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天基紅外系統
鎖定
天基紅外系統是美國冷戰時期國防支援計劃(DSP)紅外預警衞星系統的後繼，是20世紀80年代計劃用於取代DSP系統的先進預警系統、助推段情報與跟蹤系統和稍後的早期預警系統等方案的自然延伸。作為美國空軍研製的新一代天基紅外探測與跟蹤系統，它是美國彈道導彈防禦系統探測預警的核心環節。天基紅外系統的主要任務是為美軍提供全球範圍內的戰略和戰術彈道導彈預警，對彈道導彈從助推段開始進行可靠穩定的跟蹤，為反導系統提供關鍵的目標指示功能。天基紅外系統提供了更為強大、可靠和靈活的彈道導彈預警信息，不僅可以更早的探測到遠程和洲際彈道導彈的發射，增加了對飛行中段彈道導彈的探測跟蹤能力，還在設計之初就考慮到對中短程戰術彈道導彈的探測跟蹤能力。
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- 中文名
- 天基紅外系統
- 外文名
- space-based infrared system
- 縮 寫
- SBIRS
- 評 估
- 超過120億美元
- 主要任務
- 提供強大可靠的彈道導彈預警信息
天基紅外系統基本概念
天基紅外系統部署在地球同步軌道或者更高的橢圓軌道上，上面搭載了凝視型和掃描型兩種紅外探測系統。其中，掃描型探測器通過快速區域掃描能在地球背景下發現助推器發動機的明亮尾焰，從而引導凝視型探測器進行特定區域觀測及目標精確跟蹤。天基紅外系統通過兩顆觀測星對目標的監視確定目標的軌跡方向、飛行速度以及飛行高度。據公開資料報道，天基紅外系統的測量精度小於1 km。為使地球背景的亮度最小化，人們可能採用了2.7um和4.3um兩個大氣吸收帶內的譜段作為紅外探測譜段。
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天基紅外系統主要任務
熱真空測試中的SBIRS GEO衞星
天基紅外系統組成與功能
綜合傳感器系統
最早規劃的天基紅外系統是一個包括高軌道星座、低軌道星座和地面數據接收處理設施構成的複雜的綜合傳感器系統。天基紅外系統的高軌道星座包括2顆高橢圓軌道衞星(HEO)和4顆靜止軌道衞星(GEO)，主要用於接替國防支援計劃衞星進行關鍵的戰略和戰術彈道導彈發射和助推段飛行探測任務。天基紅外系統的低軌道星座包括24顆低軌道衞星，這個項目源自更早的亮眼(Brilliant Eyes)計劃，主要用於執行對彈道導彈飛行中段的精確跟蹤任務，並提供了將彈頭從誘餌和彈體碎片中區分出來的識別能力，並可直接向攔截彈提供目標引導數據。天基紅外系統的高軌道和低軌道部分合作提供了覆蓋全球的探測跟蹤能力。
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精確跟蹤
地面設施包括美國本土的任務控制站(MCS)、海外的中繼站(RGS)和多任務移動處理系統(M3P)。此外還包括相關的數據鏈系統以及訓練等基礎支持設施。2001年天基紅外系統的低軌道星座部分從美國空軍轉交給美國彈道導彈防禦局，並改名為天基跟蹤與監視衞星系統(STSS)，2009年STSS的兩顆技術演示驗證衞星發射上天並驗證了其能力，但由於預算問題美國彈道導彈防禦局決定推進下一代的精確跟蹤太空系統(PTSS)的建設，PTSS系統將使用靜止軌道衞星，從而與原來的天基紅外系統低軌道星座徹底分道揚鑣。
多層攔截
2001年，隨着SBIRS-Low系統由美國空軍移交給彈道導彈防禦局，系統改稱太空跟蹤與監視系統(STSS)，所稱的SBIRS系統一般特指原有的SBIRS-High。紅外傳感器採用雙探測器方案，每顆高軌道衞星安裝一台寬視場的高速掃描探測器和窄視場凝視跟蹤探測器，通過兩者的結合，使SBIRS衞星的掃描速度和靈敏度遠遠高於DSP衞星，同時覆蓋面積也大得多。
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高軌道衞星之間本身不進行通信，不過可以和低軌道進行相互通信以做到接力跟蹤。STSS衞星分佈在三個不同平面的太陽同步軌道上，這些低軌道衞星裝備了寬視場掃描探測器和窄視場凝視多光譜探測器。
