美太空军天基红外系统概述（SBIRS ）

导弹预警卫星是空间预警系统的重要组成部分。以美国为例，介绍了DSP、SBIRS和Next-GenOPIR三代天基红外导弹预警技术的发展，重点分析了天基红外系统中红外光学载荷的工作体制、性能参数及技术特点。同时，分析了天基红外预警系统的工作模式，提出高低轨卫星组网、多波段／长线列／大面阵探测、构建弹性体系等是天基导弹预警技术的发展趋势。

早在20世纪50年代，美国就开启了弹道导弹防御技术研究。历经半个多世纪的发展，正分阶段构建全球一体化分层弹道导弹防御系统（Ballistic Missile Defense System，BMDS），包括预警探测系统、指挥控制/作战管理与通信系统（C2BMC）、防御武器3类要素，现已具备中段、末段高层与末段低层体系化弹道导弹防御初始作战能力，并正在加速发展增程“萨德”防御系统、多目标拦截器、助推段防御系统等装备。

1996年，美国前空军参谋长罗纳德·福格尔曼将军提出杀伤链的概念——在打击一个目标的过程中各个相互依赖的环节构成的有序链条，将作战分为发现、定位、跟踪、瞄准、交战和评估6个阶段。2018年，美国国防部高级研究计划局进一步提出杀伤网的概念，强调各领域指挥与控制、情报获取以及武器的统合，形成多个节点构成的网状结构，凸显了跨域协同性。

1. 引言

导弹预警卫星系统是美国空间监视系统中非常关键的组成部分，是一个高度集成、高精度的光机电一体化系统，红外探测器是其重要载荷，承担着重要的导弹早期预警任务，可在全球范围内快速探测战略／战术弹道导弹的发射，预报弹着区域，提供来袭导弹弹道参数，为导弹防御系统提供最早期的威胁预警，引导部署在全球各地的早期预警雷达实施搜索和跟踪，进行威胁评估，判断导弹的攻击规模、性质和企图，以便采取适当的应对措施。导弹预警卫星系统预警能力的高低、提供预警时间的多少，成为导弹拦截成功与否的关键因素。“国防支援计划”卫星只能预警战略导弹，对战术导弹的预警能力不足，随着导弹在现代战争中的运用日益广泛，天基预警的功能需求也随之由战略级向战术级延伸，因而美国正积极打造可同时预警战略导弹和战术导弹的“天基红外系统”，一旦该系统建成，其将具备全球全天时覆盖、功能完备、实时响应的预警能力，可监视和跟踪全球弹道导弹飞行全程，必将对我国导弹武器的有效作战应用构成严重威胁。因此，对美国天基红外导弹预警技术及其发展进行深入研究具有重要现实意义。

到目前为止，美导弹预警系统已经建成了包括天基红外预警系统和预警雷达系统在内全球预警体系，实现了全球弹道导弹的检测覆盖和全弹道跟踪识别。到目前为止，美导弹预警系统已经建成了包括天基红外预警系统和预警雷达系统在内全球预警体系，实现了全球检测覆盖和弹道导弹的全弹道跟踪识别。近年来，为了应对日益复杂的作战环节，美国大力发展新一代高轨红外预警卫星、低轨道预警卫星和新一代远程识别雷达。本文将在简要介绍美导弹预警系统组成的基础上，重点结合导弹特点分析预警系统的基本工作机理，最后预测了该系统的发展趋势。

天基红外系统（SBIRS）是美国太空部队的一个系统，旨在满足美国国防部在 21世纪前二到三十年的红外太空监视需求。SBIRS计划旨在通过地球同步轨道（GEO）卫星、高椭圆轨道（HEO）卫星上托管的传感器和地基卫星提供导弹预警、导弹防御、战场特征和技术情报等领域的关键能力。数据处理和控制。

美国空军的天基红外系统（SBlRS）由洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）建造，是一个由地球同步轨道（GEO）中的卫星、高度椭圆轨道（HEO）中的有效载荷以及灵活的地面处理和控制系统组成的轨道网络，提供对地球表面的连续观察。采用用于广域监视的扫描传感器和凝视传感器，将重点放在较小的感兴趣区域，SBIRS收集和传输对早期导弹预警和防御至关重要的红外（IR）数据。

更快、更有弹性的导弹警告：SBIRS GEO-5 大约用了五年时间建成，是第一颗在 LM 2100 战斗总线上建造的军用太空卫星，LM 2100 战斗总线是洛克希德·马丁公司现代化模块化 LM 2100 太空飞行器的一个版本，弹性大大增强。LM 2100 总线是洛克希德·马丁公司内部资助的多年现代化计划的成果。

特点包括：

• 更高的弹性和网络强化
• 增强航天器动力、推进力和电子设备
• 简化制造的通用组件和程序
• 灵活的设计可降低整合未来现代化传感器套件的成本

GEO卫星

GEO卫星探测并跟踪全球范围内的导弹发射

—A2100衍生航天器，设计寿命12年，平均任务持续时间9.8年

—约10000磅重的卫星由约2800瓦的太阳能电池板供电

—三轴稳定，指向精度为0.05度；太阳能飞行器高度控制

—在轨可重新加载飞行软件

—GPS接收机带有选定的可用性安全防欺骗模块

—约1000磅有效载荷；扫描和凝视传感器

—三色：短波、中波和视距传感器芯片组件

—双光学指向短施密特望远镜

—灵活、精确的指向和控制，实现发射点、弹道和撞击点的精确lR报告

—用于正常、可生存和持久操作模式的安全、加密的通信链路

—将处理后的宽带数据传输到地面

HEO有效载荷

托管传感器勘测北极地区或支持其他lR探测任务

—约600磅有效载荷，带扫描lR传感器

—三色：短波、中波和视距传感器芯片组件

—灵活、精确的万向节指向和控制

—被动热冷却

—对地100 Mbps宽带数据速率

地面系统

地面设施使用的数据来自卫星、有效载荷以及使用分布式高可用性服务器体系结构的传统防御支持计划

关键功能：

—任务规划/有效载荷任务

—星座管理/遥测跟踪和指挥

—任务处理、事件报告和数据分发

地面控制：

—运行模式包括正常模式、生存模式和耐久模式

—全球主要和备用任务控制站、中继地面站

SBIRS改进

GEO-5和GEO-6

最新的导弹预警卫星基于现代化的A2100航天器——这是一种无成本更新，可以降低成本和周期时间，同时增加未来整合现代化传感器套件的可能性。

2022年8 月 4 日从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队站成功发射后，美国太空部队目前正在与洛克希德·马丁公司制造的第六颗天基红外系统地球同步地球轨道 (SBIRS GEO) -6 卫星进行通信。

GEO-6 是 SBIRS 计划系列中的最后一颗卫星，它加入了美国太空部队的导弹预警卫星星座，配备了强大的扫描和凝视红外监视传感器。

“对高架持续红外系统的需求从未如此迫切。在洛克希德·马丁公司，我们正在不断进步，以跟上基于军事客户环境中新出现的威胁不断变化的需求，帮助为未来铺平道路。”任务区。

GEO-6 卫星是 SBIRS 的继任者下一代 OPIR GEO 系统 (NGG) 提供弹性导弹预警的垫脚石。与 SBIRS GEO-5 和 GEO-6 一样，NGG 将基于洛克希德·马丁公司的现代化 LM 2100 Combat Bus™，提供网络强化、弹性功能、增强的航天器动力以及改进的推进和电子设备等附加功能。

SBIRS GEO-6 卫星正在按计划响应美国太空部队的命令。美国东部夏令时间上午 6 点 29 分，卫星搭乘联合发射联盟 (ULA) Atlas V 火箭升空，3 小时 43 分钟后信号捕获得到确认。与火箭分离后，卫星现在在自身推进力的作用下绕轨道运行。机载传感器收集的数据使美国军方能够探测导弹发射、支持弹道导弹防御、扩大技术情报收集并增强战场态势感知。

随着弹道导弹技术在世界各地的普及，每年跟踪的导弹发射次数超过 1,000 次，OPIR 任务变得更加重要。洛克希德·马丁公司认识到需要现代化技术来增强当前的导弹预警架构并提高抵御攻击的能力。

Corriea 表示：“SBIRS GEO-6 强化了当前的导弹预警架构，这也意味着我们正在努力实现更大的技术能力并扩大 NGG 的覆盖范围。”

