郭鶴鶴，牛躍華，汪路元

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100190)

0 引言

天基武器攻擊主要是指對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)實(shí)施攻擊，以實(shí)現(xiàn)破壞、甚至物理摧毀作戰(zhàn)目標(biāo)為目的。其中，硬殺傷可使目標(biāo)永久喪失功能，甚至導(dǎo)致敵方作戰(zhàn)體系的直接癱瘓，具備極強(qiáng)的破壞力，從而被廣泛應(yīng)用于天基武器系統(tǒng)[1]。

根據(jù)硬殺傷手段的不同，天基武器系統(tǒng)分為：

1)天基動(dòng)能武器，如美國(guó)2012年開始研制的一種新概念武器系統(tǒng)“上帝之杖”，依靠彈體高空墜落形成的巨大動(dòng)能造成毀傷響應(yīng)，從而打擊地下深層戰(zhàn)略目標(biāo)[2]。

2)天基在軌操作，通過機(jī)械臂或?qū)幼ゲ?、破壞目?biāo)，如美國(guó)2016年5月啟動(dòng)的地球靜止軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)(RSGS)項(xiàng)目，為目標(biāo)提供輔助推進(jìn)和變軌及抵近檢測(cè)、測(cè)量[3]。

3)天基激光武器，如美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御局提出的在高度為1 300 km、傾角為40°、不同升交點(diǎn)赤經(jīng)的圓軌道上，部署24顆激光作戰(zhàn)衛(wèi)星，可在2 s～5 s內(nèi)摧毀以其為中心、半徑4 000 km范圍內(nèi)的導(dǎo)彈。

4)天基微波武器，如美國(guó)規(guī)劃采用低軌多星組網(wǎng)的方式，在500 km～916 km的軌道高度上部署攻擊頻率覆蓋為1 GHz～100 GHz、峰值功率為100 MW～100 GW的微波武器，通過對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)或生物效應(yīng)，從而破壞目標(biāo)電子設(shè)備，達(dá)到干擾、殺傷或摧毀[4-6]。

從上述4類天基武器系統(tǒng)可以看出，作戰(zhàn)目標(biāo)覆蓋空、天、地，而實(shí)施太空有效攻擊的首要任務(wù)是對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)的精確識(shí)別，為此，天基武器系統(tǒng)需要基于作戰(zhàn)手段和作戰(zhàn)目標(biāo)建立天基目標(biāo)信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)可以自主響應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)，具備數(shù)據(jù)重構(gòu)、更新、為武器載荷裝訂目標(biāo)信息的能力。然而，在不同的作戰(zhàn)手段和作戰(zhàn)目標(biāo)下，作戰(zhàn)目標(biāo)屬性信息和圖像特征數(shù)據(jù)也存在較大的差異，且并非一成不變，對(duì)目標(biāo)信息數(shù)據(jù)庫(kù)在軌的高效自主管理提出了較高的要求。

文章對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)從空、天、地3個(gè)維度對(duì)目標(biāo)的特性進(jìn)行了分析，提出基于MANAFS(MRAM Aid NAND Flash memory Array File System)的目標(biāo)信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，具備較強(qiáng)的自主管理能力、通用性和任務(wù)快速響應(yīng)能力，能夠簡(jiǎn)化作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)施流程，提升天基武器的自主任務(wù)規(guī)劃能力和威懾效能，對(duì)于提升衛(wèi)星好用性和易用性具有重要的作用。

1 作戰(zhàn)目標(biāo)分析

根據(jù)天基武器作戰(zhàn)對(duì)象，作戰(zhàn)目標(biāo)主要分為地基目標(biāo)、天基目標(biāo)和空間目標(biāo)，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)分類

1)地基目標(biāo)主要包括作戰(zhàn)目標(biāo)和規(guī)避目標(biāo)。作戰(zhàn)目標(biāo)主要為掛載武器提供末制導(dǎo)數(shù)據(jù)，其目標(biāo)屬性主要包括：圖像數(shù)據(jù)、位置信息、高程信息等。規(guī)避目標(biāo)是指地基反衛(wèi)星武器，主要是來自其他國(guó)家的地基激光和地基動(dòng)能，其目標(biāo)屬性包括：規(guī)避類型、位置信息等。

