美国天基红外导弹预警技术分析

  • 用户体验 2019-09-15 分享新闻到:
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  摘要:导弹预警卫星是空间预警系统的重要组成部分。以美国为例,介绍了DSP、SBIRS和Next-GenOPIR三代天基红外导弹预警技术的发展,重点分析了天基红外系统中红外光学载荷的工作体制、☆△◆▲■性能参数及技术特点。同时,分析了天基红外预警系统的工作模式,提出高低轨卫星组网、多波段/长线列/大面阵探测、构建弹性体系等是天基导弹预警技术的发展趋势。

  导弹预警卫星系统是美国空间监视系统中非常关键的组成部分,是一个高度集成、高精度的光机电一体化系统,红外探测器是其重要载荷,承担着重要的导弹早期预警任务,可在全球范围内快速探测战略/战术弹道导弹的发射,预报弹着区域,提供来袭导弹弹道参数,为导弹防御系统提供最早期的威胁预警,引导部署在全球各地的早期预警雷达实施搜索和跟踪,进行威胁评估,判断导弹的攻击规模、性质和企图,以便采取适当的应对措施。导弹预警卫星系统预警能力的高低、提供预警时间的多少,成为导弹拦截成功与否的关键因素。“国防支援计划”卫星只能预警战略导弹,对战术导弹的预警能力不足,随着导弹在现代战争中的运用日益广泛,天基预警的功能需求也随之由战略级向战术级延伸,因而美国正积极打造可同时预警战略导弹和战术导弹的“天基红外系统”,一旦该系统建成,其将具备全球全天时覆盖、功能完备、实时响应的预警能力,可监视和跟踪全球弹道导弹飞行全程,必将对我国导弹武器的有效作战应用构成严重威胁。因此,对美国天基红外导弹预警技术及其发展进行深入研究具有重要现实意义。

  “国防支援计划”(DSP)是北美防空计划(NORAD)中一项卫星预警支援计划,▪️•★也是美国一项早期导弹预警的卫星计划,目的是对入侵北美的飞机、导弹和太空武器进行监测、预警和拦截,为美国和同盟国在全球驻军提供导弹入侵预警服务,于1970年11月投入使用。

  DSP卫星星座布设在地球静止轨道上,由5颗卫星组成,4颗为工作星,1颗为备份星(以在必要时随时替换)。DSP卫星分布在全球各大洲上空,如表1所示。

  现役4颗工作星的位置是:西经37︒(大西洋)、东经10︒(欧洲)、东经69︒(东半球和印度洋)和西经152︒(太平洋),备份星定点于东经110︒(印度洋东部)。这种设计能在卫星数目增多时确保有2颗以上的卫星对同一区域进行监视,协同扫描频率更快,可提供立体的导弹尾焰信号特征数据。

  采用三轴稳定的方式,美国天基红外导弹预警技术分析共有6种有效载荷:①红外望远镜子系统(IR);②紫外跟踪探测器(ULS);③星球探测器子系统(SS);④状态监视子系统(SMS);⑤信号电子学子系统(SES);⑥激光通信子系统(LCP)。其中,口▲=○▼主探测器为2.7um和4.3um双色红外波段,前者用于导弹点火监测,后者用于导弹轨迹监测,地面分辨率为3-5km。红外系统视场角为12︒,光轴与卫星自旋轴夹角6︒,随着卫星的自旋,红外探测器线列对地球表面每分钟扫描6次。

  目前,DSP卫星已探测到前苏联、法、中、印、朝等国导弹发射信息1000余次。海湾战争期间,美国运用了2颗DSP卫星,监视伊拉克“飞毛腿”导弹的发射,从导弹发射到判明弹着区仅120s,并于180s内将这些情报传送海湾部队,可给爱国者导弹提供90-120s的预警时间。

  DSP卫星最初作为一种战略导弹预警手段提出的,存在一些固有的缺点:不能跟踪中段飞行的导弹,对国外设站的依赖性大,虚警问题未得到根本解决,且卫星扫描速度较慢,对“飞毛腿”等战术导弹的探测能力有限,难以给出更为充足的预警时间。针对DSP系统在海湾战争中所暴露的缺点,美国国防部和美国空军在战后启动了以下3个技术改进计划:

  (1)导弹发射和截击战区预警(AIERT)计划:ALERT计划在导弹发射后几分钟内作出预警并拦截来袭目标,以满足高技术战争的要求。为此,★△◁◁▽▼ALERT系统采用多CPU的新型号SGI计算机对DSP卫星数据进行快速处理,运算速度为15亿次/s。该计划于1995年完成。