寬視場掃描探測器可以捕獲地平線以下彈道導彈的尾焰，以儘快完成高軌道衞星轉交的跟蹤工作，窄視場多光譜探測器具有中長波和可見光探測能力，能鎖定目標並對整個彈道中段和再入段進行跟蹤，利用極為靈敏的多光譜探測器，STSS可以實現對助推器燃盡後母艙彈頭等冷目標的探測，在雜波和噪聲中跟蹤彈頭分離並具有分辨彈頭，彈頭母艙，輕重光學雷達誘餌的能力。
STSS系統對彈道導彈彈頭的精確定位，是通過4顆STSS衞星同時探測到並跟蹤為前提，具有很高的定位精度。對於遠程和洲際導彈，通過SBIRS和STSS的配合探測，可以在助推段，上升段，中段和再入段實現對彈道導彈的全程探測與跟蹤，通過精確定位為攔截導彈提供座標，在來襲導彈進入陸基海基雷達探測範圍前發射，實現多層攔截提高攔截成功率。
實時感知
雖然天基紅外系統耗資巨大進度滯後，但美國空軍仍然對其痴心不改。畢竟原有的國防支援計劃衞星基礎設計老舊系統日益老化，而且冷戰期間為防禦戰略導彈設計的系統已經無法應對新形勢的需求。天基紅外系統是美國空軍的第二代天基紅外預警系統，在性能上比國防支援計劃系統有了質的飛躍，是美國空軍優先級最高的空間項目之一。
天基紅外系統最初是作為導彈防禦的預警衞星而設計的，但其探測器十分靈敏，可用於戰術情報收集和戰場態勢感知任務，將滿足導彈預警、導彈防禦、技術情報和戰場態勢感知等多方面要求，甚至還將用於定位森林火險。
發射10即可預警
根據美國物理學會對助推段攔截的評估，國防支援計劃衞星只能探測到穿透雲層後彈道導彈，以7000米高度為例探測到彈道導彈時已經是發射後44秒，考慮到約20秒的跟蹤延遲，攔截彈最早只能在64秒後發射，很難對固體洲際導彈進行助推段攔截，而對助推段更短的短程彈道導彈，助推段攔截更是成為泡影。
由於具備穿透雲層的能力，新一代的天基紅外系統衞星則可在彈道導彈發射後10~20秒內即將預警信息傳遞給指揮控制系統。天基紅外系統的高橢圓軌道衞星的通信能力也很強大，具有100兆比特的下行傳輸速率，可滿足戰略和戰區彈道導彈預警任務的需求。
探測跟蹤能力
天基紅外系統的靜止軌道衞星的紅外載荷要更為豐富，包括高速掃描型紅外探測器和高分辨率凝視型紅外探測器，它們均為短紅外、中紅外和地面可見波段三色紅外探測器，使用被動輻射製冷方式，具有很高的敏捷指向控制能力。高速掃描型探測器使用掃描平面陣分別掃描地球的北半球和南半球，對導彈發射的尾焰進行早期探測，隨後將初步探測導彈的目標轉交給高精度的凝視型探測器，凝視型探測器使用更為精細的凝視平面陣拉近導彈飛行畫面，對目標進行精確跟蹤。
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早期國防支援計劃衞星使用短紅外和可見光探測，無法克服雲層反光的虛警問題，後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都並不理想，雖然足以滿足探測巨大尾焰的遠程和洲際彈道導彈的需求，但對中短程戰術彈道導彈則有些力有不逮。天基紅外系統衞星的紅外平面陣列視場視野寬廣，有利於發現中短程戰區彈道導彈目標，大面積凝視陣進一步提高了對戰術目標的探測跟蹤能力。掃描平面陣紅外探測器和凝視平面陣紅外探測器的結合使用，使天基紅外系統靜止軌道衞星的探測跟蹤能力比國防支援計劃衞星有了巨大的提高。
從報道看，天基紅外系統的高橢圓軌道和靜止軌道衞星性能都有超出預期的表現，它們的交付將顯著提高美國及其盟友對彈道導彈襲擊的預警能力，為尚在建設中的彈道導彈防禦系統提供更為高效的情報支持，也將對包括中國在內的彈道導彈構成了更嚴重的威脅。
天基紅外系統唯一項目
天基紅外系統是美國彈道導彈預警系統中關鍵的組成部分，但研製過程中面臨諸多問題。根據美國總審計署2009年的評估報告，天基紅外系統項目預算從最初的40億美元快速膨脹到120億以上，還存在技術不成熟、軟件複雜性過高以及項目監管不力等諸多問題。天基紅外系統的進度更是屢次拖延，原定第一顆高橢圓軌道衞星2001財年交付，第一顆靜止軌道衞星2002財年交付。實際進度分別延遲了7年和10年。由於成本大幅度超支和進度嚴重滯後等問題。但天基紅外系統在未來很多年內依然都將是美國唯一的天基紅外預警監視項目。
現有的天基紅外系統是原始天基紅外系統的的高軌道部分，總承包商為洛克希德-馬丁公司，載荷分包商為諾斯羅普格魯曼公司，美國空軍太空司令部(AFSPC)負責天基紅外系統的運行。即使沒有低軌道部分，天基紅外系統的研製部署開支仍然是極為巨大的，2007年時評估整個項目的開支將增加到104億美元，2009年評估更是超過120億美元之巨。