2)天基目標(biāo)主要包括各類導(dǎo)彈、飛行器等。其目標(biāo)屬性包括：目標(biāo)類型、位置信息、速度信息、軌跡預(yù)測(cè)信息、圖像數(shù)據(jù)等。

3)空間目標(biāo)主要包括物理天體、空間碎片、合作方航天器、非合作方航天器。

物理天體是指太陽(yáng)系內(nèi)的小行星、彗星、流星體以及其他星際物質(zhì)。如美國(guó)在2005年進(jìn)行的“深度撞擊”試驗(yàn)，該試驗(yàn)的撞擊對(duì)象是“坦普爾l號(hào)”彗星[7]。其目標(biāo)屬性包括軌道特性、形狀特征、自轉(zhuǎn)模型、地形地貌數(shù)據(jù)等。

空間碎片是指除正常工作的航天器外所有在軌的人造物體，包括失效載荷、火箭殘骸、操作性碎片、由爆炸和碰撞產(chǎn)生的殘碎片、固體火箭的燃燒剩余物、核動(dòng)力衛(wèi)星泄露的冷卻劑以及航天器老化而脫落的表面材料和組件等。根據(jù)空間碎片的尺寸大小，空間碎片分為：大碎片(大于10 cm)，具有較高的能量和破壞力，可使航天器解體；危險(xiǎn)碎片(1 mm～10 cm)，根據(jù)碰撞部位的不同，可使航天器表面或部件損傷或整體失效；小碎片(小于1 mm)，可使航天器表面損傷或無(wú)保護(hù)部件受損[8-9]。其目標(biāo)屬性包括：軌道、動(dòng)態(tài)特性(旋轉(zhuǎn))、外形、體積、質(zhì)量、表面物理特征數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、圖像質(zhì)量信息等信息。

航天器又可以根據(jù)軌道的位置劃分為低/中/高軌道。其目標(biāo)屬性包括：軌道、動(dòng)態(tài)特性(旋轉(zhuǎn))、外形、體積、質(zhì)量、表面物理特征數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、圖像質(zhì)量信息、壽命、健康狀態(tài)等信息[10]。

2 目標(biāo)信息管理系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前能夠編目跟蹤的尺寸在10 cm以上的空間碎片約有1.8萬(wàn)個(gè)，1 cm～10cm以下的空間碎片據(jù)估計(jì)有70萬(wàn)個(gè)。因此，隨著觀測(cè)設(shè)備精度不斷的提升，產(chǎn)生的目標(biāo)數(shù)量和數(shù)據(jù)量也將會(huì)急劇增加，需要天基目標(biāo)信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具備更新、重構(gòu)能力和更高容量的存儲(chǔ)空間；同時(shí)，作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)效性強(qiáng)，要求目標(biāo)信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理能力。此外，為避免目標(biāo)信息數(shù)據(jù)被竊取和空間電磁波或者粒子輻射會(huì)造成的損害，目標(biāo)信息數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具有很高的安全性和完整性，因而必須具備可靠的數(shù)據(jù)防護(hù)措施。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)對(duì)天基目標(biāo)信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)的互操作，依據(jù)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì) (CCSDS，The Consultative Committee for Space Data Systems)建議的航天器星載接口業(yè)務(wù)( SOIS，Spacecraft Onboard Interface Services)的基礎(chǔ)功能服務(wù)，采用指令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)(CDAS，Command and data Acquisition Services)、文件及包存儲(chǔ)業(yè)務(wù)(FPSS，F(xiàn)ile and Packet Store Services)使得用戶(任務(wù)規(guī)劃、武器載荷等)可通過此層業(yè)務(wù)直接訪問目標(biāo)信息數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)相關(guān)信息進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，無(wú)需關(guān)心設(shè)備的物理位置信息[11-12]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。其中，目標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由存儲(chǔ)區(qū)、存儲(chǔ)管理系統(tǒng)2部分組成。存儲(chǔ)管理系統(tǒng)主要響應(yīng)應(yīng)用層協(xié)議，完成目標(biāo)信息數(shù)據(jù)的上注、重構(gòu)、刪除和存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)的自主管理，輸出指定編目的目標(biāo)信息，對(duì)武器載荷進(jìn)行目標(biāo)信息的裝訂。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 方案設(shè)計(jì)