  (2)眼镜蛇响声(CB)计划:为提高DSP卫星探测能力,要求研制一种新型的红外遥感器,以代替DSP卫星上使用的双波段探测器。改进之处有:采用3个焦平面,通过滤光片旋转实现波段快速切换;采用快速扫描成帧技术;提高仪器的灵敏度;采用高速星上存储器。该计划于1995年归人SBIRS计划,新研制的红外探测器也将用于高轨天基红外系统卫星上。

  (3)红鼻凫(TealRubv)计划:这是一项红外探测器的试验卫星计划,1985年立项,进行了1次发射,寿命为1年,星上传感器是1台具有13个窄波段(2.5-15.5um)的红外装置,每个红外焦平面阵列上有1024个像元。

  为应对弹道导弹的威胁,美空军一直在不断完善新一代导弹预警卫星系统,曾考虑过多种方案。从1979年至1995年,先后提出研制新一代的“先进预警系统”(AWS),“助推段监视与跟踪系统”(BSTS),“后继预警系统”(FEWS)计划以及“导弹报警、定位和报知”(AIARM)系统计划等。1995年8月,ALARM系统计划又被取消,空军最后决定研制天基红外系统(SBIRS)预警卫星。该卫星于1997财年获准进入工程与制造发展阶段。

  空间系统由3种轨道高度的卫星星座组成,即低轨卫星星座(SBIRS-Low)、高轨卫星星座(SBIRS-HEO)和静止轨道卫星星座(SBIRS-GEO),其中低轨道(LEO:12-24颗)、大椭圆轨道(HEO:2颗)和地球同步轨道(GE0:5颗,其中1颗为备份),每颗卫星都具有宽视场、短波红外捕获和窄视场、多波段跟踪传感器,具有红外、可见和紫外多谱段探测能力,具备导弹主动段、飞行中段和再人段的探测和在导弹飞行中段指导拦截的能力。

  SBIRS的高轨部分由2颗SBIRS-HEO和5颗SBIRS-GEO组成。主要是通过红外探测来侦察、跟踪来袭导弹的助推段,为美国最高指挥当局和作战部门提供全球范围内的导弹发射数据。其中,SBIRS-HEO远地点位于北半球上空,可长期观测北半球的情况,主要用于探测俄罗斯等高纬度地域的洲际导弹发射和北方水域的潜射导弹发射。SBIRS-GEO卫星扫描型探测器扫描视场约为10︒,利用摆镜南北线帧实现相应地球表面覆盖,凝视型探测器视场1︒~2︒,凝视型探测器对目标进行高分辨率成像、精确跟踪,获取详细信息。SBIRS-GEO卫星结构及功能部件见图3。◆●△▼●

  SBIRS高轨预警卫星相比DSP卫星,每颗卫星都装有1台高速宽视场扫描型短波红外捕获探测器(在热助推段观测明亮的导弹羽焰)和1台窄视场凝视多谱段(中波、中长波和长波红外及可见光)跟踪探测器(在中段和末段跟踪导弹),载荷使用方式见图4。

  其中,短波红外捕获传感器用于导弹发射时的侦察,可见光跟踪传感器用于导弹基地和导弹类型的鉴别,红外跟踪传感器用于导弹发射后的跟踪侦察。前者利用扫描折射望远镜和短波红外焦平面阵列扫描南北半球,探测导弹发射时喷出的尾焰,发现目标后将其提供给后者,后者利用动作敏捷的望远镜将导弹发射画面拉近放大,紧盯可疑目标,跟踪导弹中段和末段飞行的弹头,为美国国家导弹防御系统和战区导弹防御系统提供高精度的目标瞄准数据,实现对导弹发射的全程跟踪;同时卫星上的处理系统能预测处理导弹弹道和弹头的落点,卫星的扫描速度和灵敏度比DSP卫星高出10倍,可有效增强对战术导弹的探测能力,在导弹点火的瞬间将其捕获,并在导弹发射后10-20s内将警报信息传送给地面部队。

