2026年智慧卫星安全试卷

2026年智慧卫星安全试卷1单项选择（每题2分，共20分）1.1在LEO星座中，若单星每天绕地球15圈，其轨道周期T最接近A.96min B.104min C.112min D.120min答案：A解析：T=24×60/15=96min。1.2星载计算机采用EDAC校验，若汉明码距为4，可纠正的最大比特错误数为A.1 B.2 C.3 D.4答案：A解析：汉明码距d=2t+1⇒t=1。1.3针对星间链路的量子密钥分发，最易受下列哪种攻击影响A.重放 B.中间人 C.拒绝服务 D.流量分析答案：B解析：量子信道无法阻止经典中间人篡改经典认证通道。1.4卫星固件升级时，若采用“双镜像+滚动哈希”机制，主要防御A.单粒子翻转 B.供应链植入 C.回滚降级 D.时钟漂移答案：C解析：滚动哈希可检测旧版本被恶意回滚。1.5在CCSDS空间包协议中，用于指示安全处理后的包版本号的字段是A.PacketVersionNumber B.PacketIdentification C.SecurityHeaderFlag D.OperationalControlField答案：A解析：PVN=1表示安全扩展头存在。1.6若星载AI推理引擎使用8-bit量化权重，其模型完整性校验最宜采用A.CRC-32 B.SHA-256 C.Keccak-256 D.GMAC-AES答案：D解析：GMAC提供完整性+来源认证，适合资源受限场景。1.7太阳耀斑引发单粒子事件率升高，下列器件最脆弱的是A.抗辐射SOI B.三模冗余FPGA C.商用GDDR6 D.磁屏蔽MRAM答案：C解析：商用DRAM无辐射加固。1.8卫星测控站采用挑战-响应认证，若挑战长度128bit，随机性不足导致熵仅90bit，则理论暴力破解期望次数为A.2^90 B.2^128 C.2^64 D.2^38答案：A解析：熵决定有效密钥空间。1.9在6GNTN架构中，卫星作为中继时，用户面完整性保护终止于A.UE B.gNB-on-ground C.SAT-gNB D.UPF答案：C解析：SAT-gNB负责空口安全。1.10若星载区块链轻节点采用MerkleMountainRange，其证明大小与下列哪项呈对数关系A.区块高度 B.交易数量 C.输出地址数 D.难度值答案：A解析：MMR证明大小O(logn)。2多项选择（每题3分，共15分，多选少选均不得分）2.1关于星载AI对抗样本防御，有效手段包括A.输入随机化 B.权重剪枝 C.梯度掩蔽 D.对抗训练 E.知识蒸馏答案：A、D、E解析：B、C无法根本提升鲁棒性。2.2下列哪些属于卫星供应链“零信任”核心组件A.SBOM B.RISC-VPMP C.TPM2.0 D.侧信道防火墙 E.远程证明答案：A、C、E解析：B、D为具体机制，非组件。2.3星间激光链路密钥重协商触发条件有A.比特误码率>10^-6 B.密钥剩余寿命<1s C.量子比特误码率>11% D.太阳角<30° E.地面站失联>5min答案：A、B、C解析：D、E与密钥无关。2.4针对卫星固件“冷启动”攻击，可缓解措施A.片内PUF B.易失密钥存储 C.延迟绑定 D.安全擦除 E.温度传感器答案：A、B、D解析：C、E不直接防止冷启动。2.5在LEO巨型星座中，路由层面临的安全威胁含A.轨道碎片注入 B.Sybil身份 C.黑洞路由 D.selectiveforwarding E.时钟同步欺骗答案：B、C、D、E解析：A为物理层。3判断改错（每题2分，共10分，先判对错，若错则划线改正）3.1星载区块链全节点必须保存完整交易索引。答案：错，划线“全节点”改为“轻节点”。3.2采用Polar码的星地链路其安全级别由密钥长度单独决定。答案：错，划线“由密钥长度单独决定”改为“还受编码方案影响”。3.3量子随机数发生器输出需经随机性提取器才能用于一次一密。答案：对。3.4卫星侧信道泄露的功耗轨迹无法通过深度学习重构密钥。答案：错，划线“无法”改为“可能”。3.5CCSDS推荐的空间数据安全标准已覆盖抗量子算法。答案：错，划线“已覆盖”改为“正在制定”。4填空（每空2分，共20分）4.1若星载AES-GCM硬件吞吐为800Mbps，密钥更新周期Δt=______s，可保证最大传输不超过2^32-2字节。答案：Δt=(2^32-2)×8/(800×10^6)≈42.9s。4.2在椭圆曲线数字签名验证中，若基点阶n为素数，公钥P=dG，则验证方程左侧点坐标x坐标应______r。答案：≡。4.3卫星星历认证采用Merkle树，叶节点哈希算法为SHA-256，树高h=16，则根签名长度______Byte。答案：32。4.4若单粒子翻转截面σ=5×10^-8cm²，轨道积分通量Φ=10^9cm^-2·day^-1，则1GbitSRAM预期日翻转数______。答案：5×10^-8×10^9×1=50。4.5星载AI模型使用INT4量化，权重张量大小2MiB，采用AES-256-CTR加密，密文额外开销______Byte。答案：0，CTR模式无填充。4.6在NTN网络中，TA（TimingAdvance）最大值为______μs，对应轨道高度约1200km。答案：1333。