美国导弹预警卫星系统的发展

弹道导弹防御不仅需要强大的监视网络，不间断地对目标地区进行监视，一旦发现有导弹升空，还必须尽早将情报传送到作战管理指挥控制系统和拦截系统，时间对于拦截的成败至关重要，因为拦截系统必须有充足的时间进行发射前的准备。因此说到弹道导弹防御不能不提到它的预警系统。由于仅靠监视系统还不足以完全掌握伪装遮蔽的发射井，所以还必须借助活动在静止轨道上的早期预警卫星监视宇宙空间的红外变化。一旦捕捉到地面有新出现的热源，立刻根据热源的状况和移动情况，对其作出判断，辨别它是森林火灾、火山喷发，还是火箭发动机排出的喷焰。如果判定是导弹升空，立即根据其移动的速度、高度、方向等信息推算出导弹的种类、测算弹着点，并迅速通报有关部门。

几十年来，美国从未间断过对其弹道导弹预警系统实施改进的努力，以期该系统能够及时准确地提供敏感地区关键的导弹试验数据。美国目前使用的“国防支援计划（DSP）”导弹预警卫星系统和将要开始发射的新型“高轨天基红外系统”（SBIRS-High）卫星、空间跟踪与监视系统（STSS）卫星，主要任务就是对敌方的导弹攻击进行预警。2007年11月11日，价值4亿美元的最后一颗DSP卫星DSP-23成功发射升空。

1 DSP预警卫星系统

1.1 冷战中诞生的DSP计划

20世纪60年代，苏联开始部署携带核弹头的弹道导弹系统。作为应对手段之一，美国决定研制天基导弹早期预警系统。最早的预警系统被称为“导弹红外防御预警系统”（MIDAS，也称作“米达斯”计划），该系统的核心是装有红外探测仪的卫星。首颗MIDAS卫星于1960年5月发射升空。在随后的6年中，部署了4种类型（即米达斯、461、266、949）导弹预警卫星，发射了十几颗试验卫星，但这些早期预警卫星均不能将导弹尾焰的红外辐射和高空云层反射的太阳光区分开，只能发现热点，不能跟踪。卫星性能的局限和计划执行过星动态程中的一些问题，逐步导致了DSP的出现。

构建DSP系统是20世纪70年代初美国和加拿大签订的“北美防空防天司令 1

部”协议中的一部分，主要目的是监视苏联等国家的导弹发射、航天器发射和核爆炸等。

完整的DSP系统由在轨运行的卫星和地面站组成。按照最初的设计，卫星部署在地球静止轨道上，在轨的卫星一般保持5颗，其中4颗为工作星，1颗为备份星。4颗工作星的典型定点位置是：西经37º（大西洋）、东经10º（欧洲）、东经69º（东半球及印度洋）和西经152º（太平洋）。备份星定点于东经152º（印度洋东部）。4颗工作星用大功率红外望远镜对地球进行连续扫描，随时发现导弹或运载火箭发射时的羽流（喷管喷出的流状物质），另一颗备用星，替换出现故障的卫星或调整至关键地区上空进行监视，协同扫描频率更快，可提供更精确的、立体的导弹羽焰信号特征数据。卫星上装有发射机、接收机和天线，形成8条加密的通信链路，用于承担下行卫星数据和接收控制指令的任务。

到20世纪80年代末，DSP地面站已建成3个固定站、1个移动站和1个技术支持站。固定站分别设置在澳大利亚、德国以及美国本土的科罗拉多州，分别接收各自地区的DSP卫星数据，其中美国本土站和澳大利亚站兼为数据处理站。此外，还有1个美国陆军与海军的联合战术地面站（JTGS）。

1.2 DSP卫星37年的发展历程

1970年11月，第一颗DSP卫星从美国卡纳维拉尔角由“大力神”-3C运载火箭发射升空，标志着DSP卫星长达近40年之久的传奇故事的开始。从那以后发射了20多颗DSP卫星，经历了5次重大的设计改造，不断提高航天器的可靠性、性能和工作寿命。DSP的发展历程可大致分为5个阶段。

1970～1979年为DSP发展的第1、2阶段，共发射了7颗DSP卫星（DSP l-4和DSP 7-9）。

主要是对DSP系统进行试验和改进，逐步提升了DSP卫星的性能和使用寿命，实现了星载红外望远镜的全视场探测能力，并初步实现了北美全境（美国和加拿大）的早期导弹预警。第1阶段最初投入使用的DSP卫星重约908kg，功率400W，设计使用寿命1.25年，其星载红外望远镜装有2000个工作在2.7μm波段的硫化铅红外传感器。