洛克希德·马丁公司很荣幸成为由洛杉矶空军基地空间系统司令部空间传感局领导的 SBIRS 团队的一员。加利福尼亚州桑尼维尔市的洛克希德·马丁航天公司是 SBIRS 的主承包商，加利福尼亚州阿苏萨的诺斯罗普·格鲁曼公司是有效载荷供应商。

超越导弹预警

作为态势感知的强大资产，来自SBIRS的数据正在作战空间感知、情报和24/7战术警报等领域得到应用。此外，美国空军的数据利用实验室将政府、行业和学术界聚集在一起，以更好地了解SBIRS数据如何应用于民用和军事应用。

SBIRS团队

SBIRS开发团队由位于加利福尼亚州洛杉矶空军基地的美国空军空间和导弹系统中心的遥感系统理事会领导。洛克希德·马丁公司是SBIRS的主承包商，诺斯罗普·格鲁曼航空航天系统公司是有效载荷集成商。位于科罗拉多州巴克利空军基地的第460太空联队操作SBIRS系统。

天基红外系统(space-based infrared system, SBIRS) 是美国冷战时期国防支援计划(defense support program, DSP)红外预警卫星系统的后继，是20世纪80年代计划用于取代DSP系统的先进预警系统、助推段情报与跟踪系统和稍后的早期预警系统等方案的延伸。作为美国空军研制的新一代天基红外探测与跟踪系统，SBIRS是美国弹道导弹防御系统探测预警的核心环节。其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，运营商为美国空军太空司令部。

SBIRS介绍　时长1分29秒

　　SBIRS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。SBIRS还提供了强大、可靠和灵活的弹道导弹预警信息，不仅可以更早地探测到远程和洲际弹道导弹的发射，增强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了对中短程战术弹道导弹的探测跟踪能力。

SBIRS的使命 时长6分34秒

SBIRS包括空间段和地面段两部分。空间段设计有低轨卫星SBIRS-LOW、高轨道卫星SBIRS-HIGH和静止轨道卫星SBIRS-GEO，其中 SBIRS-LOW又加入了“空间和导弹跟踪系统SMTS”，SBIRS-HIGH则加入赫赫有名的“战区高空区域防御系统THAAD”计划中。

SBIRS(GEO)　时长53秒

总共发射了十二颗携带SBIRS或STSS有效载荷的卫星：

SBIRS GEO-1（ USA-230，2011）、

SBIRS GEO-2（USA-241，2013）、

SBIRS GEO-3（USA-273，2017）、 

SBIRS GEO-4（USA-282，2018）、

SBIRS GEO-5（USA-315，2021）、

SBIRS GEO-6（USA-336，2022）、

SBIRS HEO-1（USA -184，2006）、

SBIRS HEO-2（USA-200，2008）、

SBIRS HEO-3（USA- 259，2014）、

STSS-ATRR（USA- 205，2009）、

STSS 演示 1（USA- 208，2009）、

STSS 演示 2（USA- 209，2009）。

SBIRS GEO-5和SBIRS GEO-6的制造合同于2014年授予。SBIRS GEO-7和SBIRS GEO-8的资金于2019年取消。[1 ]

由于美国“国防支援计划”(DSP)卫星系统在1991年海湾战争中表现出的巨大优势，美国国防部(DOD)决定进一步增强战略和战区弹道导弹预警能力。1994年，美国国防部经过研究后决定建设SBIRS系统，用于增强并最终取代DSP卫星系统。

1996年，SBIRS项目由美国国防部长正式启动。美国国防部选定洛马公司作为项目主承包商，航空喷气洛克达因、诺斯罗普·格鲁曼、霍尼韦尔等公司是该项目的分包商。

在最初的方案中，SBIRS系统空间部分由高轨卫星(SBIRS-High)和低轨卫星(SBIRS-Low)组成。不过，SBIRS-Low于2001年独立出去，移交到美国导弹防御局(MDA)运营，并更名为“空间跟踪与监视系统”(STSS)。

2006年6月，第1个天基红外系统大椭圆轨道载荷(SBIRS-HEO-1)搭载在美国“军号后续”侦察卫星(NROL-22)上成功发射，并在轨完成了性能测试，随后交付美军投入作战应用。2008年3月，SBIRS-HEO-2以同样方式入轨运行。

2011年5月，第1颗天基红外系统高轨卫星(SBIRS GEO-1)完成部署，并于2012年11月投入作战应用。

2013年，SBIRS系统达到初始运营能力。之后，SBIRS系统进入了能力全面发展期。从2013年到2022年，美军发射了后续5颗SBIRS GEO卫星并以搭载的方式部署了后续2个SBIRS-HEO载荷。

SBIRS GEO卫星

系统组成

SBIRS系统分为空间和地面两个部分：空间部分由6颗SBIRS-GEO卫星和4个SBIRS-HEO有效载荷组成。

地面部分即地面数据处理和指挥控制中心，主要功能包括识别导弹轨迹、数据分发、任务规划、星座管理和地面控制。

部署情况

截止2022年8月，SBIRS系统空间部分已全部部署。SBIRS系统卫星/载荷发射情况如下表所示。

卫星/载荷	代号	发射时间	运载器	状态	预期寿命/年
SBIRS-HEO-1	USA-184	2006.6.28	Delta-4	搭载在“军号后续”卫星	-
SBIRS-HEO-2	USA-200	2008.3.13	Atlas-V		-
SBIRS-HEO-3	USA-259	2014.12.13	Atlas-V	搭载在“军号后续-2”卫星	-
SBIRS-HEO-4	USA-278	2017.9.24	Atlas-V		-
SBIRS-GEO-1	USA-230	2011.5.7	Atlas-V	在轨	12
SBIRS-GEO-2	USA-241	2013.3.19	Atlas-V	在轨	12
SBIRS-GEO-3	USA-273	2017.1.21	Atlas-V	在轨	12
SBIRS-GEO-4	USA-282	2018.1.20	Atlas-V	在轨	12
SBIRS-GEO-5	USA-315	2021.5.18	Atlas-V	在轨	12
SBIRS-GEO-6	-	2022.8.4	Atlas-V	在轨	12

卫星/载荷性能参数

SBIRS-GEO卫星主要由扫描型红外探测器、凝视型红外探测器、A2100/LM2100卫星平台以及通信天线组成，卫星重约4500kg，尺寸为14.9m×6.7m×6.1m。SBIRS-HEO卫星载荷即扫描型红外探测器，重约240kg，尺寸为2.1m×1.2m×0.9m。

SBIRS-GEO卫星和SBIRS-HEO卫星载荷的基本参数如下表所示。

指标	参数
	SBIRS-GEO卫星	SBIRS-HEO载荷
尺寸	14.9m×6.7m×6.1m	2.1m×1.2m×0.9m
重量	4534kg	240kg
红外探测器类型	扫描型和凝视型	扫描型
红外探测器波段	近红外、中红外、地面可见光波段	近红外、中红外、地面可见光波段

卫星平台

SBIRS-GEO-1/2/3/4卫星采用洛马公司A2100M卫星平台，卫星平台采用开放式中央圆柱体结构设计，其核心结构是蜂窝铝型石墨环氧树脂弧形板和夹芯板，燃料箱和大部分推进设备都与卫星平台直接相连，太阳电池板以模块化形式安装在平台基座上。

A2100M卫星平台

SBIRS GEO-5/6卫星则采用洛马公司的LM2100卫星平台,该型卫星平台在A2100M的基础上进行了性能升级。采用LM2100卫星平台的SBIRS GEO卫星能力得到了进一步提升，洛马公司OPIR任务副总裁Michael Corriea表示：“SBIRS GEO-5卫星在轨测试期间超出了性能预期，与SBIRS GEO-1～4相比，完成所有在轨测试和分析的时间缩短了40%”。

A2100M卫星平台和LM2100卫星平台技术参数如下表所示。

卫星	SBIRS-GEO-1/2/3/4	SBIRS-GEO-5
卫星平台	A2100M	LM2100
太阳电池翼翼展/cm	260	-
典型发射包络/cm	270×370×470	180×370×370
寿命初期有效载荷功率/kW	-	12～16
寿命末期有效载荷功率/kW	5～13.5	-
设计寿命/年	15	15
化学推进/N	MR-106：26.7 MR-510：0.222～0.258
电推进/N	BPT-4000霍尔电推力器：0.168～0.294

