美国红外预警卫星系统发展概述

·1·兵工自动化OrdnanceIndustryAutomation2018-0637(6)doi:10.7690/bgzdh.2018.06.001美国红外预警卫星系统发展概述张万层，陈津，高原(中国电子科学研究院战略预警研究所，北京100041)摘要：为了深入理解红外预警卫星的发展过程及建设水平，以美国为例，对红外预警系统进行研究。红外预警卫星系统作为美国反导预警系统重要组成部分之一，其预警能力直接影响美国反导体系作战效能。从总体上概述美国红外预警卫星系统的发展历程，重点介绍国防支援计划、天基红外系统、空间跟踪与监视系统研制情况、工作特点、目标探测能力，进一步基于卫星工具包(satellitetoolkit，STK)仿真软件分析卫星的部署情况。在此基础上，总结美国红外预警卫星系统的发展启示。该研究可为我国预警卫星的发展与研究提供参考。关键词：红外；预警卫星；导弹；STK中图分类号：TJ02文献标志码：ADevelopmentOverviewforSystemsofUSInfraredEarlyWarningSatellitesZhangWanceng,ChenJin,GaoYuan(InstituteofStrategicWarning,ChinaAcademyofElectronics&InformationTechnology,Beijing100041,China)Abstract:Inordertounderstandthedevelopmentprocessandtheconstructionleveloftheinfraredearlywarningsatellites(IEWS),thesystemofUSinfraredearlywarningsatelliteisresearched.ThesystemofIEWSisonepartofUSanti-missilewarningsystem,andthewarningabilitydirectlyinfluencestheefficiencyofUSanti-missilesystem.ThedevelopmenthistoryofthesystemsofUSIEWSissummarized.Theresearchsituation,workingfeatureandabilityofobjectdetectionofdefensesupportprogram(DSP),space-basedinfraredsystem(SBIRS)andspacetrackingandsurveillancesystem(STSS)aremainlyintroduced.Furthermore,thedeploymentsituationofthesatellitesisanalyzedbasedonsatellitetoolkit(STK).Basedonthat,thedevelopmentenlightenmentofUSIEWSissummarized.Theresearchcansupportthedomesticearlywarningsatellitedevelopmentandresearchwithreference.Keywords:infrared;earlywarningsatellite;missile;STK0引言导弹的飞行过程分为主动段、中段和再入段，导弹防御系统是通过各型预警装备完成目标飞行过程的协同探测，为武器系统提供目标预警信息。早期预警是导弹防御的重要环节，主要由红外预警卫星实现。红外预警卫星通过轨道部署，覆盖范围广，能克服地面雷达电波信号沿直线传播受地球曲率的影响，利用红外探测设备，探测接收导弹在飞行过程中的红外辐射特征，发现并跟踪目标，为远程预警雷达或跟踪制导雷达的搜索提供指引。红外预警卫星对导弹的预警能力是衡量导弹防御系统作战效能的关键指标之一，直接影响后续的武器系统拦截作战。预警卫星通常运行在静止轨道或大椭圆轨道上，部分在低轨轨道，一般由多颗卫星组成探测网，可昼夜对地面进行监视，为国家安全防御提供支持。战时，可监测发现导弹的发射与运行情况，及时分析对方作战意图，为反导防御系统提供预警支援信息；平时，用于监视世界各国的导弹发射实验和航天发射活动，了解战略武器的发展动向，便于适时采取相应对策[1]，同时可以收集各国发射目标特征数据。当今世界各军事强国，特别是美国尤为重视预警卫星的发展，建立了较为完善的红外预警卫星系统。红外预警卫星的载荷及部署直接影响着其预警探测能力。笔者针对美国红外预警卫星系统的发展情况进行概述，对重点阶段的系统研制状态进行介绍，并结合STK仿真工具分析各阶段卫星部署状态，为我国预警卫星的发展与研究提供参考。1发展概况美国作为全球军事力量昀强大的国家，一直追求在军事安全领域做到对未知风险的绝对防御。在弹道导弹防御领域，美国有国家弹道导弹防御1收稿日期：2018-02-17；修回日期：2018-03-25基金项目：电子信息装备体系研究国防科技重点实验室基础研究项目(DXZT-JC-ZZ-2011-015)作者简介：张万层(1987—)，男，河北人，博士，工程师，从事遥感图像目标解译、信息技术研究。·2·兵工自动化第37卷(NMD)系统和战区导弹防御(TMD)系统，部署从近程导弹、中程导弹，一直到远程导弹和洲际导弹的防御。为了弥补陆海基大型雷达受地球曲率影响，进一步提高对导弹目标探测覆盖范围与时效性，美国极力发展天基导弹防御系统，研制部署天基红外预警卫星。美国自20世纪60年代开始发射试验型导弹预警卫星，1970年开始部署工作型预警卫星。经过50余年的发展，其导弹预警卫星系统先后经历了“米达斯”(missiledefensealarmsystem，MIDAS)、国防支援计划(defensesupportprogram，DSP)和天基红外系统(space-basedinfraredsystem，SBIRS)。