空間碎片監測數據庫管理系統設計研究

孫　浩，魏梅英，駱　超，任培明

（國家無線電監測中心，北京　100037）

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空間碎片監測數據庫管理系統設計研究

孫浩，魏梅英，駱超，任培明

（國家無線電監測中心，北京100037）

摘要：本文從維護國家空間軌道資源安全的角度出發，介紹了一種在空間碎片監測工作中設計的監測數據庫管理系統。首先概述了空間碎片對于空間軌道資源的安全威脅，然后介紹了空間碎片監測工作的重要意義和相關情況，研究分析了監測數據庫管理系統主要內容和功能，并以空間碎片編目數據庫為例分析了相關設計內容，最后結合空間碎片監測工作的發展需要提出建議。

關鍵詞：空間碎片監測；軌道資源；數據庫；碎片編目

1　引言

近年來，國際空間活動日趨頻繁，世界各國日趨重視空間衛星軌道資源工作。衛星軌道資源的維護和安全保障工作是為支撐我國航天系統建設和航空航天事業快速發展提供的必要保障，空間碎片作為航空航天設備在空間軌道中安全工作的潛在威脅，加強空間碎片方面的研究和監測工作是保障空間軌道資源安全的有效技術手段。對空間碎片監測數據庫管理系統研究是當前以大數據產業軟件技術手段為抓手，指導做好空間碎片監測工作的重要方法和重要組成部分。

普遍意義上講，空間碎片是人類遺留在空間的廢棄物，包括完成任務的火箭箭體和衛星本體、火箭噴射物、在執行航天任務過程中的拋棄物、空間目標碰撞產生的碎片等。隨著空間碎片數量的增多，空間碎片嚴重威脅航天器的安全運行和人類太空活動的開展，空間碎片監測、預警受到各國的廣泛重視。

近半個世紀，人類進行的空間發射超過4,000次，送入空間并曾經被跟蹤觀測的物體超過29,000個，大約還有三分之一也就是9,000多個仍遺留在空間沿軌道飛行。目前可被地面觀測設備觀測并測定其軌道的空間物體近萬個，大約有5%～6%是工作的衛星，其余94%都是空間碎片。[1]見圖1。

圖1 空間碎片示意圖

2　空間碎片監測工作

2.1監測工作的重要意義

衛星軌道資源的安全保障是空間航天事業健康發展的基礎要素。截至2016年初，全球在軌衛星1,305顆，其中美國549顆，歐盟201顆，中國141顆，俄羅斯131顆。預計未來15年，全球要發射約1,600顆衛星。這些衛星將承擔更多任務，對影響其安全的空間碎片環境的監測預警會提出越來越高的要求。為了保障航天事業可持續發展，必須解決空間碎片的監測預警問題。

“十三五”期間，我國將計劃實現宇航發射120次，包括載人航天、探月以及北斗導航等重大工程，屆時，我國在軌航天器將超過200顆。我國月球計劃需要考慮空間碎片的影響。按照飛行計劃的安排可以知道，月球探測器要飛抵月球，需要經過空間碎片密集的近地軌道和地球同步軌道區域，雖然停留時間并不長，但是空間碎片撞擊的高風險性，迫使在月球探測器的發射時機的選擇和近地飛行過程中也需要考慮空間碎片問題。

我國載人航天計劃將在未來的幾年內完成交會對接、航天員出艙活動，并發展長期在軌運行的空間實驗室。交會對接和航天員出艙的時機和位置的選擇，空間實驗室的長期運行安全都必須考慮到空間碎片風險問題。

2.2我國空間碎片監測工作情況

從2000年開始，我國加大了空間目標研究的力度和投入，國防科工委成立了空間碎片研究管理組，制訂了《空間碎片行動計劃》，并廣泛參與國際機構間空間碎片協調委員會（IADC）組織的研究和實驗活動。

空間碎片監測系統按平臺分主要有地基監測系統和天基監測系統。自“十五”計劃實施以來，我國的空間目標探測手段有了大幅改善。通過重點建設，我國大力發展了以光電和大型相控陣雷達為主的地基監測系統，有效支撐了我國的各項航天活動。特別是2015年6月8日，國家航天局空間碎片監測與應用中心在中科院國家天文臺掛牌成立，標志著我國空間碎片監測、預警、應對突發事件以及國際合作有了實體依托單位。該中心的成立有利于推進我國空間碎片技術發展，提升空間碎片管理和服務能力，保障航天器在軌運行安全，維護我國外空發展權益。