资料来源：调研整理

美国国防和情报界依赖于来自头顶持续红外传感器的数据。这些传感器提供弹道导弹发射的早期预警，并为其他国防和情报任务做出贡献。计划中的下一代架空持续红外（下一代OPIR）系统旨在取代始于1990年代中期的天基红外系统。太空部队计划在2025年发射五颗下一代OPIR卫星中的第一颗。下图显示了当前和计划中 OPIR 系统的名义描述。

尽管采取了加快开发的早期步骤，但下一代OPIR计划仍面临重大的技术和管理挑战 - 例如开发新的任务有效载荷并首次担任该领域的领先系统集成商 - 这可能会延迟首次发射。严重的进度延迟通常会导致成本增加。尽管官员们意识到进度风险，但他们继续在提交给国会委员会的报告中提出按计划进行的时间表和稳定的成本估算。提高时间表和成本的透明度将有助于更好的国防部（DOD）和国会监督和决策。

第一批下一代OPIR卫星旨在提供导弹预警能力并支持其他任务合作伙伴。国防部已启动多机构努力，以确定如何满足未来的需求。但是，协调机制尚未正式化。如果不记录角色、职责和计划，国防部就有可能面临无效协作和作战人员能力交付不同步的风险。

美国太空部队计划在未来14年内花费约4亿美元开发下一代OPIR系统，该系统由卫星和用于探测和跟踪导弹的地面系统等组成。空军在开发下一代OPIR的前身时遇到了重大问题 - 它大约晚了5年，成本是最初估计的三倍多。

提交给《2019财年国防授权法》的一份报告包含一项规定，要求GAO审查下一代OPIR的工作。本报告（1）确定了下一代OPIR采购工作面临的挑战以及太空部队应对这些挑战的程度，以及（2）评估下一代OPIR能力将在多大程度上应对当前系统支持的任务。GAO审查了计划文件，采购策略以及空军和国防部的采购指南，并采访了国防部官员。GAO根据收购和合作最佳实践评估了这些信息。国防部认为敏感的信息已被省略。

系统能力及应用

SBIRS系统能够每隔10s拍摄一次地球表面，同时搜索红外(IR)信号。SBIRS系统能够更快地探测导弹发射，还能够识别导弹的类型、燃尽速度、轨迹和撞击点。

2006年，美国空军发布了SBIRS-HEO-1拍摄的一张图像(如下图所示)，图中箭头所指位置显示了Delta-4火箭上升时的羽流，该图经过了美国空军的降级处理以掩盖系统的能力。

2013年，美国空军发布了SBIRS-GEO-2拍摄的一张图像(如下图所示),由于美军对拍摄到的导弹图像严格保密，仅发布了2013年5月在美国中部形成的雷暴图像，该图经过了美军降级处理。

2020年1月,SBIRS系统检测到由伊朗向驻伊拉克美军发射的十几枚导弹,并向美军及其友军发出预警,从而避免了美军基地的人员伤亡，只有基础设施受到一些破坏。

虽然SBIRS系统的主要功能是导弹预警，但它的短波和中波红外传感器还可以探测到地球上许多红外特征明显的事件,包括爆炸、火灾和飞机失事等。SBIRS系统每年提供数千个非导弹相关事件的红外数据。这些数据存档在美国国家航空航天情报中心的“在全球范围内运行的飞机、导弹和其他军事硬件的电磁和红外签名目录”中。

2. 系统组成

在上世纪80年代，美国就已建成了覆盖全境的远程预警雷达系统。随着X波段雷达、跟踪引导多功能雷达和远程识别雷达等高性能导弹预警雷达的发展和广泛部署，美雷达预警探测系统已经具备弹道导弹的精确跟踪、弹道预测以及引导拦截能力。但是由于预警雷达部署位置、探测机理等限制，雷达探测系统对弹道导弹助推段的早期预警能力较弱。因此，自上世纪60年代开始，美国持续投入大量经费发展部署了三代国防支援计划(Defense Support Program, DSP)卫星系统初步实现了除两极外地表弹道导弹的粗略早期预警 [1]。

美国弹道导弹防御系统当前部署情况如图1所示。针对来袭弹道导弹目标，必须确保杀伤链闭合，才能实施有效防御作战。杀伤链具体可分解为信息链、时间链、能量链、识别链、精度链5条子链，分别解决“看得见、连得通”“来得及”“够得着”“看得清”“打得中”问题，彼此密切协作、深度铰链，共同支持杀伤链闭合，如图2所示。5条子链密不可分、相辅相成，每条子链均闭合才能确保有效拦截目标，任何环节出现问题，都可能导致杀伤链闭合出现异常，从而导致防御作战失败。

图1 美国BMDS部署情况（2022年12月）

图2 美国BMDS杀伤链闭合5条子链

而于1995年启动天基红外预警系统(Space Based Infrared System, SBIRS)建设，目前已逐步替代DSP成为美弹道导弹早期预警的主要装备，利用其地球同步轨道(Geostationary Orbit, GEO)和大椭圆轨道(Highly Elliptical Orbit, HEO)的红外探测系统，实现了全球范围内不间断的高精度天基红外探测。此外，下一代过顶持续红外(Overhead Persistent Infrared, OPIR)和“黑杰克”项目的建设将进一步提升其天基红外预警能力。随着指挥控制、作战管理与通信(Command, Control, Battle Management and Communication, C2BMC)系统将分布于全球的预警探测资源高度集成于单一系统之中，实现了对所有子系统的统一协同和控制，美国逐步建成了世界上最成熟的全球一体化弹道导弹防御系统。图1为美导弹预警系统的基本组成。

Figure 1. Composition of US missile early warning system

2.1. 天基红外预警系统

早期的DSP预警卫星和现役的SBIRS预警卫星是美先后发展的两套导弹预警系统，主要用于助推段导弹的预警探测。DSP预警卫星自上世纪70年代以来，逐步暴露出很多问题，SBIRS作为DSP预警卫星的接替系统，其扫描速度、分辨率和跟踪能力都远高于DSP预警卫星，且可以实现包括地球两极范围的全球监视 [2]。

SBIRS系统分为高轨卫星与低轨卫星两大部分，分别担负主动段的弹道导弹的侦察与监视和弹道导弹中段飞行时的发热弹体和冷再入弹头的搜索和跟踪。SBIRS系统高轨道卫星最初预算仅包括2颗大椭圆轨道卫星(SBIRS-HEO)和4颗静止轨道卫星(SBIRS-GEO)，后期根据需要改为4颗大椭圆轨道卫星(SBIRS-HEO)和6颗静止轨道卫星(SBIRS-GEO) [3]。从2011年5月开始至今，美国已经完成了5颗静止轨道卫星和4颗大椭圆轨道卫星的发射部署，并计划于2022年发射最后一颗静止轨道卫星 [4]。低轨卫星2002年移交至导弹防御局并更名为STSS，只发射了两颗实验验证卫星，目前低轨部分仍处于搁置状态 [5]。

2.2. 雷达预警系统

预警雷达是导弹预警的重要手段，目前美导弹预警雷达无论体制还是技术都处于世界领先水平。经过数十年的发展，预警雷达频率已经从P波段拓展X波段，部署范围也已实现遍布全球，对于热点地区还实现了多重覆盖，在美导弹预警系统中发挥着举足轻重的作用。美导弹预警预警雷达包括远程预警雷达、X波段雷达和多功能预警雷达 [6]，典型的远程预警雷达包括铺路爪雷达和丹麦眼睛蛇雷达等，X波段雷达包括我们所熟知的AN/TPY-2雷达、SBX雷达和GBR-P雷达，多功能雷达主要包括宙斯盾系统的AN/SYP-1和爱国者系统的AN/MPQ-53(65)雷达。

2020年，雷声公司完成对AN/TPY-6(V)雷达阵列的关键测试，并余同年7月向美海军交付了首套AN/TPY-6(V)雷达，安装于阿利伯克级导弹驱逐舰，将进一步提升了美海军舰艇的反导作战能力；为了进一步提升探测能力和应对高超声速威胁，美军大力发展了新型的远程识别雷达(Long Range Discrimination Radar, LRDR)，该雷达于2014年启动研发，工作在S波段，计划2022年完成作战验收，目前已经开展多次试验，据称LRDR具备识别跟踪高超声速武器的能力，将成为美军反导作战的关键单元 [6]。