  为了避免高轨道和低轨道星座相互混淆,2002年11月五角大楼将SBIRS-Low系统改名为“空间跟踪与监视系统”(STSS)。STSS系统由24-30颗部署在高度1600km左右的多轨道面上的小型、大倾角、低轨道卫星组成,卫星之间信息通过60GHz的星间链路传输,卫星与地面间的传输速率为22/44GHz,可以实现对弹道目标的立体式持续跟踪,主要用于捕获跟踪弹道导弹中段飞行发热弹体和末段飞行再入弹头。STSS系统在SBIRS-High系统与陆基预警雷达系统对弹道目标中段进行探测的“空隙”之间架起一座“桥梁”,战术应用示意图见图5。

  STSS主要功能是在战区冲突和针对美国的导弹攻击防御中,为导弹防御任务提供精确的中段跟踪和识别能力,STSS目前还未直接参与拦截试验,但具有针对弹道导弹飞行全过程的监视与跟踪能力,能够探测到中段目标在跨越阳光与阴影区飞行中的温度变化,甚至可以观测到诱饵释放、膨胀及展开过程的特性变化。STSS基本功能还包括:能对全球范围内的导弹发射进行监视;能提供精确、及时的导弹发射时间和地点估计;能同时对多个弹道目标进行精确跟踪与监视;具有分辨弹头和诱饵的能力,并获得弹头的位置、速度和加速度等状态信息;能估计导弹攻击的准确时间和地点;能够精确引导地面雷达捕获来袭导弹和弹头,使地面雷达在对方导弹进入其作用范围时才开始工作,可以减少来自反辐射导弹的威胁等;此外STSS还兼具技术情报收集、战场空间特征描述等多种功能,为弹道导弹防御作战提供有力的情报支持和技术保障。STSS演示验证卫星在轨试验成果见表3。

  目前,SBIRS已经发射了4颗SBIRS-HEO卫星、4颗SBIRS-GEO卫星及2颗STSSDemo演示验证卫星,■□相关的技术方案还在不断的调整与完善,其中STSS卫星计划已更名为精确跟踪太空系统(PTSS),放弃了目标捕获功能,只跟踪目标。

  2018年5月4日,美国空军发布未来导弹预警卫星合作意向,将向洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁曼公司签发两份独家采购合同,以开展“下一代过顶持续红外”(Next-Gen OPIR,nnext generation overheadpersistent infrared program)预警卫星项目。

  美军认为,◇•■★▼随着俄罗斯、印度等国大力发展卫星对抗能力,其太空资产面临着来自动能武器、天基操控武器、地基激光武器,以及网络和电子攻击等的威胁,这些威胁使得美国的太空体系日益脆弱,未来的天基导弹预警卫星系统必须具备更强的生存能力和体系弹性。

  为瞄准未来太空作战,转变装备发展理念,着力构建在“竞争性环境”中具有更强的生存能力和体系弹性的天基预警体系,以应对新出现的和预期的威胁,空军在Next-Gen OPIR项目中提出通过“采用成熟的卫星平台+重点关注传感器技术”的方式,使美国在未来保持甚至获得更强预警能力的同时,有效降低单个预警卫星的成本,从而降低己方导弹预警卫星的作战目标价值,获得更高的生存概率。此外,“相对简单廉价”的预警卫星,在战时也能够大量制造和快速部署,补充和维持天基导弹预警能力,增强导弹预警卫星的体系弹性。

  Next-Gen OPIR是美国在继DSP、SBIRS之后,规划的新一代高轨预警卫星系统,初期系统将包括3颗GEO和2颗HEO卫星,首颗GEO卫星将在2023年发射。据分析,Next-Gen OPIR采用超大面阵多波段红外阵焦平面探测器,不仅能探测跟踪大型弹道导弹的发射,还能探测和跟踪小型地空导弹、助推一滑翔及吸气式高超声速武器,甚至空空导弹的发射。一旦整个系统完成实战部署,可直接在战略和战术层面上支持反导作战,将对各国的导弹武器的作战运用带来极大影响。

  分析DSP、SBIRS到OPIR的演变可知,美国天基红外导弹预警技术发展具有下述几个特点:

  (1)从轨道来看,由单一的地球静止轨道,到结合大椭圆轨道,再到高轨组网与低轨组网相互配合的发展过程。从提高弹道预警的精度看,双星立体观测是基本要求,3颗以上星同时观测目标是更理想的方案。从组网方式上看,高中低轨道组网相互配合是发展方向,高轨道星座利用其覆盖广的优势用于发现目标,中低轨道星座利用其探侧分辨率高的优势用于探测和跟踪目标。

