美國天基紅外預(yù)警系統(tǒng)概況與啟示*

孫　文， 王　剛， 姚小強(qiáng)， 邵紅菲

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051；2.空軍第三通信團(tuán)，北京100095)

綜述與評論

美國天基紅外預(yù)警系統(tǒng)概況與啟示*

孫文1， 王剛1， 姚小強(qiáng)1， 邵紅菲2

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051；2.空軍第三通信團(tuán)，北京100095)

摘要:天基紅外預(yù)警系統(tǒng)(SBIRS)的戰(zhàn)略地位日益凸顯，對國家軍事發(fā)展具有重要的影響。鑒于我國在天基紅外預(yù)警領(lǐng)域發(fā)展時間短、技術(shù)經(jīng)驗不足等問題，介紹了美國SBIRS的發(fā)展歷程、趨勢，詳細(xì)論述了其組成、功能等內(nèi)容，重點(diǎn)分析了美國SBIRS建設(shè)發(fā)展帶來的啟示。該研究對我國預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:天基紅外預(yù)警系統(tǒng)； 組成功能； 啟示

0引言

美國天基紅外預(yù)警系統(tǒng)(space-based infrared system,SBIRS)是20世紀(jì)90年代提出研制的，主要由天基紅外低軌衛(wèi)星(SBIRS-Low)、天基紅外高軌衛(wèi)星(SBIRS-High)和地面系統(tǒng)組成[1]，作為美國國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，將接替國防支援計劃(DSP)衛(wèi)星，成為美軍執(zhí)行導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈防御、技術(shù)情報和戰(zhàn)場態(tài)勢生成等任務(wù)的主要手段[2]。

經(jīng)過了20多年的發(fā)展，美國的SBIRS在星座構(gòu)建、探測手段和智能化程度等方面都取得了一定的成就，為美國遂行各項作戰(zhàn)任務(wù)提供了有力支撐[3,4]，而我國天基紅外預(yù)警方面的研究起步較晚，在星座部署、預(yù)警模型構(gòu)建等方面缺乏相關(guān)經(jīng)驗教訓(xùn)和技術(shù)理論，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要借鑒學(xué)習(xí)國外的相關(guān)知識。

本文主要圍繞SBIRS 的發(fā)展歷程展開論述，詳細(xì)介紹了其部署、組成及功能情況，重點(diǎn)分析了美軍的SBIRS對我國預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展的幾點(diǎn)啟示。

1SBIRS發(fā)展歷程

1.1主要發(fā)展階段

1992年，美國國防部致力于研究SBIRS，1995年，將其列入美國財政年度開支計劃，原計劃執(zhí)行13年，于2008年完成，但是由于經(jīng)費(fèi)和科研進(jìn)度等原因，計劃未能按期完成[5]。其中，SBIRS-Low和SBIRS-High的主要發(fā)展歷程如表1、表2所示。

1.2未來發(fā)展趨勢

SBIRS的發(fā)展趨勢將是一體化、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)化、微小衛(wèi)星和聯(lián)合發(fā)展[6,7]。

一體化是指全方位、多層次的探測預(yù)警體系，比如美國建立的天基、臨空基、空基和陸基等為一體的導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)以及由預(yù)警與控制衛(wèi)星(AWACS)和RQ—4A“全球鷹”無人機(jī)構(gòu)成的天基預(yù)警與控制雷達(dá)系統(tǒng)。

表1　SBIRS-Low的發(fā)展歷程

表2　SBIRS-High的發(fā)展歷程

戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用是指將星座縮小，由戰(zhàn)略層次延伸到戰(zhàn)術(shù)層次，比如美軍在地面用高速計算機(jī)處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)縮短預(yù)警時間，選擇探測器合適的波段和靈敏度，將低軌衛(wèi)星縮小到8顆，以提高支援部隊作戰(zhàn)能力。

網(wǎng)絡(luò)化是指建立一個全球的國防信息網(wǎng)，實現(xiàn)星間通信、數(shù)據(jù)處理和信息融合，比如美軍研制的國家戰(zhàn)略預(yù)警網(wǎng)絡(luò)化信息集成系統(tǒng)、全球戰(zhàn)術(shù)信息廣播系統(tǒng)等，為全球美軍和盟軍的作戰(zhàn)提供導(dǎo)彈發(fā)射和戰(zhàn)場態(tài)勢等信息。