根据1991年海湾战争期间伊拉克发射短程战区导弹的经验，美国国防部得出结论，需要扩大战区导弹预警能力，并开始规划改进红外卫星传感器支持远程战略和短程战区弹道导弹预警和防御行动的能力。1994年，国防部研究了整合各种红外空间需求，例如弹道导弹预警和防御、技术情报和战场空间特征描述，并选择SBIRS来取代和增强国防支持计划（DSP）提供的能力。DSP 卫星内置红外探测器，可以感知导弹羽流，30 多年来一直为远程弹道导弹发射提供预警。国防部此前曾尝试用以下方式取代 DSP：

20世纪80年代初的高级预警系统

20 世纪 80 年代末的Boost 监视和跟踪系统

20世纪90年代初期的后续预警系统

据政府问责办公室（GAO）称，这些尝试因技术不成熟、成本高和负担能力问题而失败。SBIRS将采用比DSP更先进的红外技术来增强对战略和战区弹道导弹发射的探测以及导弹跟踪功能的性能。

最初的合同包括 2 个 SBIRS HEO 卫星传感器和 2-3 个 SBIRS GEO 传感器（和卫星），并可选择购买总共 5 个 GEO。作为该计划 (SBIRS-Low) 的一部分，计划在低地球轨道(LEO) 上安装一批卫星，但这已被转移到太空跟踪和监视系统(STSS) 计划中。

SBIRS 继续与成本超支作斗争，[2] 2001 年和 2005 年发生了Nunn-McCurdy违规事件。到 2007 年 9 月，预期项目成本已增至 104 亿美元。[3] [4] 2005年12月，在SBIRS Nunn-McCurdy第三次违规之后，政府决定与SBIRS GEO-4和SBIRS GEO-5进行竞争，并可以选择根据性能购买SBIRS GEO-3分队。前两个。[5]

2009 年 6 月 2 日，洛克希德·马丁公司宣布已获得第三颗 SBIRS HEO 有效载荷和第三颗 SBIRS GEO 卫星以及相关地面设备改造的合同。[6] 2009年7月10日，美国空军授予洛克希德·马丁公司2.625亿美元的定金，用于购买第四颗卫星。[7] SBIRS 计划的第一颗 SBIRS GEO 卫星SBIRS GEO-1于 2011 年 5 月 7 日在Atlas V运载火箭上从卡纳维拉尔角成功发射。[8] 2014 年 6 月，洛克希德·马丁公司与美国空军签订合同，建造SBIRS GEO-5和SBIRS GEO-6，耗资18.6亿美元。[5] [9] [10]

2021 财年预算为美国太空军SBIRS 拨款 25 亿美元。[11]

SBIRS高GEO

SBIRS High（现在也简称为“SBIRS”）将由四颗在地球同步轨道上运行的专用卫星和两颗在高椭圆轨道上运行的主卫星上的传感器组成。SBIRS High 将取代国防支持计划（DSP）卫星，主要用于提供增强的战略和战区弹道导弹预警能力。

SBIRS High GEO 1于 2011 年 5 月 7 日发射。[12]位于高椭圆轨道上的两颗机密卫星上的两个 SBIRS 传感器已经发射，[13]可能作为NROL-22 (USA 184) 和NROL-28的一部分(USA 200) 于 2006 年和 2008 年发射。[14] [15] USA 184 和 USA 200 被分析家认为是JUMPSEAT和TRUMPET系列中的ELINT卫星；据报道，TRUMPET 携带了一种名为HERITAGE的红外传感器。

SBIRS 的主承包商是洛克希德·马丁公司，诺斯罗普·格鲁曼公司是主要分包商。洛克希德·马丁公司还为 SBIRS GEO 提供卫星。该系统的预期部署从 2009 年 12 月推迟到 2011 年，原因是洛克希德公司在系统组件方面的工艺问题，包括未解决的软件故障以及正在建造的第一艘航天器上分包采购的陀螺仪组件中的几个焊点断裂。[16]

人们担心，进一步推迟到 2011 年底的发射将导致与NASA的朱诺号航天器和火星科学实验室的发射计划发生冲突，这两者都将使用相同的发射设施。[17]然而，首次 GEO 发射 SBIRS GEO-1 于 2011 年 5 月 7 日成功进行。[8]

据路透社报道，首批两颗SBIRS GEO卫星于2013年开始运行。[18] SBIRS GEO-3于2017年1月20日发射，[19] [20] SBIRS GEO-4于2018年1月20日成功部署。[ 21] 2017年，美国空军在2018财年为SBIRS申请了14亿美元，并为SBIRS 7和8的预采购提供了资金。[22] 虽然在2019财年为SBIRS提供了6.43亿美元的资金， SBIRS 7 和 8 的资金被取消，取而代之的是新项目NG-OPIR（下一代高空持续红外）。计划仍于 2021 年发射 SBIRS GEO-5，于 2022 年发射 SBIRS GEO-6。[1] SBIRS GEO-5 于 2021 年 5 月 18 日成功发射，[23]而 SBIRS GEO-6 于 2022 年 8 月 4 日成功发射。24] [25] [26]

随着五角大楼计划从 2025 年开始在 GEO、极地、低地球轨道 (LEO) 和中地球轨道 (MEO)部署新的导弹预警和导弹跟踪星座，SBIRS GEO-6 上线。新的空间架构响应了美国希望跟踪速度更快、机动性更高的高超音速导弹，并通过数量庞大和将卫星置于不同轨道来提高对抗反卫星武器的能力。 

SBIRS 卫星的两个红外传感器（一个用于扫描，一个用于凝视）能够在给定时间监视地球的三分之一，提供导弹发射的“快速通知”，以提醒总统、总统内阁、太空传感局战略导弹预警采集三角洲高级物资负责人丹尼尔·T·沃尔特上校说，作战指挥官、导弹防御局和战场部队都需要这样做。 

“当你在一次发布中获得多次查看时，这确实有助于提高该发布的准确性和可信度，”德纳罗说。他称“ SBIRS GEO-6 是另一只敏锐、不眨眼的眼睛，用于跟踪和防御弹道导弹和高超音速导弹威胁。对 MDA 的更高保真度传感器和目标解决方案进行倾斜和排队，以消除入站威胁”。

官员们表示， SBIRS 星座是国防支持计划星座的继承者，并与同样在 GEO 轨道运行的国防支持计划星座协同工作。沃尔特说，SBIRS不仅可以检测导弹发射的情况，预测发射点和弹着点，还可以识别“大量导弹”。这些不仅包括远程洲际弹道导弹，“而且随着我们在这个任务领域的进步，我们能够探测到燃烧时间短得多的导弹。”

2022年7 月，在第六颗 SBIRS 前往 GEO 之前，一颗实验卫星已经发射。宽视场测试台（WFOV）将提供数据来通知太空军的下一代高空持续红外（下一代OPIR）星座。与 SBIRS 卫星相比，WFOV 卫星将以更高的分辨率监测地球大气层的红外特征，覆盖地球的更多区域。

SBIRS GEO-6 发射后进行了几个月的在轨测试，其中“我们出去测试卫星的所有子组件”，负责监督生产、发射和早期轨道测试的项目经理马修·布莱斯通少校说。SBIRS GEO 5 和 6 任务。“我们部署太阳能电池阵列和遮光罩，然后开始有效负载调整。”

接下来是一段运行验收期，在此期间，位于科罗拉多州巴克利太空部队基地的太空三角洲 4 号第二太空预警中队“或多或少会对卫星进行试运行，以确保一切顺利”。布莱斯通说，三角洲正式接管了这颗卫星的指挥权。 

洛克希德·马丁公司建造了这颗卫星，该卫星携带诺斯罗普·格鲁曼公司制造的红外传感有效载荷。其预期寿命为12年。   

SBIRS GEO-6 是联合发射联盟 Atlas 5 火箭上的倒数第三次国家安全发射，之后将过渡到 ULA 的新型 Vulcan Centaur。五角大楼的最后两次 Atlas V 发射将于 2023 年进行。已经在轨的所有五颗 SBIRS GEO 卫星也都是在 Atlas 5 上发射的。

SBIRS Low（空间跟踪和监视系统）

SBIRS Low合同现在由导弹防御局（MDA）管理，并已更名为太空跟踪和监视系统（STSS）。

SBIRS Low计划最初预计将由近地轨道上的约 24 颗卫星组成。SBIRS Low 的主要目的是跟踪弹道导弹；弹头和其他物体（例如诱饵）之间存在区别，这些物体在整个飞行的中间部分与导弹主体分离。该系统有两个主要传感器，由机载计算机协调：

