1.2 国外弹道导弹预警探测系统概况

美国和俄罗斯都建设了完备的弹道导弹预警和空间目标监视系统，由于弹道导弹和卫星的运动特征，飞行空域具有较大的相似性，弹道导弹探测系统和空间目标监视系统在装备部署、工作模式等方面具有各自的特点，在功能上也具有较大的融合互补关系。

1.2.1 弹道导弹预警探测系统

对弹道导弹危险性的恐惧直接催生了对弹道导弹防御系统及其相关技术的研究。弹道导弹防御系统的主要任务就是预警监视敏感、热点地区，跟踪识别和引导拦截敌方来袭导弹，为己方和友邻提供全方位和多层次的导弹防御。弹道导弹预警探测系统是对弹道导弹进行预警监视、截获跟踪、识别引导的传感器系统的统称，是导弹防御系统的重要组成部分。

弹道导弹预警探测系统的组织构成与工作方式依赖于弹道导弹的运动特性与目标特性，本书第2章将详细阐述弹道导弹的目标特性。

从发射点到落地点，上升超过可感大气（100km以上）的所有弹道导弹，根据其受力情况可分为三段，即主动段、中段和再入段。

首先，导弹发动机最后一级关闭或燃尽之前的阶段称为主动段，根据导弹类型的不同，这个阶段能够持续2～6min。在此阶段，导弹在发动机的助推下，完成一系列机动，形成它的弹道以便将其弹头投放到预定区域或躲避任何主动段防御，其尾焰中含有大量的可见光、短波、中波红外和紫外线等波段能量。

一旦导弹的发动机燃料耗尽，即开始进入飞行中段（也称自由飞行阶段）。进入该阶段，弹体会产生如下动作：助推火箭关机，弹体分离，产生诱饵弹及气球、碎片等伴飞物体，形成威胁目标群，在真空中按椭圆弹道惯性飞行至弹道最高点，然后朝地球下降。这个过程是弹道导弹运行过程中时间最长的阶段，远程弹道导弹可达10多分钟，甚至更长。该阶段的一个重要特点就是目标不再单一——构成威胁目标群，其中按质量大小可分为轻质假目标和重质假目标。轻质假目标主要是弹体碎片、金属箔条、金属薄膜充气气球等，适用于大气层外的突防；重质假目标包括重型仿弹头诱饵等[4]。轻/重目标在运动中表现出来的区别主要是姿态特性、RCS特性、红外辐射强度等方面的差异，但是在现代高科技的支持下，一些诱饵与弹头的差异表现得并不明显，中远程弹道导弹一般还会带有回波转发器等有源干扰装置来模拟、干扰弹头回波特性，所有这些都给中段目标识别带来极大困难。

再入段是导弹返回大气层的飞行阶段，也是时间最短的一个阶段，通常只有2～3min。由于大气阻力产生的气动加热效应，轻质目标很快被过滤掉，剩下弹头与重诱饵，这给识别带来了便利，但是该阶段弹头速度极快，留给防御系统的时间极短，致使拦截变得较为困难。

因此，任何单一的传感器或技术都不能满足对弹道导弹的预警探测要求，对弹道导弹的预警探测需要建立在多阶段、多手段、多特征的基础之上。为了快速有效地对弹道导弹进行预警探测，需要跨时域、跨地域，融合地基雷达、天基红外、机载激光等多种不同数据类型和异类传感器接收到的目标观测信息，对可疑目标做出正确预警，还需要对飞行中段威胁目标群中各目标属于弹头的置信度进行判断，完成对各目标的威胁排序，并随着时序进程实时更新，最后依据某种判定规则选择目标作为拦截对象。以美国导弹防御系统试验为例，其用于中段拦截的识别措施达20多种，并利用软件来优化和融合这些识别方法。从这个意义上说，预警探测系统需求决定了弹道导弹防御系统中传感器配置、信息处理、体系结构等的设计，属弹道导弹防御系统的顶层规划。

通过图1.3所示的美国导弹防御系统作战过程示意图可知，反导拦截作战是以信息系统为主导的，预警探测是导弹防御系统中的重要环节，其任务一直贯穿于反导拦截的全过程。美国的弹道导弹预警探测系统通过天基预警、空基和陆、海基预警探测装备得到关于目标的各种光、热、电磁等信息，并将这些信息传送到作战管理中心进行融合处理，得到系统对目标群完整、一致的描述，并制定下一步决策。

