天基目標信息數(shù)據(jù)自主管理系統(tǒng)設計研究①

郭鶴鶴，牛躍華，汪路元

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100190)

0 引言

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

根據(jù)硬殺傷手段的不同，天基武器系統(tǒng)分為：

1)天基動能武器，如美國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能造成毀傷響應，從而打擊地下深層戰(zhàn)略目標[2]。

2)天基在軌操作，通過機械臂或對接抓捕、破壞目標，如美國2016年5月啟動的地球靜止軌道衛(wèi)星機器人服務(RSGS)項目，為目標提供輔助推進和變軌及抵近檢測、測量[3]。

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

4)天基微波武器，如美國規(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，通過對目標產生電效應、熱效應或生物效應，從而破壞目標電子設備，達到干擾、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)目標覆蓋空、天、地，而實施太空有效攻擊的首要任務是對作戰(zhàn)目標的精確識別，為此，天基武器系統(tǒng)需要基于作戰(zhàn)手段和作戰(zhàn)目標建立天基目標信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)可以自主響應作戰(zhàn)任務，具備數(shù)據(jù)重構、更新、為武器載荷裝訂目標信息的能力。然而，在不同的作戰(zhàn)手段和作戰(zhàn)目標下，作戰(zhàn)目標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，對目標信息數(shù)據(jù)庫在軌的高效自主管理提出了較高的要求。

文章對作戰(zhàn)目標從空、天、地3個維度對目標的特性進行了分析，提出基于MANAFS(MRAM Aid NAND Flash memory Array File System)的目標信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，具備較強的自主管理能力、通用性和任務快速響應能力，能夠簡化作戰(zhàn)任務實施流程，提升天基武器的自主任務規(guī)劃能力和威懾效能，對于提升衛(wèi)星好用性和易用性具有重要的作用。

1 作戰(zhàn)目標分析

根據(jù)天基武器作戰(zhàn)對象，作戰(zhàn)目標主要分為地基目標、天基目標和空間目標，如圖1所示。

圖1 目標分類

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

2)天基目標主要包括各類導彈、飛行器等。其目標屬性包括：目標類型、位置信息、速度信息、軌跡預測信息、圖像數(shù)據(jù)等。

3)空間目標主要包括物理天體、空間碎片、合作方航天器、非合作方航天器。

物理天體是指太陽系內的小行星、彗星、流星體以及其他星際物質。如美國在2005年進行的“深度撞擊”試驗，該試驗的撞擊對象是“坦普爾l號”彗星[7]。其目標屬性包括軌道特性、形狀特征、自轉模型、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、由爆炸和碰撞產生的殘碎片、固體火箭的燃燒剩余物、核動力衛(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保護部件受損[8-9]。其目標屬性包括：軌道、動態(tài)特性(旋轉)、外形、體積、質量、表面物理特征數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、圖像質量信息等信息。

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

2 目標信息管理系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計，目前能夠編目跟蹤的尺寸在10 cm以上的空間碎片約有1.8萬個，1 cm～10cm以下的空間碎片據(jù)估計有70萬個。因此，隨著觀測設備精度不斷的提升，產生的目標數(shù)量和數(shù)據(jù)量也將會急劇增加，需要天基目標信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具備更新、重構能力和更高容量的存儲空間；同時，作戰(zhàn)任務時效性強，要求目標信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)具備實時高效的數(shù)據(jù)處理能力。此外，為避免目標信息數(shù)據(jù)被竊取和空間電磁波或者粒子輻射會造成的損害，目標信息數(shù)據(jù)庫應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)防護措施。

2.1 系統(tǒng)架構

為實現(xiàn)不同任務對天基目標信息數(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 (CCSDS，The Consultative Committee for Space Data Systems)建議的航天器星載接口業(yè)務( SOIS，Spacecraft Onboard Interface Services)的基礎功能服務，采用指令與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(CDAS，Command and data Acquisition Services)、文件及包存儲業(yè)務(FPSS，F(xiàn)ile and Packet Store Services)使得用戶(任務規(guī)劃、武器載荷等)可通過此層業(yè)務直接訪問目標信息數(shù)據(jù)獲取目標相關信息進行任務規(guī)劃，無需關心設備的物理位置信息[11-12]，系統(tǒng)架構如圖2所示。其中，目標數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由存儲區(qū)、存儲管理系統(tǒng)2部分組成。存儲管理系統(tǒng)主要響應應用層協(xié)議，完成目標信息數(shù)據(jù)的上注、重構、刪除和存儲區(qū)數(shù)據(jù)的自主管理，輸出指定編目的目標信息，對武器載荷進行目標信息的裝訂。

圖2 系統(tǒng)架構

2.2 方案設計

在航天器上廣泛應用的存儲芯片主要有NandFlash存儲器和磁阻式隨機存取存儲器(MRAM，Magneto Resistive Random Access Memory)2大類。NandFlash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲。MRAM是一種以磁電阻性質來存儲數(shù)據(jù)的隨機存儲器，具有非揮發(fā)性、隨機存儲、高讀寫速度、耗電量低、最小芯片面積、可以無限擦寫等各種優(yōu)良特性，具有極高的可靠性[13]。基于上述芯片的特性和目標屬性、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)、分類存儲目標屬性和文件信息，通過多級目錄結構，實現(xiàn)編目目標的快速索引；在NandFlash以文件存儲的方式緩存目標圖像數(shù)據(jù)，按照圖像數(shù)據(jù)量的大小，可以實現(xiàn)以BLOCK(4 Mb)為最小單位的精細化更新或重構[14]。目標數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結構如圖3所示，其中一級、二級、三級分類按照圖1所示的目標分類開展設計。

圖3 目標信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構

2.3 自主高效管理設計

為保證目標數(shù)據(jù)按照順序且無間隙或無重復的進行在軌上注、重構或武器載荷目標信息數(shù)據(jù)的裝訂，提升目標信息數(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)來實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)文件在空間鏈路和星內鏈路的閉環(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_認機制，接收實體通過NAK(Negative Acknowledgment)向發(fā)送實體發(fā)送重傳請求，請求發(fā)送實體重傳出錯和丟失的文件數(shù)據(jù)PDU，保證了文件數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，發(fā)送實體與接收實體間信息交互機制如圖4所示。

圖4 信息交互機制

2.4 安全防護設計

為提升系統(tǒng)的安全等級，采取的措施如下所示：

1)MRAM存儲/Flash存儲采用RAID1級別冗余，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，在任何一塊存儲區(qū)出錯的時候，都可以通過其他存儲區(qū)恢復出數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)在一塊存儲區(qū)出錯的情況下繼續(xù)工作。

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

3 結論

根據(jù)天基武器作戰(zhàn)對象，文章從空、天、地三個維度分析了天基武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)目標及屬性信息，建立了以SOIS為基礎的系統(tǒng)架構，提出基于MANAFS的目標信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，具備實時高效的數(shù)據(jù)處理能力；在應用層，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，通過安全防護措施，提升了系統(tǒng)的安全等級，保證數(shù)據(jù)在軌的安全性和完整性。結合任務需求，文章提出的天基目標信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)具備較強的自主管理能力、任務快速響應能力、通用性。