1、扫描红外传感器，设计用于在飞行的早期阶段捕获弹道导弹，以及

2、跟踪红外传感器，设计用于在飞行中后期跟踪导弹、弹头和其他物体，例如碎片和诱饵。跟踪传感器将被冷却到非常低的温度。

SBIRS Low 最初的部署计划是 2010 年，据说当时国家导弹防御系统需要其能力。

空间跟踪和监视系统

2001年，导弹防御局评估了国家弹道导弹防御系统（BMDS）所需的项目，发现这些项目在相对较新的太空领域存在缺陷。MDA 决定在开发的早期阶段吸收 SBIRS Low 星座，并将该计划重新命名为空间跟踪和监视系统（STSS）。这一转变在一定程度上改变了该计划的方向，但总体任务保持不变——在飞行的所有阶段检测和跟踪弹道导弹。

3. 运行机理

3.1. 初始段探测机理

初始段是导弹点火发射到飞出大气层发动机熄火的阶段，在此阶段，导弹发动机通过燃料燃烧，产生高温高压气体，以此获得动力。导弹点火以后在低空飞行时，尾焰处的气压高于大气压，此时会产生扩散效应，除去尾焰燃烧的核心区，尾焰外部压力较低的部分将会和大气混合产生一个粘连区。随着飞行高度的上升，外部气压持续减小，尾焰的扩散效应持续增强，当导弹超过一定高度以后，将会出现一个正激波，被称为马赫盘，马赫盘以下的尾焰温度接近燃烧室的温度 [7]。对导弹弹道的预测和估计，主要有基于模板的建模方法和基于模型的匹配方法。基于模板的匹配方式其主要思想是预先将各种不同类型、不同射程的弹道导弹的特征参数存储在数据库中，当SBIRS系统探测到来袭目标时，将目标与数据库中的数据匹配，从而得到弹道导弹助推段的粗略运动状态。基于模型的匹配方法对导弹飞行设置各种约束，从而不通过模板匹配来实现弹道的估算 [8]。

3.2. 中段探测机理

导弹在飞出大气层助推燃料耗尽以后，依靠惯性在太空中自由飞行的阶段，忽略稀薄大气对弹体的影响，可以认为处于中段飞行的导弹只受到地球重力的影响。在天基红外预警系统监视到导弹发射并将信息传回地面指挥控制系统以后，根据目标的威胁评估，指挥控制系统将调动天基低轨道预警系统和远程雷达预警系统持续对目标进行追踪。导弹中段飞行的时间是最长的，占整个导弹飞行过程的85%以上。综合反导的难度和反导兵力需要，中段拦截是最为理想的。但是由于导弹技术的发展，导弹中段飞行过程趋于复杂。且目前弹道导弹一般都具备突防能力，在导弹飞行过程中释放弹体碎片、红外诱饵以及其他假目标，使得中段预警识别成为中段反导的最大难点。低轨道卫星可以利用这种红外辐射特性，从目标群中识别出真假弹头，而后完成跟踪预警，不过由于目前STSS系统尚不具备实战能力，中段预警主要依靠雷达预警系统，“黑杰克”项目完成后或能为美军提供天基中段探测能力 [9]。

目前，能实现对中段导弹预警的雷达主要包括UEWR、丹麦眼镜蛇雷达和大功率X波段雷达。其中UEWR和丹麦眼镜蛇雷达因为工作波段的原因，其分辨率有限，只能完成对中段弹道导弹的探测和粗跟踪任务，不能目标的识别和精确跟踪。但是对于导弹防御系统而言，仍然具有重要作用，其获取的信息可以通过C2BMC与整个系统共享，进而引导“萨德”系统或者“宙斯盾”导弹防御系统对目标进行高精度识别、跟踪。高分辨率的X波段雷达能够获取导弹的细微特征，一是直接利用雷达RCS的细微差别来识别不同物体，或者对RCS数据进行再处理，经过特征变化后再对目标的RCS进行匹配；二是利用导弹的微动特性进行特征识别，在导弹飞行过程中，为保持弹体的稳定性，一般导弹都会采用自旋处理。而对于质量较重的导弹，其自旋的频率在2 Hz左右，对于质量较轻的弹体碎片，为保持其自身的稳定飞行，自旋频率应在10 Hz以上。同时，在弹头自旋的过程中，往往伴随着章动，如果雷达的分辨率小于目标尺寸，则可以观测到这样的运动，不同质量形状的物体的微动特性不同，根据微动特性，完成雷达对目标的识别跟踪 [10]。

3.3. 再入段预警机理

目前，美军典型的末段导弹防御系统主要有陆基末段高空防御系统、陆基爱国者导弹防御系统和海基宙斯盾末段防御系统。再入段飞行是导弹实施突防的重要阶段，可以通过导弹尾翼和改变质心的装置来机动变轨，进而使拦截弹脱离目标。此外，在导弹实施突防的过程中，一般也会实施电子干扰通过辐射电磁脉冲实施欺骗性干扰或是压制式干扰。在红外方面，弹头属于钝锥体模型，再入时弹头和大气摩擦产生激波，由于与稀薄大气的粘性摩擦阻碍气体流动，故此形成高温，同时加热弹头，产生大量的红外辐射。一般而言，再入段是导弹拦截的最后阶段，预警跟踪都要求达到火控级别。

一般而言，末段预警时天基红外预警系统和中段跟踪雷达系统可以提供情报支援 [11]。末段预警探测系统都是使用窄带的多功能相控阵雷达，需要满足发现识别跟踪指引以及火控功能，如“宙斯盾”反导系统装备的AN/SPY-1雷达工作的工作带宽大概是300 MHz，其雷达分辨率的理论值应该小于1 m。而且，作为跟踪指引雷达，其本身的波束非常窄。在工作时，通常C2BMC会与其共享天基系统和UEWR雷达的预警情报，大大提前末段防御的时间，提高目标跟踪的精度。天基预警系统或者UEWR雷达向C2BMC指控中心发送目标导弹的预警信息，C2BMC通过高效的数据处理器完成数据处理，包括目标的速度空间坐标等，UEWR的分辨率大概在几百米左右，末端多功能预警雷达接受到信息以后，就免去了在大范围内搜索目标，将搜索角控制在小范围内，即提高了搜索效率，还可以提高定位精度。

4. 发展趋势预测

4.1. 推进现有系统全面运行和任务拓展

目前，美国已成功完成SBIRS星座组网计划并持续推进其全面运行，在下一代红外预警系统组网完成之前，继续担负防御弹道导弹的作战任务，并拓展其任务范围到战场态势感知、情报侦察以及森林火灾、工厂爆炸探测等民用领域。

4.2. 提高下一代系统探测性能和抗毁性

随着卫星对抗技术及近年来高超声速武器的发展，SBIRS预警系统面临空间系统威胁增加、脆弱性增强的重要挑战，因此美军开始关注下一代天基预警系统的发展——OPIR计划和黑杰克项目，期望能够提升天基导弹预警系统面对反卫星武器威胁时的生存能力和目标探测能效能。并且美军首次将天基杀伤评估系统(Space-based Kill Assessment, SKA)纳入导弹防御系统，预计于2022年具备作战能力 [12]。

4.3. 构建开放式地面系统软件架构

当前的美导弹预警系统的地面系统软件采用封闭式架构，无法兼容市场上的商业软件，这不仅增加软件成本，同时也造成美军定期更新软件难度加大。美军正通过“未来作战弹性地面演进”(FORGE)项目升级天基导弹预警系统的地面系统软件，将封闭式软件架构更换为一种开放的系统平台，便于未来升级和新技术运用。同时，美军正探索一种军民融合方式，即将构建通用软件架构，允许商业公司在该架构中运行其软件应用，体现了美军向商业企业和创业公司开放市场的一种鼓励和支持的态度。

SBIRS、DSP卫星转移到新的地面系统

2016 年 4 月 6 日据一份新闻稿称，天基红外系统和国防支持计划卫星和有效载荷的指挥和控制已从科罗拉多州的三个旧站点转移到科罗拉多州巴克利空军基地的新 Block 10 地面系统任务控制站。遥感系统总监 Mike Guetlein 上校称，此举是“一个重要的里程碑”，展示了 Block 10 的能力，“执行 SBIRS 和 DSP 星座的导弹预警和防御任务，并获得运营认可”。