1979～1984年为DSP发展的第3阶段，共发射了4颗DSP卫星（DSP 10-13）。 这一阶段又称为多轨道卫星/性能提升（MOSJPIM）阶段。由于工作在同步轨道上的DSP卫星无法监测到北纬81º以上的地区，因此技术人员将卫星的设计 2

轨道设计成类似于苏联“闪电”通信卫星的大椭圆轨道。这样部分DSP卫星就能较长时间的运行在北半球上空，从而覆盖北极地区，以便在第一时间发现弹道导弹核潜艇从北冰洋发射的导弹。在DSP发展的第3阶段，卫星的设计使用寿命达到了3年，而实际使用寿命达到了5年以上。

1984～1989年为DSP发展的第4阶段，共发射了2颗DSP升级型卫星（改进型-6）。

从1984年开始，美国对DSP卫星的星载设备进行了大规模的改进，使用了全新的装有6000个汞锡蹄化物红外传感器的红外望远镜。卫星重量增到1675.26kg，功率增到680W，设计寿命提高到了3年，而实际使用寿命提高到了7年。

1989年至今为DSP发展的第5阶段，共发射了10颗DSP卫星（DSP 14-23）。

在DSP升级型卫星的基础上，美国又发展了最新的DSP-1卫星，卫星平台和红外望远镜的性能都大幅提高，使用寿命也有了很大提升，达到了10～15年。DSP-1卫星与以前的DSP卫星相比，生存能力更强，装有6000个检测器，功率1274W，重2360.8kg。在过去的37年中，只有一颗DSP卫星的发射遭到了彻底的失败，即20世纪70年代的DSP-5卫星，失败原因是火箭的肼推进剂管路破裂。此外，1999年利用“大力神”火箭发射DSP-19时，火箭的惯性上面级操作失误，将卫星送入了大椭圆转移轨道而不是原定的地球同步轨道。从此，DSP-19的望远镜就一直用于进行特殊的观测，因为这颗卫星会每天2次穿越范艾伦辐射带，卫星所受的高辐射正好提供了军用卫星系统对辐射效应的数据。

事实证明，无论是在和平时期还是战争期间，DSP卫星都发挥了比其他军用卫星更加重要的作用。冷战时期，DSP卫星从一定程度上缓解了冲突一触即发的紧张局势。因为苏联在DSP卫星的监视下，无法发动突袭。自20世纪70年代初开始，在世界范围内的每一场战争中，DSP一直在尽职尽责地监视着火箭发射的羽焰。20世纪80年代，DSP系统在一些地区冲突中担负了探测所有中程或远程弹道导弹发射的任务，包括两伊战争期间密集的导弹轰炸。在1991年的海湾战争中，DSP-1卫星准确地捕捉到了伊拉克“飞毛腿”战术导弹的发射，从而为联军提供了一定的预警和防空时间。近40年来，DSP卫星系统还提供了数千次导弹试验和航天发射情报，以及有关俄罗斯和中国弹道导弹潜艇执行任务的关键信息。

1.3 目前在轨工作的DSP卫星

目前在轨工作的是DSP-1卫星，有8～9颗，重约2400kg，功率1275W，最长 3

设计寿命7年。它同样使用装有6000个汞镉碲化物红外传感器的红外望远镜，并采取2.7微米和4.3微米的双波段工作体制，从而提高了目标的分辨能力和对中近程等低能量级别导弹的预警能力。据称DSP-1甚至能发现飞机加速阶段时加力燃烧室产生的少量羽流，从而为热点地区的美军航母等舰只提供一定的空袭预警。由于望远镜在安装时与导弹的弹体轴线有一定的夹角，所以卫星在飞行过程中以6r/min的速度旋转，以消除扫描盲区。

除红外望远镜子系统外，DSP-1卫星还载有“星球探测器子系统”、“状态监视子系统”、“信号电子学子系统”、“激光通信子系统”、“紫外跟踪探测器”等多套设备。为了提高自身的生存能力，DSP-1卫星还采取了防核效应和防激光致盲的加固、保护措施。

