空间预警系统演示

空间预警系统演示第1页/共66页一、概要二、DSP系统三、SBIRS系统四、美军的其它发展计划五、涉及的相关光学器件与技术六、多波段红外焦平面在空间预警中的应用七、总结第2页/共66页一.概要空间预警系统（SEWS）是美国弹道导弹战略防御体系（BMD）中不可缺少的组成部分，是一个高度集成、高精度的光机电一体化系统。本文以美国DSP和SBIRS空间预警系统为例进行分析，并根据多波段红外焦平面的工作原理，探讨了多波段红外焦平面器件在空间预警系统中的应用前景与可行性。DSP和SBIRS空间预警系统具有多波段（红外）的探测能力，其中2.7μm和4.3μm的波段探测采用不同材料的红外焦平面来完成，并具有相应的成像系统，这必然会影响到系统的运行效率和结构的精简。本文以提高空间预警系统的效率为出发点，对采用多波段红外焦平面替代多种焦平面完成多波段探测的可行性进行了论述。第3页/共66页一.概要基于天基的空间目标监视，就是以星载探测器为主体，构成的主要针对弹道导弹的监视、发现和跟踪系统。属于区域弹道弹道防御系统中首要的预警部分，也是防御系统的最前端部分。基本的探测形式有星载雷达探测和星载光学探测两种，我们在此重点介绍的DSP和SBIRS系统都是以星载光学探测为主。主要探测对象：洲际战略导弹和潜射弹道导弹。第4页/共66页空间目标监视基本过程第5页/共66页<一>可探测阶段主动段探测：依靠导弹的尾焰红外辐射进行探测，液体和固体推进剂会产生不同的辐射，一般红外辐射>紫外辐射>可见光。主动段一般都处于大气中，大气会吸收大部分的红外辐射，所以只有当目标处于大气之外（或稀薄大气）中时，才能够进行遥感红外探测。在飞行中段，导弹发动机关火，红外辐射较弱，此时需要利用可见光或紫外进行探测。借助“中段空间试验”（MSX）卫星的来实现对飞行中段的探测，利用不同探测波长的探测材料，使探测波谱能覆盖从紫外，可见光到超长波红外的范围，即110nm到28μm波长。在再入段，发动机重新点火，主要以红外探测为主。第6页/共66页<二>红外扫描望远镜视轴线与卫星主轴成一定角度的夹角，因而随着卫星自旋可形成一圆锥扫描区域，红外探测器就像钟表表针扫描表盘一样，对地球进行扫描，可形成圆锥扫描区域，通过望远镜搜集红外辐射来探测弹道导弹发射。第7页/共66页<三>星载探测定位原理

利用目标相对星载探测器的方位角A，高低角E和斜距R，利用这三个参数来求取目标的三维坐标（x，y，z）。第8页/共66页<四>星载探测工作流程

DSP卫星探测工作流程第9页/共66页二.DSP系统历史发展

DSP计划是70年代初由美国和加拿大双边签署的关于北美空中防御计划（NORAD）之一，其目的是监测前苏联等国的地下核试验、中程导弹发射和航天器发射。DSP从实施至今已经历了30年，已历经三代，目前正在服役的是第三代的DSP，目前轨道上的DSP-14—DSP-17即属于第三代的DSP卫星，都属于GEO卫星。DSP系统是美国目前唯一能运行业务的导弹预警系统。目前已演变为美国卫星预警系统（SEWS），它也是SBIRS的主要组成部分。DSP系统仍将继续执行和发展，维持到2010年结束。