他说，此次转让将提高导弹预警、导弹防御、战场空间意识和技术情报方面的性能能力。空间与导弹系统中心的遥感系统局在一月份向 Block 10 统一任务控制中心发送了第一批实时任务信息。计划于 5 月底做出的下一个重大里程碑决定是空军项目执行办公室对进入试用期和操作用户评估的认证。空军作战测试与评估中心和太空司令部将于 11 月确定作战验收。

在C2BMC的统一指挥控制下，美国现阶段海外战区弹道导弹防御可用的探测跟踪传感器有天基红外系统（4颗DSP、6颗SBIRS-GEO、4颗SBIRS-HEO）、2部早期预警雷达（菲林戴尔斯站、台湾新竹站）、海基X波段雷达、6部AN/TPY-2雷达、38艘“宙斯盾雷”达系统，防御武器为海基/岸基“宙斯盾”防御系统、“萨德”防御系统、“爱国者”防御系统。

下面结合朝鲜从平安南道顺川发射“大浦洞”-2弹道导弹打击美国关岛军事基地防御作战典型用例，具体剖析美国海外战区弹道导弹防御杀伤网。据公开资料分析，“大浦洞”-2弹道导弹采用两级液体助推，最大射程约4 000 km，本文所用典型弹道实际射程3 408 km，关机速度4.54 km/s，全程飞行时间1 092 s。防御可用的探测跟踪传感器有天基红外系统（同时2颗星以上观测）、4部AN/TPY-2雷达（韩国星州郡、日本青森县和京都府、关岛）、1部预警雷达（台湾新竹“铺路爪”雷达），防御武器为关岛“萨德”防御系统、2艘“宙斯盾”舰（配备SM-3 IIA拦截弹，部署于太平洋朝鲜进攻弹道航迹附近海域），指挥机构为印太司令部及其下属指挥设施。

在美国反导陆/海/天一体化预警探测、印太司令部为指挥中枢的两级扁平化指挥控制、卫星通信/光缆为主体的通信支持下，针对朝鲜来袭“大浦洞”-2弹道导弹，预警探测系统能够实现全程覆盖，防御武器可组织4次拦截作战：第1次利用日本南侧海域部署的“宙斯盾”舰发射SM-3 IIA拦截弹实施海基上升段拦截；第2次利用2艘“宙斯盾”舰实施海基中段拦截；第3次利用第2艘“宙斯盾”舰实施中段下降区间拦截；第4次利用关岛“萨德”防御系统对漏防目标实施末段高层补充防御，如图12所示。

太空已经成为维护国家安全和利益所必须关注和争夺的战略制高点。美军现有的典型空间预警系统SBIRS-直在改进与完善中，Next-Gen OPIR首颗卫星即将发射，一旦整个系统完成实战部署，可直接在战略和战术层面上支持反导作战，必将对我国战略威慑力、导弹武器作战运用构成重大不利影响；同时，未来的空间卫星预警系统需要对目标进行实时、高速采集及数据处理和自动控制，系统效能的发挥更将依赖于信息协同，急需研究其薄弱环节，综合利用雷达、通信、光电、卫星对抗武器等多种措施，有针对性地发展对抗手段，从顶端破坏强敌反导信息链，降低其作战效能，从而保障己方导弹武器的突防力和核威慑的有效性。

“国防支援计划”（DSP）是北美防空计划（NORAD）中一项卫星预警支援计划，也是美国一项早期导弹预警的卫星计划，目的是对入侵北美的飞机、导弹和太空武器进行监测、预警和拦截，为美国和同盟国在全球驻军提供导弹入侵预警服务，于1970年11月投入使用。

DSP卫星星座布设在地球静止轨道上，由5颗卫星组成，4颗为工作星，1颗为备份星（以在必要时随时替换）。DSP卫星分布在全球各大洲上空，如表1所示。

现役4颗工作星的位置是：西经37︒（大西洋）、东经10︒（欧洲）、东经69︒（东半球和印度洋）和西经152︒（太平洋），备份星定点于东经110︒（印度洋东部）。这种设计能在卫星数目增多时确保有2颗以上的卫星对同一区域进行监视，协同扫描频率更快，可提供立体的导弹尾焰信号特征数据。

DSP预警卫星红外系统结构和工作方式见图1，技术参数见表2。

图1 DSP预警卫星红外系统结构及工作方式

采用三轴稳定的方式，共有6种有效载荷：①红外望远镜子系统（IR）；②紫外跟踪探测器（ULS）；③星球探测器子系统（SS）；④状态监视子系统（SMS）；⑤信号电子学子系统（SES）；⑥激光通信子系统（LCP）。其中，主探测器为2.7um和4.3um双色红外波段，前者用于导弹点火监测，后者用于导弹轨迹监测，地面分辨率为3-5km。红外系统视场角为12︒，光轴与卫星自旋轴夹角6︒，随着卫星的自旋，红外探测器线列对地球表面每分钟扫描6次。

目前，DSP卫星已探测到前苏联、法、中、印、朝等国导弹发射信息1000余次。海湾战争期间，美国运用了2颗DSP卫星，监视伊拉克“飞毛腿”导弹的发射，从导弹发射到判明弹着区仅120s，并于180s内将这些情报传送海湾部队，可给爱国者导弹提供90-120s的预警时间。

DSP卫星最初作为一种战略导弹预警手段提出的，存在一些固有的缺点：不能跟踪中段飞行的导弹，对国外设站的依赖性大，虚警问题未得到根本解决，且卫星扫描速度较慢，对“飞毛腿”等战术导弹的探测能力有限，难以给出更为充足的预警时间。针对DSP系统在海湾战争中所暴露的缺点，美国国防部和美国空军在战后启动了以下3个技术改进计划：

（1）导弹发射和截击战区预警（AIERT）计划：ALERT计划在导弹发射后几分钟内作出预警并拦截来袭目标，以满足高技术战争的要求。为此，ALERT系统采用多CPU的新型号SGI计算机对DSP卫星数据进行快速处理，运算速度为15亿次／s。该计划于1995年完成。

（2）眼镜蛇响声（CB）计划：为提高DSP卫星探测能力，要求研制一种新型的红外遥感器，以代替DSP卫星上使用的双波段探测器。改进之处有：采用3个焦平面，通过滤光片旋转实现波段快速切换；采用快速扫描成帧技术；提高仪器的灵敏度；采用高速星上存储器。该计划于1995年归人SBIRS计划，新研制的红外探测器也将用于高轨天基红外系统卫星上。

（3）红鼻凫（TealRubv）计划：这是一项红外探测器的试验卫星计划，1985年立项，进行了1次发射，寿命为1年，星上传感器是1台具有13个窄波段（2.5-15.5um）的红外装置，每个红外焦平面阵列上有1024个像元。

2 天基红外系统

为应对弹道导弹的威胁，美空军一直在不断完善新一代导弹预警卫星系统，曾考虑过多种方案。从1979年至1995年，先后提出研制新一代的“先进预警系统”（AWS），“助推段监视与跟踪系统”（BSTS），“后继预警系统”（FEWS）计划以及“导弹报警、定位和报知”（AIARM）系统计划等。1995年8月，ALARM系统计划又被取消，空军最后决定研制天基红外系统（SBIRS）预警卫星。该卫星于1997财年获准进入工程与制造发展阶段。

天基红外系统（SBIRS）包括空间系统和地面系统，星座分布见图2。

图2 SBIRS星座分布示意图

空间系统由3种轨道高度的卫星星座组成，即低轨卫星星座（SBIRS-Low）、高轨卫星星座（SBIRS-HEO）和静止轨道卫星星座（SBIRS-GEO），其中低轨道（LEO：12-24颗）、大椭圆轨道（HEO:2颗）和地球同步轨道（GE0:5颗，其中1颗为备份），每颗卫星都具有宽视场、短波红外捕获和窄视场、多波段跟踪传感器，具有红外、可见和紫外多谱段探测能力，具备导弹主动段、飞行中段和再人段的探测和在导弹飞行中段指导拦截的能力。

2.1 SBIRS-High卫星系统

SBIRS的高轨部分由2颗SBIRS-HEO和5颗SBIRS-GEO组成。主要是通过红外探测来侦察、跟踪来袭导弹的助推段，为美国最高指挥当局和作战部门提供全球范围内的导弹发射数据。其中，SBIRS-HEO远地点位于北半球上空，可长期观测北半球的情况，主要用于探测俄罗斯等高纬度地域的洲际导弹发射和北方水域的潜射导弹发射。SBIRS-GEO卫星扫描型探测器扫描视场约为10︒，利用摆镜南北线列扫描，2帧实现相应地球表面覆盖，凝视型探测器视场1︒~2︒，凝视型探测器对目标进行高分辨率成像、精确跟踪，获取详细信息。SBIRS-GEO卫星结构及功能部件见图3。