  STSS整个低轨卫星星座是利用卫星内部的交叉链路连接在一起的。当同轨道中一颗卫星所跟踪的导弹离开它的视线后,它可以将目标的位置等信息告知第二颗卫星,第二颗卫星将继续跟踪目标,实现对目标的“接力”跟踪。STSS星座可以实现2-4颗卫星共同对目标进行立体观测和空间定位,通过融合多颗卫星观测的信息,可以对目标进行准确识别和定位,必要时被观测目标的信息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。据最新消息,雷神公司为SBIRS提供了约4kx4k的红外焦平面传感器,可以凝视半个地球,未来部署的STSS星座的卫星数量可能减少,但轨道数可能增加,实现更多颗卫星同时对目标进行立体观测。★▽…◇

  SBIRS-High星座轨道较高,观测范围大,能够在导弹点火的瞬间捕获目标,尽早发现目标,并将目标信息传输给STSS星座,STSS卫星对目标进行精确识别和跟踪。SBIRS-High与STSS共同构成美国天基预警系统高、低轨道复合型星座,成为美国弹道导弹防御的太空“鹰眼”,通过二者的配合探测,可以在助推段、中段和再人段实现对远程和洲际弹道导弹的全程跟踪与探测,并通过精确定位为拦截系统提供引导信息,成为弹道导弹防御系统的力量倍增器。

  (2)从探测器件的发展来看,经历了从单一波段向多波段/多光谱、从少探测元线列扫描向多探测元线列扫描和大面阵/大视场凝视的发展过程。

  早期的DSP卫星只采用短波红外(2.7um)和可见光探测,无法克服云层反射阳光等自然现象造成的虚警问题,后来发展为双色红外波段(2.7um和4.3um),可以大大降低由此引起的虚警率。目前正在试验紫外和长波红外的探测效果。来自不同波段和不同探侧器的数据融合可进一步降低虚等、提高目标的识别率。但对弹道导弹主动段的探测仍以中短波红外为主,因为该谱段探测技术比较成熟,同时能获得较高的图像信噪比和探测效率。由于预警目标和材料及工艺的原因,早期的DSP探测器采用了2000元的线阵列,其分辨率低,但对于探测尾焰红外辐射长度达几千米的战略导弹是足够的,随着技术的进步和战术弹道导弹预警的要求,之后采用了6000元的双色红外线km,使得中短程弹道导弹和部分原来探测不到的目标(如加力状态下的飞机)也能被探测出来。SBIRS则用长线列扫描发现战区战术导弹目标,以扩大搜索视场,用大面阵凝视跟踪目标,以提高目标信息的获取速率。新一代的红外系统OPIR中的探测器件则采用超大面阵多波段红外阵焦平面探测器。

  (3)从对弹道导弹飞行中段的预警来,目前技术还不成熟,未来倾向于以中、低轨道卫星为主。

  从SBIRS计划来看,紫外、可见光、长波红外和毫米波雷达都是候选的波段,但目前都处于数据收集和原理试验阶段。由于中段弹头不发热,要求探测器有很高的分辨率。因此,中段探测器不仅要求有较多的探测元,而且要布置在中低轨道上组网进行监视,必要时以深空为背景进行观测。这些卫星的任务是跟踪目标并测定弹道参数,它们需要接收主动段探测的信息指示。

  (4)从数据通信链路上来看,经历了从地面站集中接收并送到处理中心处理再送回战场指挥中心,到可以机动部署,同时可接收和处理多颗卫星数据的战场前沿移动站为主的发展过程。以快速分发为主要发展方向,并具有在星上完成信息处理的趋势。

  (5)从战场生存能力上来看,天基导弹预警卫星将通过搭载通信卫星或其他商业卫星等方式具有更强的隐蔽性,发射和部署周期更短、数量更多、机动变轨能力更强,系统将具有更强的生存能力和体系弹性。

  太空已经成为维护国家安全和利益所必须关注和争夺的战略制高点。美军现有的典型空间预警系统SBIRS-直在改进与完善中,Next-Gen OPIR首颗卫星即将发射,一旦整个系统完成实战部署,可直接在战略和战术层面上支持反导作战,必将对我国战略威慑力、导弹武器作战运用构成重大不利影响;同时,未来的空间卫星预警系统需要对目标进行实时、高速采集及数据处理和自动控制,系统效能的发挥更将依赖于信息协同,急需研究其薄弱环节,综合利用雷达、•●通信、光电、卫星对抗武器等多种措施,有针对性地发展对抗手段,从顶端破坏强敌反导信息链,降低其作战效能,从而保障己方导弹武器的突防力和核威慑的有效性。

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