DSP系统是美国目前唯一能进行运行业务的导弹预警系统。DSP卫星采用地球同步轨道，它由5颗卫星组成，有重点地布设在全球各大洲的上空。第10页/共66页技术特点1、红外和可见光的探测为主；2、红外焦平面采用PbS和HgCdTe材料构成，具有双色探测能力。其中PbS探测器探测谱段为2.7μm，工作温度196K，采用辐射制冷。HgCdTe探测元能探测到4.3μm的辐射，工作温度77K，采用斯特林循环制冷机制冷，对地平线以上的目标有一定的探测能力，分辨力可达1km。3、具有三维成像功能，由多颗卫星可以找到同一目标的立体像对；第11页/共66页技术特点4、生存能力提高，据称有防激光能力，所采用措施：在红外探测器镜头上镀抗激光致盲膜；在遮光罩内部装“校正透镜”；多谱段工作；采用多元探测阵列。5、地面Alert（“战区空袭和发射预报”）系统，可以同时处理2～3颗卫星数据，具有较强的数据处理融合能力。6、采用激光信标机来校准红外探测器的视线精度，提高了定位精确度。7、采用电视跟踪辅助测量，通过电视摄像来降低虚警和漏警的概率。第12页/共66页存在缺点1、受传感器视场限制，DSP卫星只能间隔一段时间才能扫描特定区域，采用线扫方式，扫描速度为10s扫1线，速度较低；2、再加上地面处理速度和数传速度慢，造成预警时延太长；3、由于太阳耀光的的影响，存在探测盲区。4、由于采用的都是GEO卫星，不具备洲际导弹中段监视能力，即无法探测导弹发动机关火以后目标为微弱的红外辐射。

5、灵敏度和分辨力不够高，难以找到低能级移动式小目标；对战术导弹的预警能力较弱。第13页/共66页二.DSP系统第14页/共66页三.SBIRS系统<一>SBIRS简介为了克服DSP系统的缺点，美军又开始发展下一个大型导弹预警计划——SBIRS计划。SBIRS除了包容DSP卫星星座以外，还将建造低轨和高轨卫星星座。SBIRS比单独DSP系统的能力更强。该系统首先可借助DSP卫星对导弹发射实现粗查，然后由高、低轨卫星做定点详查，对导弹弹头进行跟踪，并测出弹道轨迹参数。SBRIS系统有空间系统和地面系统两部分，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-High）和静止轨道卫星星座（SBIRS-GEO）。第15页/共66页三.SBIRS系统<一>SBIRS简介导弹预警卫星是美军反导体系的重要组成部分，其预警能力的高与低，提供预警时间的多与少，是导弹拦截成功与否的关键。由于现役的“国防支援计划”卫星是冷战时期的产物，只能预警战略导弹，对战术导弹的预警力不从心。所以，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”。

与运行在地球静止轨道的“国防支援计划”卫星相比，“天基红外系统”的空间段是一个由多种轨道卫星组成的庞大星座，包括高轨道、低轨道两部分。第16页/共66页三.SBIRS系统<一>SBIRS简介

它的高轨道部分由5颗地球静止轨道卫星（其中1颗为备份）、2颗大椭圆轨道卫星组成，主要通过红外探测器来侦察、跟踪来袭导弹的热助推段，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。其中的大椭圆轨道卫星由于远地点处于北半球上空，可长期观测北半球的情况，所以主要用来探测俄罗斯等高纬度地区的洲际导弹发射及北方水域的潜射导弹发射。第17页/共66页三.SBIRS系统<一>SBIRS简介静止轨道卫星沿用DSP已有的星座；低轨卫星星座由“空间和导弹跟踪系统”（SMTS）计划支持；高轨卫星星座由“战区高度区域防御”（THAAD）计划支持。这样，SBIRS计划内容至少包含DSP、SBIRS-Low、SBIRS-High、“战区空袭和发射预报”（ALERT）、“联合战术级地面站”（JTAGS）和“眼镜蛇响声”（CB，CobraBrass）等6项计划，从而形成了美国BMD计划的核心。其中地面ALERT系统是为提高DSP卫星数据的处理速度服务的，可以同时处理2～3颗卫星数据，具有较强的数据处理融合能力；JTAGS是一项为SBIRS卫星星座（3种轨道高度）而建造的移动式地面接收站计划；CB则是专为研制相应高水平红外探测器而设置的。第18页/共66页<二>SBIRS系统的新部署进展北京时间2011年5月8日，美国首颗“天基红外系统”地球静止轨道卫星（SBIRSGEO-1）由宇宙神-5火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射。“天基红外系统”是美国新一代导弹预警卫星，它将替换现役的“国防支持计划”（DSP）导弹预警卫星完成更多的任务，包括导弹预警、为防御导弹指引目标、提供技术情报和战场态势信息等。第19页/共66页<二>SBIRS系统的新部署进展美国已于2006年6月和2008年3月先后发射了两颗“天基红外系统”大椭圆轨道卫星。这次发射的首颗“天基红外系统”地球静止轨道卫星采用美国洛马公司的A2100商用通信卫星平台，设计寿命12年，电源功率约2800瓦，重量约4500千克，其上的红外探测器重约450千克。第20页/共66页<二>SBIRS系统的新部署进展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“天基红外系统-低轨道”改称为“空间跟踪与监视系统”（STSS），并把该项目由空军移交给弹道导弹防御局，且进一步明确和扩展了此系统的作战功能。所以，现在所称的“天基红外系统”一般特指原有的“天基红外系统-高轨道”卫星。第21页/共66页<二>SBIRS系统的新部署进展

