天际哨兵：导弹预警卫星 国防科普大家小书

  周志鑫院士长期从事空间遥感理论与应用研究，为提升我国卫星应用水平和国防建设做出了突出贡献。他和他的同事们发挥专业特长，以通俗易懂的语言将侦察卫星这一复杂的高技术系统呈现给读者，为我国广大青少年和航天爱好者了解侦察卫星提供了科普读物。我衷心希望广大青少年和航天爱好者通过阅读这本，能增加对侦察卫星的了解，激发航天热情，投身航天事业，为建设航天强国做出贡献。

  （周志鑫等著. 北京：科学出版社，2023.9）是“国防科普大家小书”中的一种。本书力求以专业视角，以通俗易懂的语言将侦察卫星这一复杂的高技术系统呈现给读者。全书共五章。第一章讲述侦察卫星的发展史和世界主要大国侦察卫星的发展概况，第二章简述侦察卫星家族的分类，第三章描述侦察卫星的组成，第四章阐述侦察卫星的典型作战应用，第五章介绍侦察卫星技术的发展的新趋势。附录部分介绍了目前世界各国和地区的在轨侦察卫星和相关专业术语。

  本文节选该书“第二章 百舸争流”之“天际哨兵”以飨读者，衷心希望广大读者通过阅读本书，能了解侦察卫星，激发航天热情，热爱科学，为强国梦、强军梦做出贡献。

  导弹袭击防不胜防，特别是洲际弹道导弹，远距离、核弹头， 威胁到国家的生死存亡，及早发现导弹的突袭是国之要事。用大型地基雷达进行持续扫描，受地球曲率影响，只能等导弹爬到一定高度、飞临上空时才能发现，预警时间十分有限，留给己方的反应时间往往只有几分钟，根本来不及有效应对，只能被动挨打。用预警飞机，虽能看得更远一些，但也只是增加了数百千米，对于高速飞行的导弹，反应时间也就是增加一两分钟。那么，有没什么办法能看得更远，并可提供更多的预警时间呢？

  导弹预警卫星由此应运而生，如同在太空装上了一双慧眼、建了一座烽火台，其时刻保持警惕，防止洲际弹道导弹的突然袭击。

  导弹预警卫星就是用于监视、发现和跟踪敌方弹道导弹的侦察卫星。通常有两种轨道：一种是地球静止轨道，一种是大椭圆轨道。地球静止轨道预警卫星位于赤道上空，其扫描范围集中于中低纬度地区，一颗卫星基本能覆盖40% 的区域，三颗卫星可实现全球中低纬度的覆盖；大椭圆轨道预警卫星则可以在高纬度地区长时间驻留。通过两种轨道上预警卫星的组网协同，基本上任何区域的导弹发射都逃不过其法眼。

  那么，卫星距离地面几万千米，靠什么发现导弹来袭呢？导弹发射后，燃烧推进剂在尾部喷出火焰，长度达几百米甚至几千米， 温度往往高达2000℃，发出的辐射能量极高，预警卫星上的红外敏感器会探测到这一些信息，继而向值班人员发出警报——“有导弹发射！”从最早发现导弹发射的位置，可以推算出导弹发射的地面位置或所属国家，通过卫星的持续扫描和燃烧尾焰不断触发敏感器，可以跟踪导弹主动段飞行过程，大致勾勒出飞行轨迹和预定攻击区域，这样就能提前发出警报，以及时采取拦截、规避或反击等应对措施。

  冷战时期，正是因为有了导弹预警卫星，美国、苏联两国才能在第一时间相互掌握对方的导弹发射情况并采取核反击等应对措施，实质上使两国达成了核威慑下的战略平衡状态。

  导弹预警卫星的发展几经周折，经过不同方案、不同体制的多方对比，最终才形成了可靠的预警能力。其中，最为关键的就是确定红外探测器的工作波段。比如，美国早期的“国防支援计划”卫星采用的是短波红外波段（2.7微米），虽然能够预警导弹发射，但对地面爆炸、火灾和云层反射阳光等容易造成虚警。后来，发展为双色红外波段（2.7微米和4.3微米），这两个谱段对不同现象的响应特性各有差异，通过综合对比，可以滤除云层反射等干扰，大幅度的降低由此引发的虚警概率。