天基紅外系統靜止軌道衞星
已經交付使用
2012年2月13日美國天基紅外系統(SBIRS)總承包商洛克希德-馬丁公司在其網站發表文章稱SBIRS系統的首顆靜止軌道衞星GEO-1已經轉移到最終的目標軌道，開始交付用户使用。SBIRS GEO-1衞星將增強美軍探測全球範圍內彈道導彈發射的能力，極大擴張美國彈道導彈防禦系統的情報收集能力。洛克希德-馬丁公司還在繼續研製後續的靜止軌道衞星，完善地面數據接收與處理設備，未來高軌道的SBIRS系統將和低軌道的新一代紅外跟蹤系統構成美國彈道導彈防禦系統的眼睛，第一時間探測並跟蹤全世界範圍內的彈道導彈活動。
開始傳回照片
經過長時間的測試，美國空軍於2008年11月7日宣佈接收SBIRS HEO-1衞星及相關的地面系統，2009年7月27日美國空軍宣佈接收SBIRS HEO-2衞星，SBIRS HEO-1和HEO-2衞星的性能都超過了預期。2011年5月7日美國空軍使用Atlas 401火箭發射了SBIRS GEO-1衞星，GEO-1衞星造價13億美元，這次發射是美國天基紅外預警系統的一個里程碑式成就，開啓了替換國防支援計劃星座工作的序幕。SBIRS GEO-1衞星定位於西經99度附近的赤道上空，並在2011年6月21日尚在系統調試時就發回首張紅外圖像，最終GEO-1衞星於2012年2月交付美國空軍。
得到後續衞星製造預算
除了現有的確定的衞星，美國空軍還在2009財年得到了 SBIRS系統GEO-2、GEO-3的製造預算和HEO-3衞星的載荷預算，2010財年獲得了GEO-4、HEO-4衞星的長期備料和HEO-3/4衞星的載荷集成預算，2011財年獲得了GEO-4衞星的製造預算和GEO-5衞星的長期備料預算，2012財年獲得了GEO-3/4衞星和HEO-3/4衞星的最終制造預算， GEO-2衞星的最後組裝測試和發射預算，以及GEO-5/6衞星的預先採購。2013財年獲得了GEO-5和GEO-6衞星的製造預算。如果預算許可的話，最終天基紅外系統將包括4顆高橢圓衞星和6顆靜止軌道衞星。
指向控制能力
高橢圓軌道衞星紅外載荷只有約500磅(227千克)，為掃描型短紅外、中紅外和地面可見的三色紅外探測器，使用被動輻射致冷器。探測器光學系統使用短施密特望遠鏡和雙光跟蹤系統，具備很高的敏捷精確指向控制能力。天基紅外系統高橢圓軌道衞星的高速掃描紅外探測器的掃描速度和靈敏度比國防支援計劃衞星(即DSP)提高10倍以上，加上新增加的可穿透低層大氣的波段，使其可在導彈發射後立刻捕捉到尾焰，第一時間探測到彈道導彈的發射，這也增強了天基紅外系統對小型中短程彈道導彈的探測能力。
重點監控北半球地域
天基紅外系統衞星分為高橢圓軌道和靜止軌道兩部分，其載荷有很大不同。高橢圓衞星軌道使用閃電型軌道(Molniya Orbit)，閃電型軌道由蘇聯閃電型通信衞星首次使用而得名，它的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，適用於對北半球進行監視任務，蘇聯時代的眼睛(Oko)天基紅外預警衞星使用的就是典型的閃電型軌道。天基紅外系統增加高橢圓閃電型軌道衞星，提高了美國天基預警系統對北半球高緯度地區如俄羅斯本土和中國北部地區尤其是北極地區洲際導彈和潛射導彈發射的監視能力。根據軌道2顆模擬高橢圓軌道衞星即可保證任意時刻都有一顆衞星對北緯75度以北的北極地區進行監視。
- 參考資料
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- 1. 馮芒.美國的新一代導彈預警衞星系統--天基紅外系統[J].飛航導彈,2001,(10):32-34.DOI:10.3969/j.issn.1009-1319.2001.10.013.
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- 4. 張迪,王延春.天基紅外系統的干擾策略[J].科技資訊,2008,(34):12-12.DOI:10.3969/j.issn.1672-3791.2008.34.009.
- 5. 王延春,張迪.對美國天基紅外系統的研究分析[J].電子技術,2008,45(5):57-58.DOI:10.3969/j.issn.1000-0755.2008.05.017.
