太空鹰眼SBIRS与STSS

　　太空鹰眼SBIRS与STSS20091230
　　作为侦察和导弹防御体系的一部分，美国的天基红外预警系统有着悠久的历史。目前的预警卫星系统是第三代国防支援计划系统。目前的DSP星座由4颗工作性和1颗备用星组成，运行在地球静止轨道上，具备变轨到大椭圆轨道的能力以实现对高纬度地区的有效监测。
　　现在使用的天基预警系统卫星DSPPhaseIII
　　由于DSP卫星设计之初是为了探测远程和洲际弹道导弹，对于中短程弹道导弹的探测能力不足，此外DSP卫星不能穿透云层，滤波和跟踪能力不足，整个系统尤其是地面站的信息融合能力远远不足以满足新时期弹道导弹防御预警的要求。为了完善预警探测能力，美国国防部启动了天基红外系统（SBIRS）以取代DSP系统提供导弹预警等功能，同时为了实现对弹道中段目标的探测识别，增加了继承自星球大战亮眼（BEyes）低轨道星座，由此形成了SBIRSHigh和SBIRSLow的高低轨道复合型星座配置。SBIRS的早期规划里，计划高轨道部分配置4颗静止轨道卫星和2颗高椭圆轨道卫星，主要用于探测和跟踪助推段的弹道导弹；低轨道部分配置约24颗卫星，轨道高度约1600公里，用于捕获，跟踪飞行中段的弹道导弹，分辨诱饵和弹头，为拦截器提供目标精确定位。
　　SBIRSHigh和STSS。STSS可以做到全程跟踪探测
　　2001年，随着SBIRSLow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SBIRSHigh。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。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。
　　测试中的SBIRSHEO卫星
　　按现有的合同，SBIRS系统包括4颗高椭圆轨道（HEO）卫星和5颗静止轨道（GEO）卫星。SBIRSGEO卫星采用洛克希德公司的A2100卫星平台，12年设计寿命，卫星平台使用三轴稳定，电源功率约2800瓦，重量约4500千克，作为有效载荷红外传感器重量约450千克。自1996年美国国防部批准天基红外高轨道系统计划以来，SBIRS进度不断拖延，原定SBIRSGEO首颗卫星于2004年发射，但2002年调整合同拖延到2006年发射，2004年部署时间再次延后发射再次延期，推迟到2007年，最后发射又推迟到2011年，结果导致经费严重超支，所需预算倍增，从1996年合同的21亿美元增加到75亿美元。
　　热真空测试中的SBIRSGEO卫星
　　因为SBIRS计划一直存在问题，美国国防部2006年开始实施一套并行计划，即“替代性红外卫星系统”（AIRSS）。这个计划旨确保即使SBIRS研制失败，仍能确保美国拥有可靠的导弹预警与防御能力，也可能作为廉价的SBIRS高轨卫星系统的替代品。相对而言，高椭圆卫星的进度要顺利得多，SBIRSHEO1和HEO2已经于2006年和2008年发射升空，HEO3和HEO4也将在未来陆续发射。
　　SBIRSHEO性能令人满意，这是SBIRSHEO2于2009年6月11日拍摄的DeltaII7920H轨迹
　　美国空军和洛克希德马丁公司宣布HEO1和HEO2有效载荷的性能甚至超过了预计指标，这对进度拖延经费超支之下困难重重的SBIRS系统来说是个不错的好消息。不过SBIRSGEO轨道的卫星继续拖延，甚至可能无法在2011年顺利发射交付使用。
　　STSS系统包括24颗小型卫星，重量约1000千克，其数据链支持卫星间60g通信和卫星地面间4020g通信。STSS的灵敏度远高于现有系统，这对研制工作提出了很高的挑战，所以整个计划一直受到经费超支的困扰不足为奇。1999年美国空军把低轨道卫星部署时间推到到2006年，由于所用技术风险太大，评估试验进度大大拖延，总投入可能从2000年初估计的106亿美元增加到230亿美元以致更多。原定计划的2006年首次发射，也推迟到2008年，最后2009年9月发射头两颗卫星。
　　低轨道的STSS卫星，计划部署24颗，实现24X7时间全球范围全程弹道跟踪探测能力
