[科普中国]-天基红外系统

基本概念

天基红外系统部署在地球同步轨道或者更高的椭圆轨道上，上面搭载了凝视型和扫描型两种红外探测系统。其中，扫描型探测器通过快速区域扫描能在地球背景下发现助推器发动机的明亮尾焰，从而引导凝视型探测器进行特定区域观测及目标精确跟踪。天基红外系统通过两颗观测星对目标的监视确定目标的轨迹方向、飞行速度以及飞行高度。据公开资料报道，天基红外系统的测量精度小于1 km。为使地球背景的亮度最小化，人们可能采用了2.7um和4.3um两个大气吸收带内的谱段作为红外探测谱段。2

主要任务天基红外系统的主要任务是为美军提供全球范围内的战略和战术弹道导弹预警，对弹道导弹从助推段开始进行可靠稳定的跟踪，为反导系统提供关键的目标指示功能。天基红外系统提供了更为强大、可靠和灵活的弹道导弹预警信息，不仅可以更早的探测到远程和洲际弹道导弹的发射，增加了对飞行中段弹道导弹的探测跟踪能力，还在设计之初就考虑到对中短程战术弹道导弹的探测跟踪能力。3

组成与功能综合传感器系统最早规划的天基红外系统是一个包括高轨道星座、低轨道星座和地面数据接收处理设施构成的复杂的综合传感器系统。天基红外系统的高轨道星座包括2颗高椭圆轨道卫星(HEO)和4颗静止轨道卫星(GEO)，主要用于接替国防支援计划卫星进行关键的战略和战术弹道导弹发射和助推段飞行探测任务。天基红外系统的低轨道星座包括24颗低轨道卫星，这个项目源自更早的亮眼(Brilliant Eyes)计划，主要用于执行对弹道导弹飞行中段的精确跟踪任务，并提供了将弹头从诱饵和弹体碎片中区分出来的识别能力，并可直接向拦截弹提供目标引导数据。天基红外系统的高轨道和低轨道部分合作提供了覆盖全球的探测跟踪能力。4

精确跟踪地面设施包括美国本土的任务控制站(MCS)、海外的中继站(RGS)和多任务移动处理系统(M3P)。此外还包括相关的数据链系统以及训练等基础支持设施。2001年天基红外系统的低轨道星座部分从美国空军转交给美国弹道导弹防御局，并改名为天基跟踪与监视卫星系统(STSS)，2009年STSS的两颗技术演示验证卫星发射上天并验证了其能力，但由于预算问题美国弹道导弹防御局决定推进下一代的精确跟踪太空系统(PTSS)的建设，PTSS系统将使用静止轨道卫星，从而与原来的天基红外系统低轨道星座彻底分道扬镳。

多层拦截2001年，随着SBIRS-Low系统由美国空军移交给弹道导弹防御局，系统改称太空跟踪与监视系统(STSS)，现在所称的SBIRS系统一般特指原有的SBIRS-High。红外传感器采用双探测器方案，每颗高轨道卫星安装一台宽视场的高速扫描探测器和窄视场凝视跟踪探测器，通过两者的结合，使SBIRS卫星的扫描速度和灵敏度远远高于DSP卫星，同时覆盖面积也大得多。5高轨道卫星之间本身不进行通信，不过可以和低轨道进行相互通信以做到接力跟踪。STSS卫星分布在三个不同平面的太阳同步轨道上，这些低轨道卫星装备了宽视场扫描探测器和窄视场凝视多光谱探测器。

宽视场扫描探测器可以捕获地平线以下弹道导弹的尾焰，以尽快完成高轨道卫星转交的跟踪工作，窄视场多光谱探测器具有中长波和可见光探测能力，能锁定目标并对整个弹道中段和再入段进行跟踪，利用极为灵敏的多光谱探测器，STSS可以实现对助推器燃尽后母舱弹头等冷目标的探测，在杂波和噪声中跟踪弹头分离并具有分辨弹头，弹头母舱，轻重光学雷达诱饵的能力。

