刘云汉 钱方

（中国电子科技集团公司电子科学研究院 北京市 100041）

1 引言

为了弥补DSP 性能的不足，美国天基红外系统的发展分为两条路线。一条路线是通过提高灵敏度、增加扫描速度、缩短反应时间来完善高轨卫星预警探测能力，先后提出“助推段监视跟踪系统”（BSTS）、“后续预警系统”（FEWS）、“导弹警戒、定位、报知系统”（ALARM）和“天基红外系统”（SBIRS），未来将研制下一代天基红外系统（SBIRS Follow-on）。另一条线是向低轨拓展，抵近观察，先后提出“天基监视跟踪系统”（SSTS）、“亮眼”（Brilliant Eyes）、“天基红外系统低轨部分”（SBIRS-Low）、“天基跟踪监视系统”（STSS）和“精确跟踪空间系统”（PTSS），这些计划除DSP、SBIRS、STSS 形成装备外，其他计划包括PTSS均作为过渡计划先后被取消。

天基红外系统由高轨天基红外系统（SBIRS-High）和低轨天基红外系统（SBIRS-Low）组成，高轨天基红外系统由4 颗地球同步轨道预警卫星（GEO）和4 颗大椭圆轨道预警卫星（HEO）组成，前者负责战略预警任务，后者负责潜射弹道导弹和极地来袭导弹预警。低轨天基红外系统由20-30颗低轨预警卫星（LEO）组成。SBIRS 还包括地面控制、信息处理和分发等设施。2002 年，SBIRS-Low 更名为空间跟踪和监视系统（STSS）。图1 为根据2018 年1 月16 日公布的SBIRS 系统卫星两行轨道根数（TLE）仿真的卫星星座部署图。

图1： SBIRS 星座部署示意图

2 预警卫星系统能力仿真

2.1 SBIRS-High星座能力仿真

2.1.1 SBIRS-High 星座探测能力

SBIRS-High 主要用于探测和跟踪处于主动段飞行的弹道导弹，利用短波或中波红外传感器探测弹道导弹的尾焰辐射和蒙皮辐射，提供主动段红外数据并预测导弹的发、落点信息和射向估计。与DSP 相比，SBIRS 扫描速度更快，SBIRS GEO 搜索速度是DSP 的10 倍，覆盖范围也更广。卫星采用高控制精度的三轴稳定技术，搭载两台高灵敏宽视场扫描和窄视场凝视红外传感器，前者用于全区域快速搜索，后者用于小块区域重点监视。通常，先由扫描传感器快速搜索导弹发射后的高温尾焰，确判威胁目标后，引导凝视传感器跟踪尾焰并提供参数，两者相互补充交替使用。SBIRS 能提供精确的导弹轨迹，直到助推器关机。SBIRSHEO 卫星最高点为40000km，最低点约1000km，轨道倾角约63 度，卫星每717.8 分钟（约12 小时）绕地球一周，其中约90%的时间都驻留在北半球，4 颗卫星中至少有2 颗卫星能够保证监视北极地区，弥补DSP 了卫星无法完成极地覆盖的缺陷。图2 左侧亮斑为HEO-1 拍摄到的未知卫星处于上升段的图像，该颗卫星正由助推器送入预定轨道，图中右侧爆亮点为运载火箭再入大气层的图像。图3 为HEO-2拍摄的导弹发射时的红外图像。

图2： HEO-1 拍摄的红外图像

图3： HEO-2 拍摄的红外图像

2.1.2 SBIRS-High 星座覆盖性能根据公开的资料，SBIRS-GEO 卫星载荷包括扫描传感

器和凝视传感器，SBIRS-HEO 卫星载荷为宽视场扫描型传感器，均工作在短波和中波红外波段，具有直视地面的能力。通过STK 仿真可知GEO 星座可对我国实现100%二重覆盖，对全球90%以上区域实现覆盖，其中二重覆盖率达到43%，可以实现全天候全球范围的实时快速预警。具体覆盖图见图4 和图5。