其中：SBIRS由高轨道天基红外系统(SBIRS-High)和低轨道天基红外系统(SBIRS-Low)组成；SBIRS-High包括同步轨道天基红外卫星(SBIRS-GEO)和大椭圆轨道预警卫星(SBIRS-HEO)，SBIRS-Low后来被更名为空间跟踪与监视系统(spacetrackingandsurveillancesystem，STSS)。美国预警卫星系统发展路线如图1所示。图1美国预警卫星系统发展路线美国实施“米达斯”计划过程中，于1960年首次发射预警卫星，并在1970—1973年发射了3颗“647”卫星，部署在高度为3200km极地轨道上，主要用于探测前苏联的导弹发射，为拦截作战提供预警信息，后期由于技术水平限制而宣告失败，现主要用于新体制、新模式的试验和探索，为后续的预警卫星提供技术积累。1970年之后，DSP逐步代替“米达斯”计划，于20世纪80年代投入预警任务，并在1991年的海湾战争中首次使用。随后，美国为了进一步提升反导作战预警能力，于1995年开始提出研制使命任务更多、性能更高的SBIRS计划，对DSP计划进行改进、代替、升级。2国防支援计划(DSP)DSP计划是20世纪70年代初，由美国和加拿大双边签署北美空中防御计划(NORAD)之一。美国DSP预警卫星的主要任务是利用红外检测器监视前苏联等国的地下核试验、弹道导弹与航天器发射活动，重点探测导弹发射主动段的火焰，以及时发现导弹目标和告警，系统主要由预警卫星与地面接收站组成。DSP预警卫星自1970年发射第一颗预警卫星至2007年，共发射了23颗卫星，历经3代，发射场地均为卡纳维拉尔角空军站。第一代到1973年6月共发射了4颗，第二代到1987年11月共发射了9颗，第三代到2007年11月共发射10颗，各卫星发射时间及运载器如表1所示，其中第1和第19颗因故发射失效。DSP目前在轨运行5颗，其中3颗为工作星，2颗为备用星[2]，运行在地球同步轨道，分别部署在太平洋中部、非洲中部和印度洋上空，几乎形成对低纬度地区的完全覆盖，可重点监视美国周边相关海域潜射弹道导弹发射，以及亚洲与海湾地区相关海域和陆基弹道导弹发射情况(如图2所示)。DSP地面站包括一个位于澳大利亚的海外地面站、一个位于欧洲的地面站，以及美国本土地面站(CGS)和移动地面站(MGT)。表1DSP发射卫星一览表[3-4]DSP卫星发射时间运载器DSP卫星发射时间运载器F11970.11大力神3CF131987.11大力神34DF21971.5大力神3CF141989.6大力神4F31972.3大力神3CF151990.11大力神4F41973.6大力神3CF161991.11航天飞机44F51975.12大力神3CF171994.12大力神4F61976.6大力神3CF181997.2大力神4F71977.2大力神3CF191999—F81979.6大力神3CF202000.5大力神4F91981.3大力神3CF212001.8大力神4F101982.3大力神3CF222004.2大力神4F111984.5大力神34DF232007.11Delta4F121984.12大力神34D图2DSP分布仿真DSP预警卫星工作时采用自旋转的方式，卫星主轴保持对地定向，其红外望远镜轴线与卫星主轴成7.5，随着卫星自旋形成圆锥状扫描方式，构成一个立体视角场，自转速度为6r/min，其工作方式如图3所示。DSP预警卫星采用双模式探测，主要·3·张万层等：美国红外预警卫星系统发展概述第6期探测设备有2种：1)红外望远镜，它每隔10s左右就可对地面1/3的区域重复扫描一次，可在导弹发射后90s内探测到红外辐射信号，并发送至地面接收站，然后转送至指挥中心，全程需3min；2)可见光电视摄像机，平时，摄像机每30s可向地面站发送一次图像信息，在红外望远镜发现目标后，转入1～2帧/s的传输模式，为地面站提供导弹火焰图像的运动轨迹。图3DSP扫描模式工作仿真DSP预警卫星系统经过多年的发展，在美国弹道导弹防御中发挥了重要作用，可对洲际弹道导弹提供20min以上预警时间。海湾战争中，实现了对“飞毛腿”导弹的探测、跟踪，为作战赢得了时间，是当前唯一在战争中使用的预警卫星系统；此外，美国通过DSP收集了大量各国发射飞行器信息。随着技术的发展，DSP在使用过程中也暴露出问题，DSP预警卫星部署在静止轨道，探测器对地分辨率不高，目标探测虚警率高，定位能力有限；难以跟踪中段飞行的弹道导弹；针对助推段较短的战术导弹目标发现能力不足；地球两极存在导弹目标覆盖盲区[5]。针对DSP存在的问题，美国不断改进DSP系统，增加了地面、海基移动接收站，同时决定进一步研制新的预警卫星系统，并于1995年提出天基红外系统方案。3天基红外系统(SBIRS)作为美国空军研制的新一代天基红外探测与跟踪系统，SBIRS预警系统主要任务是导弹预警、导弹防御、技术情报获取和空战描述，不仅能够对弹道导弹进行全程监视，而且能对飞行在中段的导弹进行探测识别、跟踪，为反导系统提供目标指示和战场空间态势等信息[6]。SBIRS系统主要由天基段和地基段2部分组成。天基段分为高轨卫星(含SBIRS-GEO与SBIRS-HEO)与低轨卫星(SBIRS-LEO)，高轨卫星主要用于主动段的侦察与监视，低轨卫星主要用于搜索和跟踪导弹目标中段飞行时的发热弹体和冷再入弹头。SBIRS系统通过高轨卫星与低轨卫星组网，可实现对战术和战略导弹发射的助推段、中段飞行阶段、再入阶段的全程探测与跟踪，并达到对目标的全球覆盖。SBIRS系统高轨道星座卫星昀初预算包括2颗大椭圆轨道卫星(SBIRS-HEO)和4颗静止轨道卫星(SBIRS-GEO)，主要用于接替DSP卫星实现关键战略、战术弹道导弹发射和助推段飞行目标的探测任务，后期根据需要增加了预算与部署。高轨部分发射卫星情况如表2所示。表2SBIRS部署卫星一览表SBIRS卫星发射时间运载器状态HEO-12006.6