STSS系统对弹道导弹弹头的精确定位，是通过4颗STSS卫星同时探测到并跟踪为前提，具有很高的定位精度。对于远程和洲际导弹，通过SBIRS和STSS的配合探测，可以在助推段，上升段，中段和再入段实现对弹道导弹的全程探测与跟踪，通过精确定位为拦截导弹提供坐标，在来袭导弹进入陆基海基雷达探测范围前发射，实现多层拦截提高拦截成功率。

实时感知虽然天基红外系统耗资巨大进度滞后，但美国空军仍然对其痴心不改。毕竟原有的国防支援计划卫星基础设计老旧系统日益老化，而且冷战期间为防御战略导弹设计的系统已经无法应对新形势的需求。天基红外系统是美国空军的第二代天基红外预警系统，在性能上比国防支援计划系统有了质的飞跃，是美国空军优先级最高的空间项目之一。

天基红外系统最初是作为导弹防御的预警卫星而设计的，但其探测器十分灵敏，可用于战术情报收集和战场态势感知任务，将满足导弹预警、导弹防御、技术情报和战场态势感知等多方面要求，甚至还将用于定位森林火险。

发射10即可预警根据美国物理学会对助推段拦截的评估，国防支援计划卫星只能探测到穿透云层后弹道导弹，以7000米高度为例探测到弹道导弹时已经是发射后44秒，考虑到约20秒的跟踪延迟，拦截弹最早只能在64秒后发射，很难对固体洲际导弹进行助推段拦截，而对助推段更短的短程弹道导弹，助推段拦截更是成为泡影。

由于具备穿透云层的能力，新一代的天基红外系统卫星则可在弹道导弹发射后10~20秒内即将预警信息传递给指挥控制系统。天基红外系统的高椭圆轨道卫星的通信能力也很强大，具有100兆比特的下行传输速率，可满足战略和战区弹道导弹预警任务的需求。

探测跟踪能力天基红外系统的静止轨道卫星的红外载荷要更为丰富，包括高速扫描型红外探测器和高分辨率凝视型红外探测器，它们均为短红外、中红外和地面可见波段三色红外探测器，使用被动辐射制冷方式，具有很高的敏捷指向控制能力。高速扫描型探测器使用扫描平面阵分别扫描地球的北半球和南半球，对导弹发射的尾焰进行早期探测，随后将初步探测导弹的目标转交给高精度的凝视型探测器，凝视型探测器使用更为精细的凝视平面阵拉近导弹飞行画面，对目标进行精确跟踪。2

早期国防支援计划卫星使用短红外和可见光探测，无法克服云层反光的虚警问题，后来虽然演进到双色红外波段，但6000单元一维线阵列的视场和分辨率都并不理想，虽然足以满足探测巨大尾焰的远程和洲际弹道导弹的需求，但对中短程战术弹道导弹则有些力有不逮。天基红外系统卫星的红外平面阵列视场视野宽广，有利于发现中短程战区弹道导弹目标，大面积凝视阵进一步提高了对战术目标的探测跟踪能力。扫描平面阵红外探测器和凝视平面阵红外探测器的结合使用，使天基红外系统静止轨道卫星的探测跟踪能力比国防支援计划卫星有了巨大的提高。

从目前的报道看，天基红外系统的高椭圆轨道和静止轨道卫星性能都有超出预期的表现，它们的交付将显著提高美国及其盟友对弹道导弹袭击的预警能力，为尚在建设中的弹道导弹防御系统提供更为高效的情报支持，也将对包括中国在内的弹道导弹构成了更严重的威胁。

唯一项目天基红外系统是美国弹道导弹预警系统中关键的组成部分，但研制过程中面临诸多问题。根据美国总审计署2009年的评估报告，天基红外系统项目预算从最初的40亿美元快速膨胀到120亿以上，还存在技术不成熟、软件复杂性过高以及项目监管不力等诸多问题。天基红外系统的进度更是屡次拖延，原定第一颗高椭圆轨道卫星2001财年交付，第一颗静止轨道卫星2002财年交付。实际进度分别延迟了7年和10年。由于成本大幅度超支和进度严重滞后等问题。但天基红外系统在未来很多年内依然都将是美国唯一的天基红外预警监视项目。

