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美国天基导弹预警跟踪系统发展动向

时间:2017-10-10 来源:《国际太空》 点击:
天基预警跟踪系统具有高视角、探测范围广、预警时间长、具备全程跟踪能力等特点,可为弹道导弹防御和实施反击提供及时预警信息,是导弹预警体系的重要组成部分。2017年1月,美国“天基红外系统”(SBIRS)第三颗地球静止轨道卫星发射入轨。美国总统特朗普在竞选期间提出,美国弹道导弹防御系统未来将重点发展天基导弹预警和跟踪技术。2017年6月,美国国会众议院武装力量委员会发布《2018财年国防授权法案》,要求国防部尽快制定天基导弹防御战略,重点是明确未来天基导弹预警探测器如何发展,并对其研制和部署成本进行评估。上述动向表明,天基系统已成为美国导弹预警跟踪系统发展的重点之一。

1. “国防支援计划”卫星

▲ 美国国防支援计划-23卫星在轨飞行示意图
 

“国防支援计划”(DSP)卫星系统是美国第一种实战部署的预警卫星系统,该系统已发展三代共23颗卫星,目前仅有4颗卫星在轨服役,运行在地球同步轨道(GSO)上。“国防支援计划”卫星经过4次改进,卫星性能不断提高,由最初只能用于探测远程战略弹道导弹发射,到1991年海湾战争时,已经能够用于探测伊拉克发射的战区弹道导弹。随着导弹技术的发展(如诱饵、中段机动、多目标等技术),加之“国防支援计划”卫星研制较早,在性能上无法满足当前和未来弹道导弹防御作战需要,如无法跟踪中段飞行导弹、扫描速度慢、虚警率高、预警时间短等。为此,美国正在发展“天基红外系统”,以逐步取代“国防支援计划”系统。

 

美国在“国防支援计划”预警卫星上的主要载荷有2种:一种是红外望远镜,每隔8~12s就可以对地球表面1/3区域重复扫描1次,能在导弹发射后90s探测到导弹尾焰的红外辐射信号,并将这一信息传给地面接收站,地面接收站再将情报传给指挥中心,全过程仅需3~4min;二是高分辨率可见光电视摄像机,安装摄像机是防止把高空云层反射的阳光误认为是导弹尾焰而造成虚警。在星上红外望远镜没有发现目标时,摄像机每隔30s向地面发送1次电视图像,一旦红外望远镜发现目标,摄像机就自动或根据地面指令连续向地面站发送目标图像,以1~2帧/秒的速度在地面电视屏幕上显示导弹尾焰图像的运动轨迹。

2. “天基红外系统”

▲ 部署在GEO轨道的美国“天基红外系统”卫星
 

美国1995年提出发展“天基红外系统”,以取代“国防支援计划”卫星。最初目标是构建由4颗地球静止轨道(GEO)卫星、2个大椭圆轨道(HEO)有效载荷和24颗低地球轨道(LEO)卫星组成的新一代预警卫星系统星座。2002年,“天基红外系统”低轨计划因耗资过大而被取消,高轨部分仍由美国空军负责,称为“天基红外系统”,由4颗GEO卫星和2个HEO轨道载荷组成。其中,GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹,HEO载荷用于将系统的预警覆盖范围扩展到南北两极。但是,“天基红外系统”计划并未因为其低轨计划的剥离而顺利推进,而是遭遇了严重的“拖降涨”问题。

 

“天基红外系统”GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段飞行的弹道导弹,带有凝视型和扫描型2种红外探测器。扫描型探测器用于对地球南北半球进行大范围扫描,通过探测导弹发射时喷出的尾焰对导弹发射情况进行监视;凝视型探测器用于将导弹的发射画面拉近放大,并紧盯可疑目标,获取详细的目标信息。2种探测器独立接受任务指令,意味着这2种探测器可以同时工作,即在扫描广大区域的同时,对重点区域进行详细观察。扫描型和凝视型探测器相结合,使“天基红外系统”的扫描速度和灵敏度相比“国防支援计划”系统提高了10倍以上,能够穿透大气层在导弹刚一点火就探测到其发射,可在导弹发射后10~20s内将警报信息传送给部队。HEO轨道载荷可将系统的预警能力扩展到南北两极地区。

3.“空间跟踪与监视系统”

▲ 美国“空间跟踪与监视系统”卫星在轨飞行示意图
 

“天基红外系统”低轨部分起初由美国空军主管,由于存在较大技术风险,2002年更名为“空间跟踪与监视系统”(STSS),并由美国空军移交给导弹防御局(MDA)。“空间跟踪与监视系统”计划的目标是构建具有对弹道导弹全程跟踪和探测能力的卫星星座,能够区分真假弹头,能够将跟踪数据传输给指挥控制系统,以引导雷达跟踪目标,并能提供拦截效果评估。由于技术风险和经费投入过大,美国国会要求调整计划,最终仅批准先发射2颗卫星进行技术演示验证试验。2009年9月,“空间跟踪与监视系统”的2颗演示验证卫星发射入轨。2颗演示验证卫星入轨后,多次参与美国一系列导弹拦截试验,展示了导弹全程跟踪、立体式跟踪、多目标跟踪、空间目标跟踪、相机间任务转交、双星间通信,以及下行链路和导弹防御指挥与控制系统通信能力。在多次导弹防御试验中生成高质量预警信息,拥有更优的预报精度,缩短了信息传输回路,可以提供更多拦截准备时间。

 

2011年4月,“空间跟踪与监视系统”的1颗卫星捕获到发射后处于飞行中段的靶弹,利用星间链路提示另一颗卫星进行立体跟踪并相互传递数据,首次演示验证了对弹道导弹的全程跟踪能力。2013年2月,美国导弹防御局和海军进行的标准导弹飞行试验-20中,“空间跟踪与监视系统”卫星利用其精确跟踪能力,首次为“宙斯盾”(Aegis)弹道导弹防御系统提供了目标指示,并为标准-3-1A拦截弹制定火控方案。“空间跟踪与监视系统”可以为导弹拦截系统提供更准确、及时的预警信息,与拦截弹形成火力控制的闭环回路,将使“宙斯盾”系统有能力在靶弹进入探测范围前发射拦截弹,支持更早、更准确的拦截,大大扩展了整个导弹防御区域。

4. “天基杀伤评估”系统

 

“天基杀伤评估”(SKA)系统是美国导弹防御局正在开展的导弹拦截效果评估实验系统。该系统通过在商业卫星上搭载托管载荷,用于评估导弹拦截是否成功。“天基杀伤评估”探测器包括3个单像素光敏二极管,质量约10kg,将搭载在商业卫星上。“天基杀伤评估”探测器将主要依靠导弹防御指挥控制系统提供的预计拦截点位置信息,预先定位探测器可观测拦截碰撞所产生的可见光和红外光,通过观测碰撞-杀伤拦截所产生破片云的闪光或热辐射的可见光或红外光谱,对拦截弹的毁伤效果及来袭导弹的载荷类型进行评估。

 

 

美国国防部《2014财年国防授权法案》提出,“导弹防御局应提高地基中段导弹防御系统杀伤评估能力”。2014年4月,导弹防御局启动“天基杀伤评估”系统项目,前期工作由2013年取消的“精确跟踪太空系统”项目剩余经费提供部分资金。目前,最有可能搭载“天基杀伤评估”系统载荷的商业卫星是“铱”(Iridium)卫星系统。美国计划2017年9月发射10颗“铱”卫星,由于“天基杀伤评估”系统载荷只有10kg,因此每颗卫星可容纳多个载荷。