4.7若激光链路波长λ=1550nm，望远镜直径D=15cm，则衍射极限角θ≈______μrad。答案：1.22λ/D≈12.7。4.8卫星软件定义无线电（SDR）若采用FIR滤波阶数N=128，采样率fs=100MHz，则乘法器每秒操作数______。答案：128×100×10^6=1.28×10^10。4.9星载区块链使用BFT共识，容错f=5，则最小总节点数______。答案：3f+1=16。4.10若星载氢钟频率稳定度为2×10^-15/10^4s，则一天累积误差______ns。答案：2×10^-15×86400×10^9≈0.173。5简答（每题8分，共40分）5.1描述一种基于物理不可克隆函数（PUF）的卫星载荷模块远程认证流程，并说明如何抵抗重放攻击。答案：地面站发送128bit随机数Nonce，星载端利用SRAMPUF生成响应R=PUF(Nonce‖ID)并返回；地面验证R与数据库预录是否匹配。抵抗重放：Nonce一次性且带时间窗，星载端用单调计数器防止旧响应重用。5.2解释为何在星间激光链路中采用“双波长异或”加密模式无法提供信息论安全，并给出改进方案。答案：双波长异或相当于流密码，若密钥流伪随机则存在计算安全边界；激光信道仍可被窃听部分功率导致信息泄露。改进：采用量子密钥分发生成一次一密，实现信息论安全。5.3列举三种星载AI模型更新时的完整性校验机制，并比较其星上资源占用。答案：①CRC-32：32bit，加法器<1kGE；②SHA-256：64次循环，约15kGE；③GMAC-AES：复用加密核，额外1kGE。资源排序：CRC<GMAC<SHA-256。5.4说明如何利用星载GPS接收机输出的载波相位进行微弧度级姿态欺骗检测。答案：建立多天线载波相位双差方程，求解整周模糊度得基线向量；若实时解与星敏感器差异>30μrad且持续3个历元，触发欺骗告警。5.5阐述在LEO巨型星座中实施“动态分片+阈值签名”对抗单点私钥泄露的原理。答案：将私钥sk通过(t,n)门限共享至n颗卫星，任何t颗可联合签名；私钥从未完整出现，即使t-1颗被攻破仍无法伪造签名。6计算与综合（共35分）6.1（10分）某LEO卫星轨道高度H=550km，地面站最小仰角ε=10°，链路频率f=26GHz，带宽B=1GHz，发射EIRP=60dBW，接收G/T=35dB/K，雨衰A=6dB，系统余量M=3dB。计算最大可支持净数据率R，假设采用256-QAM，滚降因子α=0.2，编码率r=5/6，噪声温度Tn=290K。答案：自由空间损耗L其中d=√[(R_e+H)^2-(R_ecosε)^2]-R_esinε，R_e=6371km，得d≈1950km。L_fs=20log(4π×1.95×10^6×26×10^9/3×10^8)=207.2dB。接收功率P噪声功率N=kSNR=107.4-(-128.4)=235.8dB→线性SNR=10^(23.58)≈3.8×10^23。256-QAM理论需SNR_min≈24.5dB，远小于可用，故可达速率由带宽限制：符号率Rs=B/(1+α)=1/1.2=0.833Gbaud，比特率R=6.2（10分）星载区块链轻节点需验证一笔交易，该交易位于区块高度h=65536，区块头大小80Byte，采用SHA-256双哈希，Merkle树证明含15个哈希值。星载CPU验证单条SHA-256需5000时钟周期，主频100MHz，计算验证耗时及内存占用。答案：证明大小=15×32=480Byte。哈希次数=15+1=16次（含根对比）。周期=16×5000=8×10^4，时间=8×10^4/10^8=0.8ms。内存：仅保存证明与交易，约480+250=730Byte。6.3（15分）设星载AI推理芯片采用INT8量化，峰值算力TOPS=20，功耗P=5W。现需运行YOLO-v7-tiny模型，其计算量C=8.5GOPS，输入批大小1，权重压缩率CR=0.4，片上SRAM=4MiB，权重解压后需12MiB。设计一种分块+流水线策略，使推理延迟<50ms，并计算所需外部LPDDR4带宽，假设激活占用2MiB。答案：分4块权重，每块3MiB，解压后一次性加载。每块计算量=8.5/4=2.125GOPS，耗时=2.125/20=0.106s=106ms>50ms，不可行。改为8块，每块1.5MiB，计算量1.06GOPS，耗时53ms仍超限。引入流水线：双缓冲，加载与计算重叠，有效延迟=最大(加载,计算)。LPDDR4带宽需求：加载1.5MiB/50ms=30MiB/s=240Mbps，远低于接口能力，满足。最终延迟≈50ms（计算瓶颈消除）。7设计题（共30分）7.1（30分）设计一套“抗量子+零信任”的星地一体化测控安全架构，要求：a)支持抗量子算法Kyber-768与Dilithium-3；b)实现星载最小可信根（TCR）仅64kBROM；c)支持远程证明与动态更新；d)单星被完全俘获不泄露星座级密钥。请给出：①系统框图（文字描述即可）；②密钥层次与生命周期；③远程证明协议时序；④性能评估：星上CPU占用、内存、启动时间。答案：①框图：TCR含PQCROM→安全启动→加载可信OS→启动测控代理；星间链路建立Kyber密钥→派生会话密钥；地面零信任控制器通过D