在航天器上廣泛應(yīng)用的存儲(chǔ)芯片主要有NandFlash存儲(chǔ)器和磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM，Magneto Resistive Random Access Memory)2大類。NandFlash存儲(chǔ)器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。MRAM是一種以磁電阻性質(zhì)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，具有非揮發(fā)性、隨機(jī)存儲(chǔ)、高讀寫速度、耗電量低、最小芯片面積、可以無(wú)限擦寫等各種優(yōu)良特性，具有極高的可靠性[13]?；谏鲜鲂酒奶匦院湍繕?biāo)屬性、圖像數(shù)據(jù)量的大小，本文提出基于MANAFS(MRAM Aid NAND Flash memory Array File System)的文件管理系統(tǒng)，在MRAM分區(qū)、分類存儲(chǔ)目標(biāo)屬性和文件信息，通過多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)編目目標(biāo)的快速索引；在NandFlash以文件存儲(chǔ)的方式緩存目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，按照?qǐng)D像數(shù)據(jù)量的大小，可以實(shí)現(xiàn)以BLOCK(4 Mb)為最小單位的精細(xì)化更新或重構(gòu)[14]。目標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)分類按照?qǐng)D1所示的目標(biāo)分類開展設(shè)計(jì)。

圖3 目標(biāo)信息數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 自主高效管理設(shè)計(jì)

為保證目標(biāo)數(shù)據(jù)按照順序且無(wú)間隙或無(wú)重復(fù)的進(jìn)行在軌上注、重構(gòu)或武器載荷目標(biāo)信息數(shù)據(jù)的裝訂，提升目標(biāo)信息數(shù)據(jù)傳輸效能，采用CCSDS 提出的文件傳輸協(xié)議(CCSDS File Delivery Protocol, CFDP)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)文件在空間鏈路和星內(nèi)鏈路的閉環(huán)傳送。CFDP 協(xié)議支持可靠傳輸?shù)奈募鬏斈Ｊ剑谠搨鬏斈Ｊ较聠⒂昧舜_認(rèn)機(jī)制，接收實(shí)體通過NAK(Negative Acknowledgment)向發(fā)送實(shí)體發(fā)送重傳請(qǐng)求，請(qǐng)求發(fā)送實(shí)體重傳出錯(cuò)和丟失的文件數(shù)據(jù)PDU，保證了文件數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，發(fā)送實(shí)體與接收實(shí)體間信息交互機(jī)制如圖4所示。

圖4 信息交互機(jī)制

2.4 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

為提升系統(tǒng)的安全等級(jí)，采取的措施如下所示：

1)MRAM存儲(chǔ)/Flash存儲(chǔ)采用RAID1級(jí)別冗余，從而增加系統(tǒng)容量，提升系統(tǒng)吞吐率，并具有很高的可靠性，在任何一塊存儲(chǔ)區(qū)出錯(cuò)的時(shí)候，都可以通過其他存儲(chǔ)區(qū)恢復(fù)出數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)在一塊存儲(chǔ)區(qū)出錯(cuò)的情況下繼續(xù)工作。

2)關(guān)鍵數(shù)據(jù)編碼/加密，空閑時(shí)段周期性關(guān)鍵數(shù)據(jù)讀取譯碼/解密檢測(cè)，判斷數(shù)據(jù)的完整性，對(duì)不完整的數(shù)據(jù)，可以從備份區(qū)/星地鏈路據(jù)兩條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。

3 結(jié)論

根據(jù)天基武器作戰(zhàn)對(duì)象，文章從空、天、地三個(gè)維度分析了天基武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)目標(biāo)及屬性信息，建立了以SOIS為基礎(chǔ)的系統(tǒng)架構(gòu)，提出基于MANAFS的目標(biāo)信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理能力；在應(yīng)用層，采用CCSDS CFDP文件傳輸協(xié)議，提升了文件傳輸?shù)男?，保證了文件傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?；此外，通過安全防護(hù)措施，提升了系統(tǒng)的安全等級(jí)，保證數(shù)據(jù)在軌的安全性和完整性。結(jié)合任務(wù)需求，文章提出的天基目標(biāo)信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的自主管理能力、任務(wù)快速響應(yīng)能力、通用性。