现有的天基红外系统是原始天基红外系统的的高轨道部分，总承包商为洛克希德-马丁公司，载荷分包商为诺斯罗普格鲁曼公司，美国空军太空司令部(AFSPC)负责天基红外系统的运行。即使没有低轨道部分，天基红外系统的研制部署开支仍然是极为巨大的，2007年时评估整个项目的开支将增加到104亿美元，2009年评估更是超过120亿美元之巨。

首颗静止轨道卫星已经交付使用2012年2月13日美国天基红外系统(SBIRS)总承包商洛克希德-马丁公司在其网站发表文章称SBIRS系统的首颗静止轨道卫星GEO-1已经转移到最终的目标轨道，开始交付用户使用。SBIRS GEO-1卫星将增强美军探测全球范围内弹道导弹发射的能力，极大扩张美国弹道导弹防御系统的情报收集能力。洛克希德-马丁公司还在继续研制后续的静止轨道卫星，完善地面数据接收与处理设备，未来高轨道的SBIRS系统将和低轨道的新一代红外跟踪系统构成美国弹道导弹防御系统的眼睛，第一时间探测并跟踪全世界范围内的弹道导弹活动。

开始传回照片经过长时间的测试，美国空军于2008年11月7日宣布接收SBIRS HEO-1卫星及相关的地面系统，2009年7月27日美国空军宣布接收SBIRS HEO-2卫星，SBIRS HEO-1和HEO-2卫星的性能都超过了预期。2011年5月7日美国空军使用Atlas 401火箭发射了SBIRS GEO-1卫星，GEO-1卫星造价13亿美元，这次发射是美国天基红外预警系统的一个里程碑式成就，开启了替换国防支援计划星座工作的序幕。SBIRS GEO-1卫星定位于西经99度附近的赤道上空，并在2011年6月21日尚在系统调试时就发回首张红外图像，最终GEO-1卫星于2012年2月交付美国空军。

得到后续卫星制造预算除了现有的确定的卫星，美国空军还在2009财年得到了 SBIRS系统GEO-2、GEO-3的制造预算和HEO-3卫星的载荷预算，2010财年获得了GEO-4、HEO-4卫星的长期备料和HEO-3/4卫星的载荷集成预算，2011财年获得了GEO-4卫星的制造预算和GEO-5卫星的长期备料预算，2012财年获得了GEO-3/4卫星和HEO-3/4卫星的最终制造预算， GEO-2卫星的最后组装测试和发射预算，以及GEO-5/6卫星的预先采购。2013财年获得了GEO-5和GEO-6卫星的制造预算。如果预算许可的话，最终天基红外系统将包括4颗高椭圆卫星和6颗静止轨道卫星。

指向控制能力高椭圆轨道卫星红外载荷只有约500磅(227千克)，为扫描型短红外、中红外和地面可见的三色红外探测器，使用被动辐射致冷器。探测器光学系统使用短施密特望远镜和双光跟踪系统，具备很高的敏捷精确指向控制能力。天基红外系统高椭圆轨道卫星的高速扫描红外探测器的扫描速度和灵敏度比国防支援计划卫星(即DSP)提高10倍以上，加上新增加的可穿透低层大气的波段，使其可在导弹发射后立刻捕捉到尾焰，第一时间探测到弹道导弹的发射，这也增强了天基红外系统对小型中短程弹道导弹的探测能力。

重点监控北半球地域天基红外系统卫星分为高椭圆轨道和静止轨道两部分，其载荷有很大不同。高椭圆卫星轨道使用闪电型轨道(Molniya Orbit)，闪电型轨道由苏联闪电型通信卫星首次使用而得名，它的特点是在远地点附近停留的时间很长，而且远地点附近在北半球有很好的可见度，适用于对北半球进行监视任务，苏联时代的眼睛(Oko)天基红外预警卫星使用的就是典型的闪电型轨道。天基红外系统增加高椭圆闪电型轨道卫星，提高了美国天基预警系统对北半球高纬度地区如俄罗斯本土和中国北部地区尤其是北极地区洲际导弹和潜射导弹发射的监视能力。根据轨道2颗模拟高椭圆轨道卫星即可保证任意时刻都有一颗卫星对北纬75度以北的北极地区进行监视。