微小星座是指采用小衛(wèi)星組網(wǎng)，以星座的形式部署，實現(xiàn)探測、捕獲、跟蹤，比如：美國陸軍研制的多種納衛(wèi)星，其探測范圍廣，生存能力強(qiáng)，成本低廉。

聯(lián)合發(fā)展是指多國共同研制開發(fā)建設(shè)預(yù)警系統(tǒng)，比如：歐洲國家研制天基共享成像系統(tǒng)；美俄兩國共同改造莫斯科的導(dǎo)彈預(yù)警設(shè)施，共同運(yùn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)中心。

2SBIRS組成與功能

SBIRS主要由SBIRS-Low，SBIRS-High和地面系統(tǒng)組成，主要執(zhí)行紅外監(jiān)視與跟蹤導(dǎo)彈發(fā)射全過程的任務(wù)，能夠同時探測來襲的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，并且可以提供全球和戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈預(yù)警、國家和戰(zhàn)區(qū)的導(dǎo)彈防御、技術(shù)情報支持和戰(zhàn)場態(tài)勢生成等功能[8]。探測系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵部分，主要利用目標(biāo)與背景之間的紅外輻射溫差形成的熱點(diǎn)或圖像來探測目標(biāo)信息[9]，組成原理如圖1所示。

圖1　天基紅外探測系統(tǒng)組成原理框圖Fig 1　Principle block diagram of SBIRS constitution

2.1SBIRS-Low部分

SBIRS-Low是SBIRS的核心部分，如圖2，包括12～24顆部署在約1 600 km高度的近地軌道小衛(wèi)星，分布于1～3個軌道面上，構(gòu)成了一個覆蓋全球的衛(wèi)星系統(tǒng)，其中，每顆衛(wèi)星搭載了一臺寬視場短波紅外捕獲探測器和一臺窄視場凝視型跟蹤探測器。SBIRS-Low衛(wèi)星的設(shè)計壽命約為10年。

圖2　SBIRS-Low衛(wèi)星空間部署Fig 2　Satellite space deployment of SBIRS-Low

主要用于探測、捕獲和跟蹤飛行中段的彈道導(dǎo)彈[10]，通過測量目標(biāo)分譜輻射量、溫度、有效輻射面積及其變化率。SBIRS-Low衛(wèi)星可以分辨誘餌彈和真實彈頭，獲得彈頭的位置、速度和加速度，為地基攔截提供相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行超視距制導(dǎo)，提供目標(biāo)精確定位，增加攔截導(dǎo)彈的防御區(qū)域[11]， 同時它還兼有太空防御的能力，可以對全球范圍內(nèi)的導(dǎo)彈發(fā)射進(jìn)行不間斷的監(jiān)視和監(jiān)測，并提供導(dǎo)彈準(zhǔn)確的發(fā)射時間和地點(diǎn)，此外，SBIRS-Low系統(tǒng)還提供有關(guān)導(dǎo)彈發(fā)射場的特征參數(shù)和相關(guān)導(dǎo)彈類型的技術(shù)情報。其衛(wèi)星為低費(fèi)用小衛(wèi)星，采用多臺遙感器，工作波段包括可見光、中波紅外和短波紅外。工作過程是寬視場掃描捕獲探測器按照先地平線以下、后地平線以上的順序進(jìn)行探測，以捕獲和跟蹤導(dǎo)彈目標(biāo)的尾焰及彈體、助推級后的尾焰和彈體以及最后的冷再入彈頭，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，便將目標(biāo)信息傳遞給高軌衛(wèi)星，窄視場多光譜探測器進(jìn)行中長波和可見光探測，鎖定目標(biāo)并對整個彈道中段和再入段進(jìn)行跟蹤，可同時鎖定跟蹤100多個目標(biāo)，對洲際彈道導(dǎo)彈的最長預(yù)警時間可增加到20～30 min，為導(dǎo)彈防御贏得充足的時間。

2.2SBIRS-High部分

如圖4所示，SBIRS-High由4顆地球同步軌道衛(wèi)星、2顆大橢圓軌道衛(wèi)星和1顆地面?zhèn)浞菪l(wèi)星組成。其中，4顆地球同步軌道衛(wèi)星的高度為36 000 km,每顆衛(wèi)星上都裝有高速掃描型探測器和與之互補(bǔ)的凝視型探測器[12]。