  1965年，美国开始发展“国防支援计划”卫星。该卫星采用地球同步轨道，其第一个任务是探测处于主动段飞行的导弹和火箭，并兼顾核爆炸探测任务。“国防支援计划”卫星已发展了3代，现役卫星共有5颗，轨道均为地球静止轨道，都是第三代卫星，其基本功能由红外探测器、通信分系统、加强固定措施与核爆炸探测器实现。

  此后，又发展出星上装载多个侦察载荷的方案。一般装载一台可快速覆盖全球的扫描相机和一台可精确探测指定区域的凝视相机。卫星工作时，先由高速扫描相机探测导弹发射时喷出的尾焰，如发现目标，就将已探测到的信息提供给凝视相机，由它将导弹发射画面拉近放大，紧盯可疑目标，获取确切的目标强度、位置等信息，进一步剔除虚警，更加精确地预报导弹飞行参数，为后续规避、引导跟踪、实施拦截等应对动作提供更准确的信息保障。

  “道高一尺，魔高一丈。”随着分导多弹头、再入机动、高超声速等导弹技术的迅猛发展，导弹预警卫星也面临着新的挑战。

  在此情况下，多种技术方案齐头并进，立足现有手段能力，通过改进处理算法、缩短传输链路等措施，提高预报的准确性。海湾战争时期，每当伊拉克发射“飞毛腿”导弹时，美国都要向沙特阿拉伯或以色列全国发出警报，改进后可以只向那些将受到直接影响的区域发出预警情报，预警范围缩小至一个装甲师的部署范围。

  美国的“天基红外系统”卫星则是从根本上提升能力。卫星上所用的扫描相机具有比“国防支援计划”卫星快得多的扫描速度，它同高分辨率凝视相机相结合，扫描速度和灵敏度均比“国防支援计划”卫星高出10倍以上，加上能穿透大气层和具有即时探测能力，“天基红外系统”卫星对战术导弹发射的探测效能明显优于“国防支援计划”卫星，可在导弹发射后10～20秒内将预警信息传送给地面部队，而“国防支援计划”卫星至少需要40～50秒。下一代预警卫星则更进一步，采用全画幅式红外相机，能持续不断地对地球上的各种红外事件进行监测，全程跟踪各类导弹发射，有可能颠覆现有的导弹防护格局。

  上述改进仍是在高轨卫星上做文章，还有一种途径是发展中低轨导弹预警卫星星座。星座将飞行在多个轨道面，组网应用、成对工作，以达到全球覆盖、立体观测的侦察效果。每对卫星通过星间链路进行相互通信，每颗卫星将配备一台宽视场短波红外捕获探测器和一台窄视场凝视型多色跟踪探测器，这些探测器将按照先看地平线以下后看地平线以上的顺序工作，以此捕获和跟踪目标导弹的排气尾焰与发热弹体、助推级之后的弹体以及最后的冷再入弹头。通过中段跟踪和对弹头与其他物体的辨别，卫星还能为地面、空中或天基防御系统提供指示性信息。中低轨预警卫星星座投入到正常的使用中后， 将与高轨导弹预警卫星协同，使得早期拦截导弹成为可能，同现有系统相比能将防区范围扩大2 ～ 4 倍。

  本文摘编自《侦察卫星 : 决胜千里之外》（周志鑫等著. 北京：科学出版社，2023.9）一书“第二章 百舸争流”，标题为编者所加。

  “国防科普大家小书”是我国国防科技领域众多院士专家联合研究撰写的国防科普丛书，突出前沿性、准确性、可读性和实用性，立足中国视角，梳理科技历程，描述世界前沿，融入国防教育。从装备起源发展，到世界著名战例，全景展示了高科技装备是如何改变战场形势的，那是一场场智慧的博弈，也是一次次科技的飞跃。 “国防科普大家小书”计划10个分册，目前已出版3种。