美國天基低軌預警系統(tǒng)發(fā)展分析

樸美蘭 李斯戌 齊艷麗 伍贛湘

（1 中國運載火箭技術研究院 2 北京航天長征科技信息研究所）

1 空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)

STSS項目的發(fā)展可追溯到20世紀90年代，歷經(jīng)多次重組，項目名稱和設計方案均進行了較大調整。2022年，隨著2顆STSS演示驗證衛(wèi)星退役，該項目正式終止。

表1 STSS系統(tǒng)的發(fā)展演變

系統(tǒng)方案

STSS主要設計用于跟蹤全球范圍內的、從發(fā)射到再入的彈道導彈，并將處理后的數(shù)據(jù)提供給攔截彈以引導攔截彈的飛行，此外還可輔助用于空間態(tài)勢感知、技術情報以及戰(zhàn)場評估等。按照2002年左右的早期規(guī)劃，STSS系統(tǒng)將由24～27顆低軌衛(wèi)星群組成（高度約1600km），分布在3～4個太陽同步軌道面。STSS衛(wèi)星工作波段包括可見光和短波、中波、長波紅外。每一顆衛(wèi)星包括兩種探測器，可以獨立探測和瞄準目標。其中一個是捕獲探測器，這是一種寬視場掃描短波紅外探測器，用來觀測助推段的導彈尾焰。一旦探測器鎖定目標，信息將傳送給另一種探測器—跟蹤探測器，這是一種窄視場、高精度凝視型多波段（中波、中長波、長波紅外及可見光）探測器，能鎖定一個目標并對整個彈道中段和再入階段的目標進行跟蹤。

飛行在多個軌道面上的低軌道衛(wèi)星將成對地工作模式，以提供立體觀測。星間通信（頻率60GHz）用于彈頭中繼跟蹤的信息通信；星地通信（頻率22/44GHz）用于衛(wèi)星測控和遙感數(shù)據(jù)下行。整個STSS衛(wèi)星星座將利用衛(wèi)星內部的交叉鏈路實現(xiàn)衛(wèi)星之間的通信連接。當一顆衛(wèi)星所跟蹤的導彈離開它的視線，它可以將目標的位置告知第二顆衛(wèi)星，第二顆衛(wèi)星將繼續(xù)跟蹤目標并將有關引導信息提供給攔截武器。必要的情況下，這種傳遞可以在整個星座中繼續(xù)下去，直到目標被摧毀或無法再探測到目標。

演示驗證衛(wèi)星及其試驗情況

美國于2009年發(fā)射了3顆STSS研制衛(wèi)星，即1顆“先進技術風險降低衛(wèi)星”（STSS-ATRR）和2顆演示驗證衛(wèi)星。

STSS-ATRR衛(wèi)星主要用于測試新型傳感器及其跟蹤彈道導彈的能力。美國導彈防御局稱之為“新一代探測器技術的探路者”。該衛(wèi)星質量約2000kg，由通用動力公司制造。2010年11月，該衛(wèi)星成功驗證了探測器樣機技術。2011年1月，該衛(wèi)星的管理和使用權移交美國空軍（USAF）。

美國在STSS-ATRR的基礎上，研制并生產(chǎn)了2顆STSS演示驗證衛(wèi)星，在任務規(guī)劃、衛(wèi)星和有效載荷軟件以及地面自動化等方面進行了一系列的改進，使得數(shù)據(jù)處理能力大幅增強，其性能已經(jīng)遠遠超越演示驗證的能力，具備一定的作戰(zhàn)能力。通過采用自動化指令和試驗規(guī)劃工具使得任務執(zhí)行時間從幾天減少到幾個小時，在軌工作時間從每個軌道每個衛(wèi)星10min，延長至75min。2顆衛(wèi)星間的通信交叉鏈路每次工作時間達到40min，是改進前的2倍。截至2022年，STSS演示驗證衛(wèi)星完成了129次在軌功能試驗，并在民兵－3洲際彈道導彈（LGM－30G）發(fā)射試驗以及導彈防御系統(tǒng)飛行試驗中對性能進行了演示驗證。STSS演示驗證衛(wèi)星在軌驗證了接收的外部信息，利用交叉鏈路向另外1顆視場外的衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)中段立體跟蹤等目標。2011年，“宙斯盾”反導系統(tǒng)（Aegis BMD）基于STSS演示驗證衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)對靶彈成功實施遠程攔截。2020年，STSS為標準－3（SM－3）攔截彈提供具備火控精度的信息，成功引導攔截1枚洲際導彈靶彈。

2022年3月，2顆STSS演示驗證衛(wèi)星在軌運行12年后退役，比原計劃延遲8年。盡管STSS項目最終未形成完整的衛(wèi)星星座，但2顆演示驗證衛(wèi)星所收集的數(shù)據(jù)為高超聲速與彈道跟蹤天基探測器等新一代天基系統(tǒng)提供有力的支撐。