目前，美国在弹道导弹预警探测系统中雷达系统方面取得了大量的成果，相继建成了地基、海基X波段雷达，P、L波段远程预警雷达，C波段AN/MPQ-53雷达等装备，工作频率覆盖了P、L、C、S、X波段。图1.4给出了美国弹道导弹预警探测雷达部署位置及防御范围。雷达预警探测通过大致3个途径来获得目标的属性信息：

（1）“特征识别”通过对信号特征的辨认来提取有关目标特征信息，例如，通过回波信号的幅度、相位、极化特征及其变化规律来估计有关目标的飞行姿态、结构特征、材料特征[5][6][7]等；

（2）“成像识别”，即用高分辨雷达获取目标图像，如高分辨一维距离像、ISAR成像进而确定目标的尺寸、形状[8][9][10][11]；

（3）利用目标再入大气所特有的运动状态，通过估计质阻比来确定真假目标[12][13][14]。

由于弹头与诱饵间的相似性，以及目标特性在飞行过程中的动态变化，需要实时进行数据采集与处理所有雷达测量信息，如轨迹信息、幅度信息、相位信息、频率信息、极化信息等，进行特征提取与比较[15]。

仅有地基预警探测雷达尚不能监视地球上每个可疑角落，还需要预警卫星的支持才能提供足够的预警空间与时间。美国的空间预警探测系统目前主要由天基红外预警系统（SBIRS）、空间监视与跟踪系统（STSS）构成。按计划，美国的天基红外预警系统（SBIRS）是一个包括多个空间星座和SBIRS卫星地面站的综合系统，其卫星星座由天基红外系统高轨卫星（SBIRS-High）组成。SBIRS-High星座又分为大椭圆轨道（HEO）星座和同步静止轨道（GEO）星座两种，SBIRS-High部分有5颗地球同步轨道卫星（其中一颗为备份）和两颗大椭圆轨道卫星，能够对全球任何地区的红外辐射情况进行24h监视，如图1.5所示。由于DSP卫星和SBIRS-High卫星都无法跟踪关机后导弹的具体位置，且分辨弹头和诱饵的能力不强，因此又提出了天基红外系统-低轨卫星（SBIRS-Low）计划，它具有轨道低、更接近战场、更高分辨率的特点，是GMD升级系统的重要组成部分。为了与SBIRS-High相区别，天基红外预警系统-低轨卫星（SBIRS-Low）已于2002年被更名为“空间监视与跟踪系统”（STSS），它是“亮眼”的后续计划。STSS由24颗近地轨道卫星组成，整个星座计划部署在1600km高的3～4个大倾角低轨道面上，其上装有宽视场短波扫描红外捕获探测器和窄视场凝视型多波段红外及可见光跟踪探测器，重点对弹道导弹主动段末期到飞行中段的热弹头变冷和飞行中段到再入段初期的冷弹头变热过程进行目标识别，并可为预警雷达、制导雷达引导目标。

在空间预警探测系统中，DSP卫星的替代品——天基高轨红外预警卫星（SBIRS-High）中的大椭圆轨道卫星HEO-1和HEO-2已分别于2006年和2009年在轨投入运行，其低轨卫星（STSS）也于2008年完成两项关键地面系统实验，两颗演示卫星的准备工作取得重大进展。红外预警探测主要通过以下三种方法得到目标第一手红外光学信息。

（1）测温度。通过观测目标的温度及其变化率，推算出目标的质量、材料、结构特征、热容差异等。

（2）测辐射强度。通过测量目标的红外辐射强度及其变化率，可以推算出目标材质、质量、表面涂层材料、壳体厚度等因素，并且与温度特征联系起来可以计算出目标的有效辐射面积。

（3）红外成像。通过红外传感器对目标进行红外成像，并进行信号处理，可以得到目标的灰度特性及其变化，对一系列的红外图像进行分析，可以得到各目标的运动特征。红外系统将所测信息进行融合分析，提取出有用特征，以便对目标进行威胁探测与识别。

1.2.2 空间目标监视系统

空间目标监视系统的主要用途是不间断地对绕地球飞行的各种空间目标（己方、友方和敌方的各种航天器，末级火箭，导弹，碎片，陨石等）的发现、跟踪、测量、识别、轨道计算和编目。主要任务如下：