“空间跟踪与监视系统”（STSS）目前还没有部署。它有不同轨道配置：只用于完成美国“国家导弹防御系统”任务时，由3条轨道共21颗星组成；当用于完成导弹预警、导弹防御、技术情报、战场描述这4项任务时，由4条轨道共24～28颗卫星组成。这些卫星将成对工作，以提供立体观测。整个低轨道卫星星座是利用卫星内部的交叉链路连接在一起的，每对卫星通过60兆赫的卫星间链路进行相互通信。当第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告知第二颗卫星，第二颗卫星将继续跟踪目标，并将有关引导信息提供给反导部队。必要时，这种传递可以在整个星座中继续下去，直到目标被摧毁或无法再探测到为止。第22页/共66页<二>SBIRS系统的新部署进展

“空间跟踪与监视系统”十分复杂，为此，美国先发射了一些试验卫星。

2009年5月5日，美国用1枚德尔他-2火箭发射了1颗耗资4亿美元的“空间跟踪与监视系统先进技术风险降低”（STSSATRR）卫星，用于测试新型遥感器及其跟踪弹道导弹的能力，所演示验证的技术将用于“空间跟踪与监视系统”。

2009年9月25日，美国又用1枚德尔他-2火箭又发射了2颗“空间跟踪与监视系统”试验演示卫星（STSSDemo），用于演示对各个飞行阶段的弹道导弹的跟踪能力，证明“空间跟踪与监视系统”星座具有每天24小时覆盖全球、每周7天监视弹道导弹事态变化，以及全程跟踪弹道导弹及其再入弹头的能力。第23页/共66页<二>SBIRS系统的新部署进展首颗“天基红外系统”地球静止轨道卫星上天后，将成为耗资104亿美元的美国新一代导弹预警卫星项目的重大里程碑。据美国军队一位官员2011年4月12日透露，由于该卫星的探测器非常敏感，所以还能搜集情报，并经国家地理空间情报局获准从事技术情报工作。其任务大多是涉密的，现只知道一项非密任务：探测森林火险。第二颗“天基红外系统”地球静止轨道卫星计划在2012年用宇宙神-5火箭发射。第3、4颗“天基红外系统”地球静止轨道卫星将与第1、2颗很类似，只是做了一些小调整，比如使用了不同的星体跟踪器、惯性测量仪以及更换过时的部件，从而可以提供导弹预警、导弹防御、战场空间感知、以及作战人员所需的技术情报。该卫星将于近年开始发射，但具体时间不详。第24页/共66页<二>SBIRS系统的新部署进展

由于目前的反卫星武器还无法打击高轨道卫星，所以“天基红外系统”卫星没有配备防卫功能，但不知道未来升空的“空间跟踪与监视系统”低轨道卫星是否配备防卫功能。

不过，“空间跟踪与监视系统”的轨道比较高，个头小，且数量多，所以，在天基反卫星武器问世前，其安全性问题不大。第25页/共66页<三>SBIRS系统的基本性能部署在大椭圆（HEO：2颗），地球同步（GEO：4～5颗）和低地（LEO：12～24颗）三种轨道。具有红外、可见和紫外多谱段探测能力。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。具有导弹主动段，飞行中段和再入段的探测能力。在导弹飞行中段具有指导拦截的能力。第26页/共66页<三>SBIRS系统的基本性能