表2 STSS演示驗證衛(wèi)星的主要參數(shù)

2 新一代天基低軌預警系統(tǒng)

美國認為現(xiàn)役高軌道天基預警系統(tǒng)在高超聲速威脅目標的探測與跟蹤能力上存在不足，而低軌衛(wèi)星距離地球更近，能夠更準確地探測到目標。在此背景下，美國防部（DoD）多家機構著手開展新一代天基低軌預警系統(tǒng)的研發(fā)，目前重點推進的項目包括航天發(fā)展局的國防太空體系架構跟蹤層和導彈防御局的高超聲速與彈道跟蹤天基探測器（HBTSS）。與此同時，針對先進紅外探測技術還啟動了相關演示驗證項目。

高超聲速與彈道跟蹤天基探測器

美國導彈防御局于2018年提出研制新的天基低軌探測項目，2020年命名為高超聲速與彈道跟蹤天基探測器，旨在近地軌道上部署小衛(wèi)星星座，探測并跟蹤傳統(tǒng)彈道導彈以及以高超聲速武器為代表的新興導彈威脅，填補美國現(xiàn)有預警能力空白。

國防太空體系架構跟蹤層衛(wèi)星搭載的寬視場（WFOV）探測器可以在高超聲速武器飛行初期進行探測和預警，進入滑翔段后將跟蹤數(shù)據(jù)傳遞給HBTSS。HBTSS搭載中視場（MFOV）探測器，具有更高的靈敏度，可提供支持滑翔段攔截所需的火控數(shù)據(jù)。2021年1月14日和28日，美國導彈防御局分別授予L3哈里斯公司（L3Harris）和諾格公司（NG）價值1.21億和1.55億美元的合同，為HBTSS項目研制原型衛(wèi)星，計劃于2023年初開展在軌測試。

HBTSS示意圖（來源：諾格公司）

國防太空體系架構跟蹤層

2019年3月，美國國防部成立航天發(fā)展局，同年發(fā)布國防太空體系架構信息征詢書，以應對未來威脅。國防太空體系架構計劃在近地軌道上部署數(shù)百顆小衛(wèi)星（質量約50～500kg），構建傳輸層、跟蹤層、監(jiān)管層、威懾層、導航層、作戰(zhàn)管理層以及支持層等7個衛(wèi)星星座。其中，跟蹤層設計用于探測、預警、跟蹤和識別高超聲速武器在內的先進導彈威脅。

整個國防太空體系架構目前采取分階段的發(fā)展途徑，實現(xiàn)系統(tǒng)的迭代升級。按照規(guī)劃，第0批次（2022財年）具備驗證低軌體系架構成本、進度等可行性所需的最低能力；第1批次（2024財年）具備初始作戰(zhàn)能力，可提供區(qū)域性的持久戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈路、先進導彈探測以及超視距目標瞄準；第2批次（2026財年）將在第1批次的基礎上實現(xiàn)全球覆蓋；第3批次（2028財年）為第2批次的升級改進，包括敏感度更高的導彈跟蹤能力、受保護射頻通信以及超視距目標瞄準能力等。

跟蹤層示意圖（來源：美國航天發(fā)展局）

在跟蹤層方面，航天發(fā)展局于2022年3月公布跟蹤層星座的征詢書，計劃未來在低軌多個軌道面上部署約100余顆小衛(wèi)星。目前，已經(jīng)授出第0批次8顆跟蹤層衛(wèi)星合同，正在招標第1批次28顆衛(wèi)星，之后還計劃授出第2批次跟蹤層衛(wèi)星生產(chǎn)合同，預計28～48顆。

航天發(fā)展局于2020年5月發(fā)布第0批次跟蹤層征詢書，采購8顆寬視場（WFOV）衛(wèi)星。2020年10月，確定4顆由L3哈里斯公司負責研制，合同額約1.93億美元，另外4顆由美國太空探索技術公司（SpaceX）負責，合同額1.49億美元。目前，兩家公司都已經(jīng)通過了設計審查，計劃于2023年發(fā)射。第0批次衛(wèi)星的軌道高度約1000km，軌道傾角80°～100°，預計服役期限5年，部署在兩個相鄰軌道面上，盡可能實現(xiàn)對威脅目標的立體覆蓋，可通過激光通信鏈路與傳輸層進行通信。

2022年2月，航天發(fā)展局發(fā)布了第1批次跟蹤層衛(wèi)星星座的信息征詢書，計劃采購28顆衛(wèi)星，預計采購和發(fā)射成本25億美元。前14顆將于2024年發(fā)射，后14顆將于2025年發(fā)射。征詢書顯示，28顆衛(wèi)星將部署在4個軌道面上，每個軌道面7顆衛(wèi)星。衛(wèi)星上搭載1個紅外有效載荷、3個光學通信終端和1個Ka波段通信有效載荷。光學通信終端可實現(xiàn)軌道面內、跨軌道面以及與傳輸層的交互連接。而且，所有衛(wèi)星之間都可以實現(xiàn)互操作。航天發(fā)展局計劃選擇2家供應商，每家提供14顆衛(wèi)星，部署2個軌道面，可覆蓋半球。