　　尽管SBIRS和STSS存在诸多问题，研制过程也不顺利，但是作为新一代天基预警系统却是弹道导弹防御体系的基石。以防御洲际弹道导弹来说，SBIRS卫星比现有的DSP卫星敏感得多，可以可以透过云层监视，在导弹一点火发射即可探测到，同时探测范围也有质的增强。SBIRS采用的扫描探测器采用一维阵列对地球南北半球进行扫描，探测到强红外辐射后交由24000单元的凝视焦平面阵列进行二维跟踪。以APS报告设定的7公里云层高度为例，由于可以穿透云层探测，对于固体洲际弹道，探测时间可以提前30秒，对于液体洲际导弹则提前45秒。STSS卫星尽管采用较为廉价的小卫星平台，但是红外传感器的性能也十分出色。以作为试验的中段空间实验（MSX）搭载的设备为例：宽视场短红外探测器波段在13微米之间，口径在50厘米以上；中长波红外探测器波段在416微米之间，口径在50厘米以上；可见光探测器波段在0。30。7微米之间，口径超过20厘米。根据瑞利公式，短红外探测器对于1500公里外的目标仍然具有3米左右的分辨能力，可以有效识别导弹尾焰。不过同样根据瑞利公式，中长波红外探测器在1000公里外对目标分辨能力已经大于10米，无法对2米左右尺寸的弹头进行成像。不过探测距离要远得多，对于300K温度的典型目标，中长波红外探测器具有高达30000公里的理论探测距离，即使降温到200K温度，也有高达7000公里的理论探测距离。
　　诺斯罗普官方介绍：STSS卫星分辨母舱，弹头，诱饵的想象图
　　STSS对应于传统天基红外预警系统的特色在于对飞行弹道中段的跟踪，并能分辨弹头与诱饵。由于无论是弹头，诱饵还是母舱在STSS的探测器上都是点状目标，因此STSS卫星是通过光谱等信息来进行识别的。，其主要特征有以下几个：由于工艺的不同，诱饵和弹头的温度特征会有较大差异，STSS凝视阵探测器通过多个波段检测温度差异进行区分；由于质量的不同，因此弹头和诱饵热容量不同，导致其温度变化率不同，STSS的探测器可以通过多波段探测器连续观测目标温度变化，计算变化率以区分真伪目标；弹头和诱饵表面材料的不同，导致发射率不同，通过分析辐射谱分布特征可以区分材料不同；此外确定目标温度后，和目标红外发射率后，可以确定目标的表面积，由此间接推算目标大小，区分弹头和碎片。通过这些方法，配合灵敏的探测器，STSS不仅可以探测跟踪弹道中段的冷目标，还可以区分目标和诱饵，引导拦截器进行拦截。
　　STSS全程跟踪探测示意图，DSP将被更强大的SBIRSGEO卫星代替
　　当然，天基红外预警系统不是万能的，目前还无法取代陆基海基大功率雷达的作用，但是没有SBIRS和STSS的导弹防御系统，由于地面雷达存在盲区，探测距离有限，更无法在第一时间探测到弹道导弹的发射，其作战效能将急剧下降，说失去中段拦截能力也不为过。可以说，SBIRS和STSS系统是弹道导弹系统中当之无愧的力量倍增器。随着今后SBIRS和STSS的逐步建成，美国弹道导弹防御系统的作战效能将提升到一个前所未有的高度。
　　2010年1月11日晚8点58分，根据新华社正式发布的新闻，中国11日在境内进行了一次陆基中段反导拦截技术试验，试验达到了预期目的。这是中国国家弹道导弹防御系统的第一次反导测试。此前在2007年1月11日我国反卫星试验公开后，根据美国报道，我国在2005年7月7日和2006年2月6日分别进行了两次拦截测试。根据相关公开信息分析，这四次试验均属于国家弹道导弹防御系统的测试，经历多次测试后，我国的陆基中段反导拦截弹已经追上了美国10年前的水平，但这并不意味着我们能有美国10年的导弹防御水平，其中的关键就在于我国缺乏天基预警能力。
　　在发展陆基中段反导拦截弹的同时，预警系统作为陆基中段反导能力必不可少的部分也进行了大量的开发工作。目前我国弹道导弹防御系统测试，仍然只能使用大型X波段陆基远程预警雷达，这对测试的时间和地点都有很多限制。更重要的是，和美国拥有优越的地缘政治形势不同，我国缺少海外基地部署X波段预警雷达；美国拥有北极阿拉斯加这种任何敌方陆基弹道导弹来袭的毕竟指出，而我国在主要威胁方向无法前出就近部署大型预警雷达。尽管由于我国高性能红外传感器和高性能卫星平台发展的滞后，迄今没有实用的天基红外预警卫星投入使用，但是在反导需求上我国更迫切的需要天基红外预警系统，以弥补陆基雷达的缺陷，这也是我国航天部门雄心勃勃要研制类似于SBIRS和STSS的天基红外预警的根本原因。期待着我国的SBIRS和STSS系统早日投入使用，为我国的陆基中段反导系统增加一双明亮的眼睛。