圖3　SBIRS-High衛(wèi)星空間部署Fig 3　Satellite space deployment of SBIRS-High

主要用于探測和跟蹤助推段的彈道導(dǎo)彈，為美國最高指揮機(jī)構(gòu)和作戰(zhàn)部門提供全球和戰(zhàn)區(qū)范圍內(nèi)的戰(zhàn)略、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈發(fā)射和助推段飛行與下落階段的紅外數(shù)據(jù)[13,14]。利用短波、中波段(2.7 μm和4.3 μm)紅外傳感器探測戰(zhàn)略、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈的尾焰輻射和蒙皮輻射，提供導(dǎo)彈的發(fā)射和主動段的非成像紅外數(shù)據(jù)并預(yù)測導(dǎo)彈落區(qū)。其衛(wèi)星的掃描型探測器的掃描周期為1 s，與高分辨率凝視型探測器相結(jié)合，可使SBIRS-High衛(wèi)星的掃描速度和靈敏度比DSP衛(wèi)星高10倍以上，它可以在導(dǎo)彈發(fā)射10～20 s將預(yù)警信息傳遞給地面雷達(dá)，而DSP則需要40～50 s，定位精度小于1 km，而DSP衛(wèi)星精度約3 km。工作過程是掃描型探測器分別對地球南北半球進(jìn)行一維線陣掃描，凝視型探測器根據(jù)探測信息對發(fā)射畫面進(jìn)行二維陣面放大，并進(jìn)行跟蹤，將獲取的預(yù)警信息在10～20 s內(nèi)傳遞給預(yù)警指揮控制中心[15]。高軌衛(wèi)星間不進(jìn)行通信，但可以和低軌衛(wèi)星進(jìn)行通信以接力跟蹤。

2.3地面系統(tǒng)部分

地面系統(tǒng)是SBIRS的重要組成部分，主要由美國本土的地面控制站、備用地面控制站、防摧毀站、海外中繼站、多任務(wù)移動處理站以及通信鏈路等組成，分為固定站、移動站和抗摧毀站三類。主要是接收和處理SBIRS-High衛(wèi)星和SBIRS-Low衛(wèi)星的信息與數(shù)據(jù)，并且對衛(wèi)星進(jìn)行控制。

3關(guān)于建立預(yù)警系統(tǒng)的啟示

美國SBIRS的建設(shè)已經(jīng)形成了較為完備的體系，處于世界先進(jìn)國家行列[16]，擁有豐富的經(jīng)驗啟示，我國要充分認(rèn)清建設(shè)預(yù)警系統(tǒng)的復(fù)雜性和艱巨性，吸收其他國家的經(jīng)驗教訓(xùn)，走出建設(shè)預(yù)警系統(tǒng)的特色之路。

1)合理規(guī)劃，有序執(zhí)行。SBIRS是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及高軌、低軌和地面部分，包括偵查衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星及各類探測器等，執(zhí)行各類預(yù)警探測任務(wù)。因此，在研制預(yù)警系統(tǒng)的道路上，要根據(jù)科研能力、設(shè)備條件、任務(wù)緩急等實際情況，分系統(tǒng)分層次合理規(guī)劃，分時期分階段有序執(zhí)行，決定優(yōu)先重點(diǎn)研究的部分以及所要付出的代價周期。如根據(jù)美國的最初研制情況，可以針對重要敏感地區(qū)優(yōu)先研制幾顆低軌衛(wèi)星及相應(yīng)的地面系統(tǒng)，實現(xiàn)在該地區(qū)的監(jiān)控預(yù)警，在戰(zhàn)術(shù)級水平上滿足現(xiàn)實需要。

2)多軍兵種協(xié)同，共同研制。天基紅外系統(tǒng)的建設(shè)僅靠單一的軍兵種進(jìn)行研究，所需要的周期較長，耗費(fèi)的物力財力等都很大，難以在有限的時間內(nèi)取得較為理想的效果，這就使得各軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)成為可能。如在研制過程中，根據(jù)任務(wù)分配，確定各軍兵種的研制內(nèi)容，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，共同完成對預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)。

3)軍地聯(lián)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。SBIRS已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略層面的高度，對其研制要充分調(diào)動軍地兩方的優(yōu)勢資源，形成互補(bǔ)合力。如美國的SBIRS主要是由洛克希德·馬丁公司、古德里奇公司等與軍方協(xié)同研究的，我國在研制的道路上也要注重軍民結(jié)合，民為軍用，提高效率。