隨著我國監測技術的發展，對空間目標的監視手段將逐步從地基發展到海基、空基，并逐步向建立連續的空間監視網方向發展。

3　監測數據庫系統

3.1空間碎片監測數據庫

在空間碎片監測工作中，對空間碎片環境進行科學準確的研究描述，是有效指導開展空間活動的重要保證。空間碎片監測數據庫作為支撐空間碎片環境監測的核心基礎，是空間碎片監測工作的重要軟件手段，也是科學提高空間碎片監測效率，指導空間碎片預測工作的重要組成部分。

根據當前監測能力，目前對空間碎片環境的描述主要有兩種方式：一是對于可準確探測的大尺度空間碎片，采取適當的編碼方法建立可跟蹤、定軌的空間目標尺寸、速度、軌道等特征信息的數據庫，結合精確的軌道預報模型為空間活動各種應用提供指導依據；二是對更廣泛尺度的空間碎片，即部分未能編目入庫的空間碎片，應采用適當的數學方法建立空間碎片環境的短期工程模型和長期演化模型。[2]

3.2監測數據庫管理系統

空間碎片監測數據庫管理系統（Database Management System）是在基于空間碎片日常海量監測數據，綜合操縱和管理數據庫的軟件，用于建立、使用和管理各基礎數據庫，并通過對數據庫進行統一的管理和控制，以保證數據庫的安全性和完整性。監測技術人員通過監測數據庫管理系統訪問數據庫中的數據，數據庫管理人員也通過數據庫管理系統進行數據庫的維護工作。它可使多個基于數據采集、存儲、分析、挖掘方面的應用程序和用戶不同的方法，在同時或不同時刻去建立、修改和詢問數據庫。數據庫管理系統提供數據定義語言DDL（Data Definition Language）與數據操作語言DML（Data Manipulation Language），供用戶定義數據庫的模式結構與權限約束，實現對數據的采集、入庫、追加、刪除等操作。

監測數據庫管理系統的主要功能如下：

（1）數據定義：監測數據庫管理系統提供數據定義語言DDL，供用戶定義數據庫的三級模式結構、兩級映像以及完整性約束和保密限制等數據約束。DDL主要用于建立、修改數據庫的庫結構。DDL所描述的庫結構給出了數據庫的框架，數據庫的框架信息被存放在數據字典中入庫。

（2）數據組織、存儲與管理：監測數據管理系統要分類組織、存儲和管理各種監測及分析數據，包括數據字典、用戶數據、存取路徑等，需確定以何種文件結構和存取方式在存儲級上分析挖掘數據，并實現數據之間的聯系。數據組織和存儲的基本目標是提高存儲空間利用率，選擇合適的存取方法提高存取效率。

（3）數據庫的運行管理：監測數據管理系統運行控制和管理功能包括，多用戶環境下的并發控制、安全性檢查和存取限制控制、完整性檢查和執行、運行日志的組織管理、事務的管理和自動恢復，支撐各數據庫子系統的正常運行。

（4）數據操作：監測數據管理系統提供數據操作語言DML，供用戶實現對數據的入庫、追加、刪除、更新、查詢等操作。

圖2 監測數據庫管理系統結構圖

（5）數據庫保護：數據庫中的空間碎片監測數據及分析數據是維護空間軌道資源安全的戰略資源數據，數據的保護和安全至關重要。監測管理系統通過數據庫的恢復、數據庫的并發控制、數據庫的完整性控制、數據庫的安全性控制等來多維保障數據安全。

（6）數據庫維護：該功能主要包括數據庫的數據采集、載入、轉換、轉儲、數據庫的重組合重構以及性能監控等功能。

根據監測工作方式，數據庫管理系統采用的是關系型數據庫，常用的有IBM DB2，Oracle，Microsoft SQL Server，MySQL。當前，監測數據庫管理系統根據監測業務數據特點，多采用Oracle商用數據庫系統。基于空間監測業務特點，本設計的空間碎片監測數據庫管理系統結構圖詳見圖2。

空間碎片監測數據庫是空間碎片監測數據庫管理系統的核心，它是根據空間碎片數據特點，綜合利用數據管理軟件，構造適應數據挖掘分析和工作需要的數據模式，通過優化的數據庫和應用系統，滿足監測技術人員有關碎片數據存儲、分析、回放等應用需求。

同時，系統總體建設的原則是高效、安全穩定、可維護性、易擴展性、界面友好等等，并能根據實際需求變化和事業發展需要，滿足“中國制造2025”等戰略中空間資源安全保障的需求。