先進技術演示驗證項目

在采購衛(wèi)星的同時，航天發(fā)展局與導彈防御局共同啟動“紅外成像有效載荷原型樣機”（PIRPL）實驗，合作研制先進紅外傳感器技術，旨在通過低軌預警衛(wèi)星探測并識別高超聲速滑翔飛行器。PIRPL是一種中視場多光譜相機，質量為58kg，其探測譜段為短波紅外與中波紅外，由諾格公司負責研制生產(chǎn)。2021年8月，PIRPL搭載“天鵝座”（Cygnus）貨運飛船飛往“國際空間站”。PIRPL在整個任務中收集圖像，持續(xù)約3個月。11月20 日，在“天鵝座”貨運飛船離開空間站之后，PIRPL與貨運飛船分離，在自由飛行模式下運行，觀測貨運飛船再入大氣層時的一些紅外特性。航天發(fā)展局和導彈防御局將利用這些圖像創(chuàng)建低軌紅外雜波背景數(shù)據(jù)庫，用于導彈探測和跟蹤算法的開發(fā)和驗證。

3 發(fā)展趨勢分析

美國STSS天基低軌預警系統(tǒng)受技術、進度和經(jīng)費等綜合因素的影響，在經(jīng)歷20余年的發(fā)展后被中止，未能實現(xiàn)最初的規(guī)劃目標。因此，這也導致美國反導系統(tǒng)在目標識別上至今仍然依賴于雷達探測系統(tǒng)。但近年來，隨著高超聲速武器等新興導彈威脅的出現(xiàn)以及太空環(huán)境競爭日益激烈，美國防部加速推動新一代天基低軌預警系統(tǒng)的建設，并且確定發(fā)展更具彈性和生存能力的小衛(wèi)星星座，增強跟蹤、識別和瞄準更復雜導彈威脅的能力。按照美國目前的規(guī)劃，預計到2030年前形成較為完備的天基低軌探測能力，逐步實現(xiàn)對重點區(qū)域乃至全球范圍內彈道導彈以及高超聲速導彈等高速、機動目標的持續(xù)探測與跟蹤。

美軍認為當前的作戰(zhàn)系統(tǒng)越來越依賴太空資源，但隨著反衛(wèi)星武器以及進攻性網(wǎng)絡武器的發(fā)展，天基系統(tǒng)面臨嚴重的威脅和挑戰(zhàn)。2013年，美軍在《彈性和分散太空體系》白皮書中已經(jīng)提出了“彈性太空”的概念。2019年，美國航天發(fā)展局明確指出，“彈性、靈活性、敏捷性”是美國太空軍事化的發(fā)展趨勢，在此理念引導下著手構建新型太空架構。作為該體系架構的重要組成，跟蹤層也將向分布式的小衛(wèi)星星座轉型，逐步取代20世紀90年代以來美軍發(fā)展的低軌預警衛(wèi)星星座方案。

目前，航天發(fā)展局與導彈防御局均在發(fā)展天基低軌預警系統(tǒng)。美國政府和國會均已意識到多部門發(fā)展天基低軌預警項目可能帶來一定的負面影響。美國會對航天發(fā)展局的跟蹤層與導彈防御局的HBTSS之間的任務重疊表示擔憂，并認為國防部的監(jiān)管不力，兩個部門之間缺乏協(xié)調與合作。2021年12月發(fā)布的《2022財年國防授權法案》明確要求國防部加強對HBTSS的監(jiān)督。因此，美國政府今后會盡快確定下一代天基預警系統(tǒng)的組織管理部門，明晰各機構的具體職能分工，統(tǒng)籌建設包括跟蹤層在內的太空體系架構。從當前發(fā)展看，未來HBTSS系統(tǒng)最終很可能將并入航天發(fā)展局太空體系架構之中，成為其跟蹤層的一部分。

美國新一代低軌預警系統(tǒng)采用分布式的衛(wèi)星星座，預計跟蹤層在軌衛(wèi)星數(shù)量將達到百余顆的量級。較大規(guī)模的衛(wèi)星星座對于星間通信和數(shù)據(jù)處理能力都提出了更高的挑戰(zhàn)，需要解決所需的帶寬以及低延遲通信等問題。因此，美國在提升天基低軌預警能力的同時，還將發(fā)展更為先進的天基激光通信、信號處理以及數(shù)據(jù)融合等技術，從而為天基低軌預警系統(tǒng)提供必要的支撐和保障。