该卫星系统的低轨道部分由运行在1600千米高的20多颗左右的小卫星组成。这些卫星能跟踪全球范围内来袭导弹发射后的全过程（主要用于中段和末段），同时也能提供导弹发射场和其他技术情报，可有效地为导弹防御系统提供精确的瞄准数据，包括提供弹道中段的精确跟踪与识别，并将引导数据提供给导弹拦截弹。

通过采用这种不同轨道的多星组网方式，可提高卫星的空间和时间分辨率，从而有助于探测那些采用机动发射架进行发射的导弹。第27页/共66页<三>SBIRS系统的基本性能

与DSP相比，SBIRS卫星另一大改进是采用了双探测器体制。每颗“天基红外系统”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烟）和1台窄视场凝视型多谱段（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）。前者利用扫描折射望远镜和短波红外焦面阵列扫描南北半球，探测导弹发射时喷出的尾烟，如果发现目标，则将信息提供给后者；后者利用动作“敏捷”的望远镜将导弹的发射画面拉近放大，紧盯可疑目标，跟踪沿弹道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，从而实现对导弹发射的全过程跟踪。第28页/共66页<三>SBIRS系统的基本性能

同时，卫星上的处理系统能预测出导弹弹道以及弹头的落点，使卫星的扫描速度和灵敏度比“国防支援计划”高出10倍，可有效地增强探测战术导弹的能力。它能在导弹点火的瞬间将其捕捉，并在导弹发射后10～20秒内将警报信息传送给地面部队。第29页/共66页<三>SBIRS系统的基本性能“空间跟踪与监视系统”（STSS）部署后能获得弹头的精确位置、速度和加速度数据，大大降低反导系统的部署数量；还可用于监测空间物体，避免航天器发生碰撞。该系统可实时跟踪100多个目标。美国国防部已在“空间跟踪与监视系统”中增加了新的侦察跟踪任务，使该系统不仅可以实现对弹道导弹的固定发射阵地的侦察跟踪，还能实现对地面、海洋、空中移动的“在时间上处于临界状态的目标”（即高机动性进攻武器）的优先侦察跟踪。第30页/共66页第31页/共66页SBIRS星座分布第32页/共66页第33页/共66页<三>SBIRS系统的基本性能

SBIRS高轨道预警卫星都装有高速扫描探测器和与之互补的凝视型探测器，扫描型探测器具有比DSP快得多的扫描速度，它同高分辨力凝视型探测器相结合，有效提高了天基红外系统卫星的灵敏度。SBIRS低轨道卫星（SMTS）数量大约为20颗～30颗，每颗卫星有1台宽视场短波红外捕获探测器和1台窄视场凝视型多波段（中波、中长波和长波红外及可见光）跟踪探测器。可见光遥感器用于导弹基地和导弹类型的鉴别，短波红外遥感器用于导弹发射时的侦察，中波红外遥感器用于导弹发射后的跟踪侦察。第34页/共66页<三>SBIRS系统的基本性能从美国预警卫星系统发展过程和SBIRS的特点来看，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；探测器件经历了从单一波段向多波段、从少探测元线阵扫描向多探测元线阵扫描、大面积凝视的发展过程。从中也可以看出，探测器技术的发展在其中占了重要地位，各类成像焦平面阵列的发展也决定了系统的精度和效率。第35页/共66页四、美军的其它发展计划“绿色森林”（ForestGreen）计划。它是一项探测导弹技术性能和核能试验的计划，采用的是电子光学探测器，而不是通常所用的红外探测器。“红鼻凫”（TealRuby）计划。这是一项试验计划，于1985年立项，进行了1次发射，寿命为1年。星上遥感器是1台有13个窄波段的红外仪器，每个焦平面上有1024个探测元件；此外，还有项DSP卫星系统的后续计划，一项是“后续预警系统”（FEWS），另一项是“导弹警报、定位和报告系统”（ALARM）。这两项都是研制下一代DSP卫星系统的计划，每项计划的经费均超过100亿美元，但都因遭国会反对而中止。但实际上美国从未真正放弃过。第36页/共66页五.涉及的相关光学器件与技术中段空间试验卫星（MSX）