图3 SBIRS高轨卫星结构图

SBIRS高轨预警卫星相比DSP卫星，每颗卫星都装有1台高速宽视场扫描型短波红外捕获探测器（在热助推段观测明亮的导弹羽焰）和1台窄视场凝视多谱段（中波、中长波和长波红外及可见光）跟踪探测器（在中段和末段跟踪导弹），载荷使用方式见图4。

图4 SBIRS卫星光学载荷使用示意图

其中，短波红外捕获传感器用于导弹发射时的侦察，可见光跟踪传感器用于导弹基地和导弹类型的鉴别，红外跟踪传感器用于导弹发射后的跟踪侦察。前者利用扫描折射望远镜和短波红外焦平面阵列扫描南北半球，探测导弹发射时喷出的尾焰，发现目标后将其提供给后者，后者利用动作敏捷的望远镜将导弹发射画面拉近放大，紧盯可疑目标，跟踪导弹中段和末段飞行的弹头，为美国国家导弹防御系统和战区导弹防御系统提供高精度的目标瞄准数据，实现对导弹发射的全程跟踪；同时卫星上的处理系统能预测处理导弹弹道和弹头的落点，卫星的扫描速度和灵敏度比DSP卫星高出10倍，可有效增强对战术导弹的探测能力，在导弹点火的瞬间将其捕获，并在导弹发射后10-20s内将警报信息传送给地面部队。

2.2 空间跟踪与监视系统

为了避免高轨道和低轨道星座相互混淆，2002年11月五角大楼将SBIRS-Low系统改名为“空间跟踪与监视系统”（STSS）。STSS系统由24-30颗部署在高度1600km左右的多轨道面上的小型、大倾角、低轨道卫星组成，卫星之间信息通过60GHz的星间链路传输，卫星与地面间的传输速率为22/44GHz，可以实现对弹道目标的立体式持续跟踪，主要用于捕获跟踪弹道导弹中段飞行发热弹体和末段飞行再入弹头。STSS系统在SBIRS-High系统与陆基预警雷达系统对弹道目标中段进行探测的“空隙”之间架起一座“桥梁”，战术应用示意图见图5。

图5 STSS卫星导弹预警战术示意图

STSS主要功能是在战区冲突和针对美国的导弹攻击防御中，为导弹防御任务提供精确的中段跟踪和识别能力，STSS目前还未直接参与拦截试验，但具有针对弹道导弹飞行全过程的监视与跟踪能力，能够探测到中段目标在跨越阳光与阴影区飞行中的温度变化，甚至可以观测到诱饵释放、膨胀及展开过程的特性变化。STSS基本功能还包括：能对全球范围内的导弹发射进行监视；能提供精确、及时的导弹发射时间和地点估计；能同时对多个弹道目标进行精确跟踪与监视；具有分辨弹头和诱饵的能力，并获得弹头的位置、速度和加速度等状态信息；能估计导弹攻击的准确时间和地点；能够精确引导地面雷达捕获来袭导弹和弹头，使地面雷达在对方导弹进入其作用范围时才开始工作，可以减少来自反辐射导弹的威胁等；此外STSS还兼具技术情报收集、战场空间特征描述等多种功能，为弹道导弹防御作战提供有力的情报支持和技术保障。STSS演示验证卫星在轨试验成果见表3。

目前，SBIRS已经发射了4颗SBIRS-HEO卫星、4颗SBIRS-GEO卫星及2颗STSSDemo演示验证卫星，相关的技术方案还在不断的调整与完善，其中STSS卫星计划已更名为精确跟踪太空系统（PTSS），放弃了目标捕获功能，只跟踪目标。

3 Next-Gen OPIR计划

2018年5月4日，美国空军发布未来导弹预警卫星合作意向，将向洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁曼公司签发两份独家采购合同，以开展“下一代过顶持续红外”（Next-Gen OPIR，nnext generation overheadpersistent infrared program）预警卫星项目。

美军认为，随着俄罗斯、印度等国大力发展卫星对抗能力，其太空资产面临着来自动能武器、天基操控武器、地基激光武器，以及网络和电子攻击等的威胁，这些威胁使得美国的太空体系日益脆弱，未来的天基导弹预警卫星系统必须具备更强的生存能力和体系弹性。

为瞄准未来太空作战，转变装备发展理念，着力构建在“竞争性环境”中具有更强的生存能力和体系弹性的天基预警体系，以应对新出现的和预期的威胁，空军在Next-Gen OPIR项目中提出通过“采用成熟的卫星平台+重点关注传感器技术”的方式，使美国在未来保持甚至获得更强预警能力的同时，有效降低单个预警卫星的成本，从而降低己方导弹预警卫星的作战目标价值，获得更高的生存概率。此外，“相对简单廉价”的预警卫星，在战时也能够大量制造和快速部署，补充和维持天基导弹预警能力，增强导弹预警卫星的体系弹性。

Next-Gen OPIR是美国在继DSP、SBIRS之后，规划的新一代高轨预警卫星系统，初期系统将包括3颗GEO和2颗HEO卫星，首颗GEO卫星将在2023年发射。据分析，Next-Gen OPIR采用超大面阵多波段红外阵焦平面探测器，不仅能探测跟踪大型弹道导弹的发射，还能探测和跟踪小型地空导弹、助推一滑翔及吸气式高超声速武器，甚至空空导弹的发射。一旦整个系统完成实战部署，可直接在战略和战术层面上支持反导作战，将对各国的导弹武器的作战运用带来极大影响。

4 天基导弹预警技术发展趋势

分析DSP、SBIRS到OPIR的演变可知，美国天基红外导弹预警技术发展具有下述几个特点：

（1）从轨道来看，由单一的地球静止轨道，到结合大椭圆轨道，再到高轨组网与低轨组网相互配合的发展过程。从提高弹道预警的精度看，双星立体观测是基本要求，3颗以上星同时观测目标是更理想的方案。从组网方式上看，高中低轨道组网相互配合是发展方向，高轨道星座利用其覆盖广的优势用于发现目标，中低轨道星座利用其探侧分辨率高的优势用于探测和跟踪目标。

STSS整个低轨卫星星座是利用卫星内部的交叉链路连接在一起的。当同轨道中一颗卫星所跟踪的导弹离开它的视线后，它可以将目标的位置等信息告知第二颗卫星，第二颗卫星将继续跟踪目标，实现对目标的“接力”跟踪。STSS星座可以实现2-4颗卫星共同对目标进行立体观测和空间定位，通过融合多颗卫星观测的信息，可以对目标进行准确识别和定位，必要时被观测目标的信息可以在整个星座中继续传递下去，直到目标被摧毁或无法探测为止。据最新消息，雷神公司为SBIRS提供了约4kx4k的红外焦平面传感器，可以凝视半个地球，未来部署的STSS星座的卫星数量可能减少，但轨道数可能增加，实现更多颗卫星同时对目标进行立体观测。

SBIRS-High星座轨道较高，观测范围大，能够在导弹点火的瞬间捕获目标，尽早发现目标，并将目标信息传输给STSS星座，STSS卫星对目标进行精确识别和跟踪。SBIRS-High与STSS共同构成美国天基预警系统高、低轨道复合型星座，成为美国弹道导弹防御的太空“鹰眼”，通过二者的配合探测，可以在助推段、中段和再人段实现对远程和洲际弹道导弹的全程跟踪与探测，并通过精确定位为拦截系统提供引导信息，成为弹道导弹防御系统的力量倍增器。

（2）从探测器件的发展来看，经历了从单一波段向多波段／多光谱、从少探测元线列扫描向多探测元线列扫描和大面阵／大视场凝视的发展过程。

早期的DSP卫星只采用短波红外（2.7um）和可见光探测，无法克服云层反射阳光等自然现象造成的虚警问题，后来发展为双色红外波段（2.7um和4.3um），可以大大降低由此引起的虚警率。目前正在试验紫外和长波红外的探测效果。来自不同波段和不同探侧器的数据融合可进一步降低虚等、提高目标的识别率。但对弹道导弹主动段的探测仍以中短波红外为主，因为该谱段探测技术比较成熟，同时能获得较高的图像信噪比和探测效率。由于预警目标和材料及工艺的原因，早期的DSP探测器采用了2000元的线阵列，其分辨率低，但对于探测尾焰红外辐射长度达几千米的战略导弹是足够的，随着技术的进步和战术弹道导弹预警的要求，之后采用了6000元的双色红外线阵列，地面分辨率达到1km，使得中短程弹道导弹和部分原来探测不到的目标（如加力状态下的飞机）也能被探测出来。SBIRS则用长线列扫描发现战区战术导弹目标，以扩大搜索视场，用大面阵凝视跟踪目标，以提高目标信息的获取速率。新一代的红外系统OPIR中的探测器件则采用超大面阵多波段红外阵焦平面探测器。