（1）对再入大气层目标进行国籍识别、计算和预报陨落时间和地点；

（2）为用户提供空间目标轨道预报；

（3）发现和识别新目标、变轨目标和威胁目标；

（4）核准弹道目标和轨道目标；

（5）为观测系统和拦截系统提供目标指示数据；

（6）对拦截目标的结果进行观测和评估；

（7）为安全发射和安全运行提供所需数据等。

以美国为例，其空间目标监视系统被称为空间监视网（SSN），主要由各种军用和一些民用探测系统组成，如图1.6所示。目前美国的空间监视网主要使用三类传感器。

（1）美国空间司令部所属的专用空间监视传感器，包括1部大型相控阵雷达AN/FPS-85、1套电磁篱笆系统，以及12部光电望远镜、机械跟踪雷达和监视卫星等。

（2）美国空间司令部所属的兼用空间监视传感器，包括5部改进型相控阵弹道导弹预警雷达和4部机械跟踪雷达。

（3）非美国空间司令部所有，属于借用的空间监视传感器，包括7部远程机械跟踪雷达，其中有TRADEX、ALTAIR和Haystack等远程精密跟踪和识别雷达。

1.2.3 两者的关系

由上述内容可以看出，弹道导弹预警探测系统与空间目标监视系统在传感器组成、系统功能与目标对象上有交叉重叠，它们之间互相补充、相辅相成。二者之间的关系体现在如下几个方面。

1）反导预警系统和空间目标监视系统都是战略预警体系的重要部分

一般来说，美俄等世界主要军事大国的战略预警系统都由防空预警系统、反导预警系统和空间目标监视系统构成，这是由美俄（前苏联）在冷战时期的长期对抗和技术进步而发展起来的。

美国的战略预警系统从部署上看由天基预警系统和地基预警系统组成。天基预警系统由DSP红外卫星和正在发展的SBIRS（包括高轨红外和低轨红外预警卫星）系统构成，地基预警系统主要包括联合监视系统（JSS）、北方弹道导弹预警系统、潜射弹道导弹预警系统、空军空间监视系统、海军空间监视系统（现已并入空军）、地面深空光电监视系统。其中，北方预警系统、空中预警系统、联合监视系统和超视距后向散射雷达系统构成了美国的防空预警系统，北方弹道导弹预警系统、潜射弹道导弹预警系统和天基预警卫星系统构成了美国的弹道导弹预警系统，空军空间跟踪系统、海军空间监视系统和地面深空光电监视系统构成了美国的空间目标监视系统。

俄罗斯战略预警体系由防空预警系统、弹道导弹预警系统和空间目标预警监视系统三部分组成，构成了地面、空中和空间“三位一体”的立体预警监视体系。其中，防空预警系统由地面防空预警监视系统和空中预警系统组成，弹道导弹预警系统由地面预警雷达系统和天基预警卫星系统构成，空间目标监视系统主要由航天器运行测控系统组成。

2）空间目标监视系统为反导预警系统提供目标情报信息

在情报使用上，由于空间目标监视系统所观测的空间范围与反导预警系统所观测的空间范围有一部分是重叠的，因此，空间目标监视系统可为反导预警系统提供情报支援，为反导预警系统快速区分弹道导弹目标与卫星、火箭、陨石，以及空间碎片提供支持。

事实上，在美国的战略预警体系中，空间目标监视系统担负着为北美防空司令部的弹道导弹预警中心提供在轨卫星或空间碎片的先验信息，并且在预警时，可同时跟踪200个目标并预测弹道导弹的落点。俄罗斯的空间目标监视系统，不仅担负航天器的测控和回收工作，而且还对美国的洲际弹道导弹进行监视和跟踪。

3）共用部分雷达传感器

空间目标监视系统由雷达和光学观测设备组成，其中使用的雷达一般都是远程相控阵雷达，这是因为需要观测的目标距离远（可以远到数万千米），目标小（可以小到直径仅5cm），因此，都存在一个目标的捕获、跟踪问题，在这一点上，与反导系统中远程预警雷达的要求是一致的。

例如，美国空军的目标监视系统所使用的AN/FPS-85、AN/FPS-108丹麦-眼镜蛇等几种大型相控阵雷达也同样在反导预警系统中使用。