图4： GEO 星座对我国覆盖图

图5： GEO 星座对全球覆盖图

2.2 STSS星座能力仿真

2.2.1 当前STSS 系统探测能力

STSS 于2009 年发射了两颗试验验证卫星，STSS 随后转入PTSS 技术验证计划，但PTSS 因作战效能、成本、进度等原因于2013 年被取消，标志着天基红外低轨卫星计划的发展暂时停滞。

按照2002 年的早期规划，STSS 系统将由24-27 颗分布在大倾角太阳同步轨道3 个平面上的卫星星座组成。当前现役的2 颗STSS 试验星轨道高度1357 千米，倾斜角58°，轨道周期约2 小时，两颗STSS 卫星相隔35 度。卫星载荷包括一个宽视场短波红外捕获传感器和一个窄视场多波段红外跟踪传感器，还搭载可见光传感器以及用于星间通信的60GHz 交联线路。捕获传感器用于探测处于助推段的弹道导弹，并引导跟踪传感器跟踪从助推段后期到整个中段的导弹。STSS 系统主要负责助推段、中段和末段全弹道跟踪，识别弹头与诱饵等突防措施，还可以为地基拦截武器提供引导信息，并完成毁伤评估等任务。

2.2.2 STSS 星座探测能力仿真

利用STK 软件对假想STSS 星座进行仿真，分析其覆盖性能。仿真中，卫星参数见表1，星座为Walker 星座，3 个轨道面，每个轨道面均布8 颗卫星，相邻轨道卫星相位因子设为1，传感器参数见表2。

表1： 卫星参数表

表2： 传感器参数表

3 STSS不同高度覆盖性能分析

3.1 STSS捕获相机对地覆盖性能

经仿真分析，捕获相机对地一重覆盖率达100%，平均二重覆盖率可达到79%。如图6 所示。

图6： 捕获相机对地二重覆盖百分比曲线

3.2 对空100km覆盖

经仿真分析，跟踪相机对空平均一重覆盖率为65%，平均二重覆盖率为19%。如图7 所示。

图7： 跟踪相机对空100km 二重覆盖百分比曲线

3.3 对空200km覆盖

经仿真分析，跟踪相机对空平均二重覆盖率可达到84%。如图8 所示。

图8： 跟踪相机对空200km 二重覆盖百分比曲线

3.4 对空500km覆盖

经仿真分析，跟踪相机对空平均二重覆盖率可达到99%。如图9 所示。

图9： 跟踪相机对空500km 二重覆盖百分比曲线

由上述分析可知低轨预警卫星系统在全球范围内，对200km 以上高度空域均能实现较好的二重及以上覆盖。

4 STSS对仿真弹道覆盖性能分析

利用STK 软件建立STSS 对弹道导弹探测的场景，实现STSS 对弹道导弹可见性和覆盖性的分析，导弹参数设置见表3。

表3： 导弹参数表

如图10 和图11 所示，STSS 对从俄罗斯方向来袭的射程在10000km 以上的弹道导弹，弹道的二重覆盖率达到90%以上，可提供29 分钟以上的预警时间。

图10： 卫星对导弹可见性分析示意图

图11： 跟踪相机对导弹覆盖性能示意图

5 结束语

天基红外系统计划是为满足美国今后20-30 年空间红外监视需求而设计的全球卫星系统。SBIRS 已包括4 颗GEO卫星，4 颗HEO 卫星，STSS 包括2 颗演示验证星。综合美国在轨卫星数量、轨道分布、性能指标，可以认为当前美国天基红外系统具备了对全球范围远、中、近程弹道导弹的助推段预警能力，但尚未形成中段、末段等全弹道跟踪、识别和毁伤评估能力。美国已经在2014 年提出SBIRS Follow-on计划，开始研究下一代天基红外系统，着手构建涵盖多目标、多层次、多阶段、多用途预警、跟踪和评估体系。美国天基红外系统的经验和教训对我国反导预警体系建设具有极大的借鉴意义。