4)注重基礎(chǔ)，勇于創(chuàng)新。由于起步較晚，所以，要特別注重對基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)研究的學(xué)習(xí)，打牢根基；同時，不能固守理論，要根據(jù)需求，適當(dāng)調(diào)整發(fā)展思路。如可以在紅外傳感器的基礎(chǔ)上，加入雷達(dá)、可見光等傳感器。

4結(jié)束語

SBIRS在未來攻防體系對抗中的作用日益重要，逐漸成為軍事大國研究的熱點(diǎn)。美國在研制SBIRS的過程中形成了一套較為完整的體系框架，本文以美國SBIRS發(fā)展歷程、趨勢為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了SBIRS的組成功能，為我國的建設(shè)預(yù)警系統(tǒng)提供了重要的理論依據(jù)和發(fā)展啟示。

參考文獻(xiàn):

[1]李國柱,孫軼.美國天基紅外預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展[J].艦船電子工程,2011,31(10):12-15.

[2]謝勁松.美國天基紅外技術(shù)的發(fā)展分析[J].艦船電子工程,2012,32(6):8-10.

[3]Geoff Andersen,Olha Asmolova,Geoff McHarg,et al.FalconSAT—7:Towards rapidly deployable space-based surveillance[C]∥Proc of 2013 AMOS Technical Conference,2013:10-13.

[4]Andrew W,Harris Jr.Impacts of space system acquisition on national security[D].California:Naval Postgraduate School,2012:17-21.

[5]龐文,蘇劍.淺析國內(nèi)外天基預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].學(xué)術(shù)研究,2013(22):253-254.

[6]Robert Berg.The future of warfare & impact of space operations[J].Army Space Journal,2011:30-33.

[7]吳昊.國外天基紅外系統(tǒng)的發(fā)展動向與分析[J].艦船電子工程,2013,33(12):145-148.

[8]龍云利.天基紅外監(jiān)視系統(tǒng)目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)研究[D].長沙：國防科技大學(xué),2012:2-7.

[9]李剛.空間目標(biāo)天基紅外探測光學(xué)系統(tǒng)研究[D].西安：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,2013:1-5.

[10] 谷雨.地球同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星仿真模型研究[J].電子科技,2012,25(8):80-85.

[11] 趙煒,黃樹彩,于強(qiáng),等.彈道導(dǎo)彈主動段天基紅外跟蹤方法綜述[J].飛航導(dǎo)彈,2014(7):82-87.

[12] 胡磊,閆世強(qiáng),劉輝,等.美國GEO預(yù)警衛(wèi)星覆蓋性能分析[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報,2012,26(6):404-408.

[13] 李小將,金山,廖海玲,等.美軍SBIRS GEO—1預(yù)警衛(wèi)星探測預(yù)警能力分析[J].激光與紅外,2013,43(1):3-8.

[14] 岳楨干.美國SBIRS GEO—2衛(wèi)星發(fā)射升空[J].紅外,2013,34(4):47-48.

[15] 毛藝帆,張多林,王路.美國SBIRS—HEO衛(wèi)星預(yù)警能力分析[J].紅外技術(shù),2014,36(6):467-470.

[16] Chaplain T.Space acquisitions:DOD faces challenges in fully realizing benefits of satellite acquisition improvements[J].United States Government Accountability Office,2012(3):13-17.

General situation and enlightenment of space-based infrared early-warning system of America*

SUN Wen1, WANG Gang1, YAO Xiao-qiang1, SHAO Hong-fei2

(1.College of Air and Missile Defense,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China；2.The Third Communications Regiment, Air Force,Beijing 100095,China)

Abstract:Strategy status of space-based infrared early-warning system (SBIRS) is more and more important,it has great influence on development of national military affairs.Because in our country development time in this field is short,technology and experience are insufficient,development process and trend of SBIRS in America are introduced,constitution and function are illustrated in detail,enlightenment of SBIRS in American is analyzed.The study has great guidance significance to develop early-warning system of our nation.

Key words:space-based infrared early-warning system(SBIRS); constitution and function; enlightenment

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0001—03

收稿日期：2015—09—09

*基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61272011)；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(61102109)

中圖分類號:TN 976

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0001—03

作者簡介:

孫文(1992-)，男，山東青州人，碩士研究生，主要從事天基預(yù)警系統(tǒng)部署和探測性能分析研究。