TheMidcourseSpaceExperiment（MSX）是由弹道导弹防御组织（BMDO）资助的中段空间试验卫星，是第一个能够覆盖从紫外到远红外波段的空间监测平台。最初目的主要用于弹道导弹防御，导弹跟踪，解决对中段弹道导弹防御进行获取、跟踪、数据融合和识别过程中的存在的问题。处理数据可以通过远红外和可见光目标信号来获取。MSX可以作为空间目标监测验证的空间平台上，对空间常驻目标建立数据库，进行编目。第37页/共66页MSX的外形结构图第38页/共66页MSX主要光学有效载荷第39页/共66页<二>主要星载光学传感器介绍凝视型红外探测器：

采用红外焦平面和实现信号处理的CCD或电荷注入器件CID相结合的集成晶片。采用多路分时复用的信号传输方式工作，在红外焦平面阵上，每个探测元对应一个像元位置，当在焦平面探测元阵列上进行电扫描时，整个探测器的光敏面便直接对应一个空间视场。在一个扫描行的光积分时间内，光电探测器的所有单元都对地面“凝视”’，在两扫描行光积分的时间间隙，读出电路将探测器焦平面阵上所有探测元的光电荷读出，将光信号转换成为后续信号处理模块能直接处理的有序图像信号。凝视型红外敏感器从理论上讲也是扫描，无需靠机械转动的电扫描，扫描的帧时为30ms至几百ms。优点是具有更高的精度和地物杂波干扰抑制能力；缺点是探测性能会受固定图形噪声的影响，必须予以修正。另外，探测元数目的增多也会加大功耗，产生热量，因而需要低功耗，低振动和长寿命的高效致冷机。第40页/共66页<二>主要星载光学传感器介绍凝视型红外探测器：

据最新消息，雷神公司提供了SBIRS的红外传感器为约4k4k的红外焦平面，可以凝视半个地球。第41页/共66页扫描型红外探测器

采用光机扫描成像方式，它通过扫描镜头的机械运动，使探测器通过光学系统以一个非常小的瞬时视场，从一端到另一端顺序“看到”扫描行的所有部分。时序电路按瞬时视场在地面的“脚印”，把扫描行在几何上分为不相重叠的像元，经模数变换将数据记录下来。不断重复此过程，加上卫星的飞行，即可得到目标信息的二维像元图像。扫描型红外探测器的扫描帧时一般为1到10s。优点是总视场大，即扫描覆盖范围宽，因此广泛应用于大范围搜索。但是，它对于由背景空间的不均匀性而引起的空间杂散噪声比较敏感，所获信息不连续，且信息点间隔大，容易漏过飞行时间短暂的目标，影响测定导弹发射点和弹着点的精度。第42页/共66页3、紫外、可见光成像仪和分光成像仪（UVISI）：

是由紫外、可见光成像仪（UVIS）和分光成像仪（SI）集合而成，一般由5个光谱仪和4个相机，还有一组处理电路组成；UVISI由APL实验室研制，基本覆盖了从远紫外（110nm）到近红外（900nm）波段的测量。传感器都采用增强型（intensified）电荷耦合器件（ICCD）。

第43页/共66页UVISI成像频段分布第44页/共66页UVISI在MSX卫星上的位置分布第45页/共66页UVISI仪器模块图第46页/共66页

分光成像仪的光学结构第47页/共66页4.光谱成像仪SPIMs主要特点：光谱仪覆盖了110nm到900nm的所有波段；光栅的选择，满足响应频段波长范围之比为1.8：1，且有2％～4％的重叠部分；光栅、镜片光学薄膜、狭缝滤波器（slitfilter）、光电阴极材料共同决定了传感器的响应度；调整孔径光阑可以调节视场角；有相同的光学和机械结构，只是选用的成像材料不同。采用离轴（off-axis）Wadworth三反射面光路结构。最主要的特征是：球面衍射光栅，产生色散，光谱成像。在短波长波段，反射膜的反射率较低，所以设计尽量少的反射面。第48页/共66页5.天基可见光相机（SBV）：

