不同的傳輸內(nèi)容與速率分為L(zhǎng)ink1-S、Link1-T、Link3 三條,工作于K 頻段。星上配置2 副雙頻段萬(wàn)向點(diǎn)波束天線實(shí)現(xiàn)對(duì)地面數(shù)傳站的精確指向與信號(hào)輻射。根據(jù)圖5 中衛(wèi)星組成示意圖與衛(wèi)星總裝實(shí)物圖的參照對(duì)比情況可判斷其采用拋物面天線形式,配置雙頻段饋源。2 副天線可同時(shí)指向2 個(gè)部署在不同位置的地面數(shù)據(jù)接收站,數(shù)據(jù)既可傳輸至大型中繼地面站(RGS),又可傳輸至可移動(dòng)的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)地面站(JTAGS)。
圖5 SBIRS-GEO 衛(wèi)星天線實(shí)物情況
2)戰(zhàn)術(shù)分發(fā)鏈路
衛(wèi)星Link4 鏈路可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)任務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā),工作于S 頻段。通過(guò)1 副S 頻段全球天線將導(dǎo)彈預(yù)警信息直接分發(fā)至各戰(zhàn)區(qū)配屬的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)地面站(JTAGS)或其他類型機(jī)動(dòng)站。根據(jù)圖5 判斷該天線采用了16陣元相控陣天線設(shè)計(jì),天線波束可瞬時(shí)覆蓋地球可視圓盤,波束可敏捷靈活指向用于滿足衛(wèi)星在不同姿態(tài)下的對(duì)地覆蓋需求。
3)抗干擾遙控鏈路
衛(wèi)星Link2 鏈路是抗干擾遙控鏈路,工作于EHF頻段,推測(cè)該鏈路與先進(jìn)極高頻(AEHF)通信衛(wèi)星上行抗干擾遙控鏈路類似,均采用寬帶高速跳頻體制[20],抗干擾能力強(qiáng),可作為衛(wèi)星在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的保底控制手段。根據(jù)圖5 判斷該鏈路與數(shù)傳鏈路共用2 副雙頻段固定點(diǎn)波束天線,可同時(shí)指向2 個(gè)測(cè)控站,拋物面天線應(yīng)具備K 與EHF 雙頻段工作能力。
4)測(cè)控鏈路
衛(wèi)星Link5 為下行遙測(cè)鏈路,Link6 為上行遙控鏈路,測(cè)控鏈路采用美國(guó)空軍控制網(wǎng)的天地鏈路系統(tǒng)(SGLS)體制,可提供測(cè)控站與衛(wèi)星間的遙測(cè)、遙控、跟蹤、測(cè)距等功能。下行鏈路工作于S 頻段、上行鏈路工作于L 頻段。根據(jù)圖5 判斷星上配置1 副全向天線實(shí)現(xiàn)在任意姿態(tài)情況下衛(wèi)星測(cè)控信號(hào)的接收與發(fā)射。
美軍基于全球覆蓋的戰(zhàn)略反導(dǎo)理念,歷經(jīng)四十余年建設(shè)發(fā)展,已形成裝備體系完善、綜合集成度高、技術(shù)先進(jìn)的多軌道立體化的天基預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球范圍內(nèi)彈道導(dǎo)彈的預(yù)警與情報(bào)分發(fā),是美國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成。本文介紹了美天基預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程,從空間、地面、鏈路3 個(gè)部分詳細(xì)分析了新一代SBIRS 預(yù)警衛(wèi)星的建設(shè)情況,可為天基預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒與啟示?!?/p>