为使DSP卫星能满足美军未来10年的需求，DSP研制商诺斯罗普·格鲁曼公司为卫星平台研制了“遥测和轨道实验站（TOTS）”，以及“微型有效载荷轨道实验站（SPOTS）”。这2个实验站接收DSP卫星的自身数据和任务数据，并能有效地监视、维护和指挥这些卫星。这种对卫星的持续监控可使工程小组能测定每颗卫星的特定性能，对系统进行精确管理，使其寿命延长，这对从DSP系统向SBIRS系统的转换是非常重要的。例如，燃料管理、能源分系统管理和红外传感器温度管理等能使每颗卫星的工作寿命延长6～8年。有了这些测量手段，设计寿命3～5年的卫星就能将提供导弹预警和情报数据的时间延长到10～15年。

1.4 DSP的不足

尽管DSP系统在其近40年的服役期中的表现可圈可点，但它毕竟是几十年前设计的老系统。虽然经一再改进，仍然暴露出了一些问题，主要表现在以下几个方面。

（1）对战区导弹的探测能力差

DSP系统是为探测洲际弹道导弹等战略武器设计的。星上红外探测器采用扫描工作方式，通过分析地球背景中的热红外源的温度、位置和轨迹，发现导弹尾焰、判定导弹类型和攻击目标，发出导弹来袭警报。这种方式对付主动段时间较长的战略导弹相当有效，但对于主动段时间较短、射程较近、燃烧时间短的战区导弹的探测能力十分有限，即使能够探测到它们的发射，所提供的预警时间也太短。

（2）扫描速度低，地面分辨率低，对目标定位能力差

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DSP卫星以6r/min的速度绕其星体轴线旋转，也就是说红外探测器每10s才能对目标重访一次，因而探测器的扫描速率是比较低的，加上数据传输速度和地面处理速度的限制，导致预警时延较大。而其星载的红外望远镜地面分辨率仅为3km左右，因此无法对移动式或带伪装的导弹发射进行有效地监控。此外，卫星上的红外探测器主要通过探测导弹的尾焰探测助推段飞行的导弹，而无法探测导弹飞行中段和弹体辐射的长波红外，因而不能对导弹进行连续跟踪，更无法精确预测落点。

（3）存在虚警和漏警问题

虚警率和漏警率是衡量DSP性能的重要标志。尽管DSP卫星已经进行了一些改进，但依然出现了这样的问题。高空云层反射的太阳光和地面强烈的红外辐射源（如森林火灾）容易引起卫星发出虚警，导致卫星虚警率较高。对覆盖地区不能连续监视，扫描速率低，必然存在漏警的可能性。

（4）地面站的处理容量问题

DSP预警卫星系统对2个大型地面站依赖很大，而地面站不具备把多颗DSP卫星的信息融合起来的能力。

在这样的情况下，美国提出了多项DSP后续计划，其中最重要的就是天基红外系统（SBIRS）计划。

2 新一代导弹预警卫星系统

2.1 发展背景

上个世纪美国发展导弹防御系统的主要目的是针对苏联的海基弹道导弹和洲际弹道导弹，相应地确立了“以威胁为基础”，以作战需求为出发点的装备研制过程。随着世界各国军事技术的发展，美国认识到，仅靠单种防御基地模式、单项技术或单一的防御结构都是不能达到导弹防御的要求的。于是美国弹道导弹防御局又确立了一种“以能力为基础”的装备研制模式。

“以能力为基础”的装备研制模式反映了布什政府急于部署导弹防御系统的想法，它主要表现在不论技术是否成熟，采取边设计、边试验、边改进、边部署的发展思想。目前，美国在导弹防御上的发展逻辑是“有一个不完备的防御系统总比完全没有好”。

美国现在研发和部署导弹防御系统的过程就是一种循序渐进的、“以能力为 5

基础”的开发和装备过程。其思想是保证某些现在还不具备的能力，随着时间的推移逐步具备，然后继续改进。因此，美国以每两年为一个阶段来制订发展计划，确定要达到的阶段性目标，并在每个阶段结束时再修订下一阶段的计划——“螺旋式”发展。正是基于上述发展理念，美国下一代导弹防御卫星系统——天基红外系统（SBIRS）虽然从1992年8月获得批准，1995年开始列入财政年度开支，但研制了10多年的该系统却几经修订，卫星发射计划一再推迟。