是一种可见光全波段CCD相机，是MSX卫星上传感器群体的一部分。SBV传感器的任务是完成对地平线以上目标的监测实验，以及获得目标和背景在可见光和近红外波段的资料。光谱范围为300到900nm，视场为1.4到6.6o，空间分辨力为60μrad，孔径13cm，内装信号处理器。

SBV的结构见后图。关于SBV设计资料涉及：《SBV传感器》，《空间监测》，《天基可视传感器对项目维护的贡献》，《天基可视项目》等。第49页/共66页第50页/共66页某可见光相机窄视场（NFOV）相机光学、机械结构第51页/共66页某可见光相机宽视场（WFOV）可见光相机光学结构图第52页/共66页6.空间红外成像望远镜（SPIRIT）III： 由热红外成像辐射计和傅里叶变换干涉光谱仪组成。热红外成像辐射计的光谱范围为4.2到25μm，分成6个谱段，视场角为1.0o到3.0o，瞬时视场角为90μradX90μrad，谱段设置见表4。傅里叶干涉光谱仪孔径为35.5cm。光谱范围约为2.5到29μm，分为6个谱段。谱段设置见表5。第53页/共66页空间红外成像望远镜SPIRITIII实物图第54页/共66页空间红外成像望远镜SPIRITIII机械原理结构图第55页/共66页空间红外成像望远镜SPIRITIII光路原理图第56页/共66页

在导弹逼近预警中，目前普遍应用的中波焦平面器件容易受到植物或海面的阳光反射的影响，误警率高。太阳等效为一个5900K的辐射源，即使是经过反射后也能提供一个明亮的信号。目标背景中的干扰信号存在的同样问题，需要系统花费时间做解析运算。采用中波双色焦平面探测方案，光谱信息可以用来有效地区分阳光反射、干扰和导弹信号。比如，通过计算分析在4.2μmCO2吸收谱线两侧的光谱范围（3.4～4.0μm/4.4～5.0μm）内的辐射积分比例，可以清楚地分辨出阳光反射。阳光反射信号在4.4～5.0μm具有较高的辐射、较低的积分比，而逼近室温的目标不会显示低的积分比。所以，采用双色积分比可以清楚地将导弹从背景以及阳光反射中区分出来。七、多波段红外焦平面在空间预警中的应用第57页/共66页七、多波段红外焦平面在空间预警中的应用典型地物、太阳照射10km高云层、20km高导弹的光谱曲线第58页/共66页

各种光学遥感卫星配套使用，不同轨道高度、不同功能、不同分辨力的卫星组建星座。大小卫星并存，遥感小卫星迅速发展。卫星智能化。具有强大的星间与星地间信息传递能力。具有强大的星上数据预处理能力，可变压缩比。具有机动成像能力。21世纪空间预警系统是高度光机电一体化、信息化的集成系统2020年天基综合信息网构想：

第59页/共66页高度集成的光机电一体化、信息化的卫星预警系统

超高的空间分辨力。采用特大口径、特长焦距的光学系统。研究新概念、新原理、新方法。超高的时间分辨力。提高卫星轨道高度以增加幅宽。从地球静止轨道观测。组成卫星星座以减少重访时间。超高的光谱分辨力。激光雷达主动遥感。利用激光这一新型的探查工具，通过主动遥感，解决地球上用常规方法无法探测的特征。探讨新技术提高分辨力。如亚像元技术，图像复原技术，负折射率技术等。

第60页/共66页客观条件的限制。空间预警系统采用的无源红外探测器无法获得距离信息，这给准确的定位和跟踪带来了困难。运动模型的不确定性。首先，对于目标飞行各阶段进行完全准确的建模比较困难。此外，现代导弹由于突防需要往往在主动段根据发射程序进行机动，特别是多级推进的导弹与单级导弹运动特性又有所不同。计算过程面临的困难。战术参数的估计是一个非线性问题，而且目标可观测性很弱。空间预警卫星战术参数估计存在的问题

第61页/共66页未来