（3）从对弹道导弹飞行中段的预警来，目前技术还不成熟，未来倾向于以中、低轨道卫星为主。

从SBIRS计划来看，紫外、可见光、长波红外和毫米波雷达都是候选的波段，但目前都处于数据收集和原理试验阶段。由于中段弹头不发热，要求探测器有很高的分辨率。因此，中段探测器不仅要求有较多的探测元，而且要布置在中低轨道上组网进行监视，必要时以深空为背景进行观测。这些卫星的任务是跟踪目标并测定弹道参数，它们需要接收主动段探测的信息指示。

（4）从数据通信链路上来看，经历了从地面站集中接收并送到处理中心处理再送回战场指挥中心，到可以机动部署，同时可接收和处理多颗卫星数据的战场前沿移动站为主的发展过程。以快速分发为主要发展方向，并具有在星上完成信息处理的趋势。

（5）从战场生存能力上来看，天基导弹预警卫星将通过搭载通信卫星或其他商业卫星等方式具有更强的隐蔽性，发射和部署周期更短、数量更多、机动变轨能力更强，系统将具有更强的生存能力和体系弹性。

新的导弹预警、跟踪和防御“混合架构”

一、前一财年经费投向

2023财年综合拨款法案为美国太空军提供高达263亿美元，比五角大楼的预算要求高出近17亿美元。增加到太空军预算的17亿美元中的大部分是用于新卫星。超过5亿美元的增长给到了太空发展局(SDA)。根据《2021财年国防授权法案》，太空发展局在2022财年转移到太空军。

2023财年综合国防拨款法案增加了5100万美元的实验费用，2.16亿美元的发射服务费用，以加快SDA导弹预警和导弹跟踪卫星的部署，2.5亿美元用于扩大SDA在印度-太平洋地区的导弹跟踪星座的演示。2022年国会已经拨款5.5亿美元用于演示。

二、美2024国防预算在军事航天方面的投入

1)2024年国防预算重点

2024年国防预算重点支持继续开发下一代OPIR卫星和FORGE地面系统的开发，同时资助开发低轨道和中轨道的弹性MW/MT星座。近50亿美元用于导弹预警和导弹跟踪，其中23亿美元用于新的扩散型弹性架构，26亿美元用于下一代过顶持续红外。低地轨道星座的发射将于2025财年开始。

2)近3年国防预算对比

近3年天基导弹预警系统在国防预算中的支出对比参照下表：

三、当前天基导弹预警系统基本情况

下一代过顶持续红外计划(OPIR)和弹性导弹预警和导弹跟踪(MW/MT)是天基红外系统(SBIRS)的后续系统，接下来，一是部署两颗地球同步轨道(GEO)、两颗高椭圆轨道(HEO)的极地卫星和一个综合中央地面站;二是在低地球轨道(LEO)上部署39颗、中地球轨道(MEO)部署9颗的MW/MT能力。

下一代OPIR将迅速提供具有战略生存能力的导弹预警能力，它能应对对手导弹技术的进步，并通过增加弹性来应对反太空系统;弹性的MW/MT提供了导弹预警和跟踪先进导弹威胁的所有阶段，包括高超声速导弹系统。

当前红外预警卫星的现状和下一步展开情况，有以下几个方面：

• SBIRS HEO有效载荷01-04和GEO空间飞行器(SV)01-05已在轨道上，并已通过了运行验收。SV 06于2022年8月4日发射， 2023年3月底通过太空军空间作战司令部的运行验收;

SBIRS GEO-6卫星

•  下一代OPIR将发射四颗卫星：两颗地球同步轨道卫星，目标发射日期为2025年和2027年;两颗高轨的极地自由飞行卫星，目标日期为2028年和2030年;

•  未来作战弹性地面演进(FORGE)计划提供了一个具有网络弹性的国防地面系统，支持SBIRS和下一代OPIR;

• SBIRS生存耐久升级(S2E2)计划将目前的移动地面系统升级为SBIRS地球同步轨道能力，以满足可存在的、持久的导弹预警要求;

• 开发弹性MW/MT星座的扩增型MEO和LEO部分，为导弹预警及导弹跟踪的所有阶段提供额外的覆盖。

1)SDA 为跟踪层 Tranche 1再授出合同

2023年3月2日，美国太空发展局(SDA)授予雷神技术公司一份价值 2.5 亿美元的合同，为SDA的低地球轨道星座建造七颗导弹跟踪卫星。

这七颗卫星将成为 SDA 跟踪层 Tranche 1 的一部分，这是美国国防部的红外传感卫星星座，旨在探测和跟踪外国对手发射的弹道导弹和高超声速导弹。七颗卫星将由雷神的子公司 Blue Canyon Technologies制造的土星级微型卫星总线建造。雷神将为其卫星制造宽视场传感器。电子有效载荷来自雷神的另一家子公司SEAKR Engineering。

除了雷神公司的七颗卫星外，Tracking Layer(跟踪层)1期还将有14颗由Northrop Grumman(诺斯罗普·格鲁曼公司)制造，14颗由L3Harris公司制造。SDA最初计划在第一批中只有28颗卫星，但在国会将该机构的2023年预算增加2.5亿美元专门用于支付导弹跟踪卫星后，TL 1又增加了7颗，将规模从28颗卫星增加到35颗。

国防拨款增加资金是为了响应美国印太司令部提出的加速在该地区部署导弹跟踪传感器的紧急要求。国会去年为SDA的跟踪层预算增加了5亿美元，SDA将第1部分的首次发射时间从最初的2026年提前到2025年。

2)SBIRS GEO-6运行验收

2023年3月24日，天基红外系统地球同步轨道卫星-6(SBIRS GEO-6)正式转移到太空军空间作战司令部。

SBIRS GEO-6的LM2100战斗总线是一种增强的卫星平台，它提供了更大的弹性和网络加固以应对不断增长的威胁，改进了航天器电源、推进和电子设备、通用组件和流程以简化制造，以及灵活的设计以降低成本来整合未来的现代化传感器套件。

在轨测试期间，SBIRS GEO-6的性能超出了预期，操作验收比我们的历史平均测试时间快了约40%。目前德尔塔第四大队第二太空预警中队现在正在操作这颗卫星，所有系统都在正常运行。

SBIRS GEO-6的运行验收标志着SBIRS GEO系统的完成，SBIRS GEO星座与国防支持计划(DSP)星座协同工作，并最终取代老化的DSP星座。

3)下一代导弹预警卫星通过初步设计审查

太空军的下一代OPIR计划包括五颗卫星：两颗来自诺斯罗普·格鲁曼公司的极地卫星和三颗由洛克希德·马丁公司生产的地球同步卫星，该合同价值49亿美元，于2021年授予。

下一代OPIR极地卫星旨在识别来袭导弹的红外热信号，并通过弹性、安全的通信系统将信息传输到地面。

诺斯罗普·格鲁曼公司在2020年获得一份价值23.7亿美元的合同，为美国太空军空间系统司令部开发两颗带有红外传感器的下一代OPIR极地卫星，以检测和跟踪弹道导弹和高超声速导弹。这两颗卫星将在高度椭圆的极地轨道上运行，使美军能够全天看到北半球。

2023年5月，这两颗卫星完成了初步设计审查，诺斯罗普·格鲁曼公司将在计划于2024年5月进行的关键设计审查之前开始制造和采购关键的航天器部件，以保持在2028年发射的日程之前能够按时交付。

诺斯罗普·格鲁曼公司为下一代OPIR极地卫星提供鹰-3航天器和通信有效载荷。诺斯罗普·格鲁曼公司也在与鲍尔航空航天公司合作开发红外有效载荷，该有效载荷也用于下一代OPIR的GEO卫星。

原文始发于微信公众号（太空安全）：美太空军天基红外系统概述（SBIRS ）