2.2 SBIRS与STSS

按照最初的体系设计，SBIRS计划包含了高轨天基红外系统（SBIRS-High）计划和低轨天基红外系统（SBIRS-Low）计划两部分。由于SBIRS-High的研制经费超支，致使该系统的首次发射由2002年推迟，一直到2006年才开始进行天基红外系统高椭圆轨道卫星载荷试验。而SBIRS-Low不仅超支，而且一些关键技术一直无法突破。2001年10月，SBIRS-Low计划由空军移交给美国导弹防御局，2002年11月正式改称为“空间跟踪与监视系统”（STSS）。因此美国新一代导弹预警卫星系统主要包括高轨天基红外系统（SBIRS-High）和空间跟踪与监视系统（STSS）两部分，前者主要用于探测弹道导弹的发射，后者主要用于跟踪地面、空中和地球低轨道上的异常热源目标。

现在的天基红外系统指的就是高轨天基红外系统（SBIRS-High），它由5颗地球同步轨道卫星（其中1颗为备份）、2个大椭圆轨道载荷组成，可全年不间断地侦察、跟踪处于主动段飞行的来袭导弹，为美国最高指挥当局和作战部门提供全球和战区范围内战略、战区导弹发射、助推段飞行和下落阶段的红外数据。首个SBIRS大椭圆轨道载荷己于2006年6月搭载“高级弹射座椅”电子侦察卫星发射升空，将于2008年6月正式投入使用。SBIRS中的首颗地球同步轨道卫星GEO-1的发射时间定于2008年10月，到2012年前后，它将正式取代DSP卫星。

STSS将由约24颗部署在1600km左右高度的小型、低轨道、大倾角卫星组成，飞行在多个轨道面上。其主要任务是提供弹道中段的精确跟踪和识别，将跟踪世界范围内从发射到再入的弹道导弹，并将引导数据提供给拦截导弹，区分大气层再入飞行器与诱饵，为地基和天基防御及对抗系统提供线索。按照计划，STSS系统将在2011年“国家导弹防御”计划的第2阶段开始服役。目前STSS系统的第一台有效载荷Block 2006探测器己经完成交付。这标志着美国弹道导弹防御系统的天基跟踪能力向前迈出重要一步。2颗验证型STSS卫星将于2008年上半年由1枚 6

“德尔它”运载火箭发射进入地球低轨道，以验证天基探测器的主要功能。验证型卫星在轨测试完成后，将发射工作星，预计全部20多颗卫星的星座将于2011年组建完成。

每颗SBIRS和STSS卫星都带有2种红外探测器。高轨卫星上有扫描型红外探测器和凝视型红外探测器。扫描型探测器对导弹在发射时所喷出的尾焰进行初始探测，然后将探测信息提供给凝视型探测器，后者进行精确跟踪。STSS卫星的2种红外探测器称为捕获探测器和跟踪探测器。一旦STSS卫星的捕获探测器锁定了一个目标，信息将传送给跟踪探测器，后者能锁定一个目标并对整个弹道中段和再入阶段的目标进行跟踪。这些探测器将按从地平线以下到地平线以上的顺序工作，捕获和跟踪目标导弹的尾焰及其发热弹体、助推级之后的尾焰和弹体以及最后的冷再入弹头。此时，卫星上的处理系统将预测出最终的导弹弹道以及弹头的落点。STSS卫星星座能够几颗卫星合作实现对导弹发射的立体观测，而且卫星之间可相互通信。一旦导弹飞出一颗卫星的视线，该卫星能通过卫星之间的通信链路将收集的导弹信息传给其它卫星。

2.3 新一代导弹防御卫星系统的改进之处

基于DSP存在的问题和新的导弹预警需求，SBIRS和STSS卫星系统在探测技术和组网方式两方面都有很大改进。

（1）探测技术

A）采用双探测器模式

高轨卫星上配有扫描型和凝视型2种红外探测器，低轨卫星上配有捕获探测器和凝视探测器。各类卫星上的2种探测器分工协作，共同完成探测任务。

B）扫描速率和灵敏度成倍提高

位于地球静止轨道的预警卫星，无论是扫描速率还是灵敏度都将比DSP-1卫星提高10倍以上。

C）精确的跟踪和定位能力

高轨卫星可探测导弹的助推段，低轨卫星能够继续跟踪导弹飞行中段和再入段，且具有识别假目标的能力，因此可以提供精确的发射位置和落点预报。

D）较好地解决了虚警和漏警问题

如果是导弹发出的辐射，由于导弹的运动，会使高轨卫星上的凝视型红外探测器的一连串敏感单元依次发出信号，根据这些信号就可以推断出导弹的飞行方 7

向和速度；如果是地面固定红外源产生的辐射，则只有与地面源相对应的那些敏感元件不断发出信号，容易加以排除，避免产生虚警。对高空云层反射的太阳光和地面强烈的红外辐射源，新型卫星也有很好的识别能力。新型卫星的高速扫描能力和高灵敏度对解决漏警问题的重要性不言而喻。

E）数据处理能力增强

卫星上增加了星上信息处理系统，增强了数据处理和报告能力，相应的地面站的数据处理能力也得到了很大的提高，为拦截部队提供了更长的预警时间。 F）与反导系统紧密结合

低轨卫星能提供反导防御系统所需的目标跟踪、识别和杀伤评估，拦截弹能够根据低轨卫星的跟踪数据发射和修正，还能够引导陆基和海基雷达跟踪目标，增加其探测跟踪能力，能把反导防御系统的防御区域增加3～5倍。

（2）组网方式

新型卫星系统有别于DSP预警卫星系统的单一地球同步轨道，采用高轨与低轨结合的方式。其地球同步轨道卫星用于探测导弹飞行的助推段，低轨卫星用于跟踪导弹飞行中段和再入段，大椭圆轨道卫星能够覆盖两极地区，实现全球覆盖。3种轨道卫星组网，分工协作，将提供更为强大的预警能力。

3 承前启后的DSP-23

作为最后一颗发射升空的DSP卫星，DSP-23有着非同一般的意义。它将与目前仍在轨的其他DSP卫星一起担负起从DSP系统向SBIRS过渡期间的导弹预警任务，并与2004年发射的DSP-22一同作为SBIRS-High地球同步轨道卫星的组成部分工作到2017-2022年间。因此，DSP-23在星载设备上也有所调整。

DSP-23卫星重2.5t、高约10m，除了红外望远镜和旁边安装的内外大气层核爆炸探测器外，还装有一个特殊的有效载荷——“空间大气爆破报告系统（Sabrs）”组件，专门用于探测在空间进行的哪怕是最细微的核试验（美国一直认为伊朗或朝鲜可能会秘密进行这类核试验）。这种新型的有效载荷是在1993年美国国家安全委员会的一份秘密指令要求下研制的，以验证将要在未来的SBIRS-High系统的GEO-3（第三颗地球同步轨道卫星）上安装的同类组件。

Sabrs组件能够测量中子、伽马射线和X射线，设备中有5个小型核探测传感器，将用在SBIRS-High系统中，以替换所有DSP卫星上搭载的较重的探测器。该 8

系统还可用于探测“在一些问题地区，由特殊的低性能武器进行的任何空间或高空试验”，即系统能探测到任何在空间和地面上的隐蔽试验——小型的低级核武器（美国一直认为伊朗和朝鲜可能部署这类核武器）试验。

DPS-23原定于2007年4月初在卡纳维拉尔角利用“联合发射同盟”的“德尔它-4”火箭发射。但在2月28日的一次发射倒计时演练中，“德尔它”火箭发生液氧泄漏事故，致使发射台金属构架出现裂缝，所幸没有对“德尔它-4”重型运载火箭造成伤害，但迫使发射推迟到2007年秋天DSP卫星共利用过四种型号的“大力神”火箭、“亚特兰蒂斯”航天飞机和现在的“德尔它-4”重型火箭进行发射。在过去的几年中，军方一直在进行将最后一颗DSP卫星与“德尔它”重型火箭集成的工作。当DSP-23卫星与“德尔它-4”火箭的上面级分离后，即进入卫星的初期轨道测试（EOT）阶段，EOT小组将开始接管这项任务EOT阶段的主要任务是操纵卫星在为期30天的检测期内完成初始化、性能测试及评估。随后DSP-23将被移交给美国空军并与星座中的其他卫星一起开始服役。

4 结束语

纵观DSP预警卫星系统到高轨天基红外系统、空间跟踪与监视系统的发展，美国预警卫星技术经历了从单一的地球静止轨道到结合大椭圆轨道，再到高轨道组网与低轨道组网相互配合的发展过程，而探测器件则历经了从单波段向多波段、从少探测像元线阵扫描向多探测像元线阵扫描和大面积凝视阵列的发展过程。美国的导弹预警卫星系统的发展趋势将是多种探测手段结合、多种轨道卫星组网，并与其他系统（如反导防御系统）横向联合，扩展导弹预警卫星系统能力，最终融入导弹防御大系统中。

（黄 波，《国外卫星动态》2007年第12期）

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