3.3空間碎片編目數據庫

空間碎片編目數據庫是通過各類監測設備獲得空間碎片參數信息的基礎數據庫。近年來，各國逐漸重視發展空間碎片編目工作，通過軟硬件設施投入加大空間目標監測網能力建設，逐漸建立了空間目標編目數據庫。空間碎片作為空間目標存在的一部分形式，空間碎片編目數據庫可參考國際通行的空間目標編目數據庫建設方法進行建立。

以目前國際上采用較多的空間目標編目方法為例，可參考北美防空司令部（North American Aerospace Defense Command,NORAD）在space-track網站上公布的TLE數據格式，它包括了空間碎片的軌道根數和其他相關信息，由兩行69字符的數據組成。[2]示例見表1。

表1 空間目標雙行根數數據編目的定義

其中，作為數據庫的信息項，各入庫信息應以統一時間參量為基準。域1.11是BSTAR大氣阻力相關項，可參考SGP-4模型使用的大氣阻力項B*，其表達式為

式中，CD是大氣阻力系數；ρ0是空間碎片所在位置的大氣密度；A是空間碎片的橫截面積；m為空間碎片質量。B*描述了空間碎片受大氣阻力影響的程度，其值越大則收到大氣阻力影響越大，在空間運動中的可變性越強。

在空間碎片數據庫的設計中，針對數據庫管理系統的特點，不同的功能模塊通過不同的數據表結構來實現系統的各項功能。例如，碎片監測數據庫包含天基監測數據表、地基監測數據表等，其中，天基監測數據表是基于天基監測系統獲得的監測數據，可用于保存監測中獲得的空間碎片尺寸、速度、密度或通量等分布信息數據。

同時，編目數據庫的更新工作至關重要，它直接決定著數據庫的數據分析、挖掘及應用等工作的有效性。在實際工作中，由監測站點獲得監測數據后，在將數據傳向處理中心之前，可先進行新監測與編目數據庫中的根數信息進行關聯，通常可至少將80%的監測信息得到相關關聯，以大大減少中心的關聯數量，使得中心后級處理認證的過程相對加快，避免一定的數據處理瓶頸。

4　對我國空間資源安全工作的啟示

空間軌道資源是國家空間航天事業發展的戰略資源，也是國際進入空間、感知空間、利用空間的基礎條件，監測并預警空間碎片是保障空間目標在軌安全和國家空間基礎設施安全有序運行的必要技術手段。

當前，從維護我國空間軌道資源安全的高度，著重做好空間碎片監測數據庫系統等基礎軟件系統建設至關重要。我們以積極推進空間碎片數據庫規范標準化工作為抓手，加強監測研究和數據積累，提出基于科學統計模型的空間碎片環境預測方法，著重加強對重點軌位、重點空間一定范圍內空間碎片海量監測數據的采集、挖掘、提煉和分析工作，用全面、精準的數據推動空間碎片環境預測工作，完善空間目標環境監視體系，為我國航空航天活動保駕護航。

參考文獻

[1]吳連大著．人造衛星與空間碎片的軌道和探測．北京：中國科學技術出版社，2012

[2]李怡勇，王衛杰，李智，陳勇編著．空間碎片清除．北京：國防工業出版社，2014

第一線舉辦新春媒體會

近日，第一線公司在北京舉辦新春媒體見面會，公司創辦人及行政總裁文立先生回顧了第一線2015年的經營情況，并展望了2016年的計劃。

文立介紹說，第一線被世紀互聯于2014年8月收購后，團隊順利過度及整合；第一線與世紀互聯旗下的內容聚合互聯主干網絡（CCIB）單位合并，新公司將占世紀互聯整體收入約1/3。盡管2015年全球經濟大環境不好，但是集團依然取得了不錯的業績，營收增長20%、稅息折舊及攤銷前利潤（EBITDA）增長28%、純利增長32%。他表示，第一線在2015年的重大事件主要有以下三件：一是與微軟簽署了在中國運營Windows Azure和Office 365的延長協議，把期限延長四年，直至2018年12月31日；二是微軟、紫光、及世紀互聯共同宣布，以基于微軟技術由世紀互聯在華運營的Windows Azure和Office 365云服務為基礎，為中國客戶，特別是國有企業客戶，提供技術領先、運行可靠，并按照客戶需求量身定制的混合云解決方案及相關服務；三是世紀互聯攜手IBM Bluemix云平臺落地中國。

展望2016年第一線的計劃，文立說，一是集團的新定位，成長為中國最佳中立網絡服務供應商，包括虛擬私人網絡及公共網絡服務；二是擴大核心解決方案，除提供企業級別虛 私人網絡及公共網絡服務外，還包括移動連接、云端連接、網絡終端管理及安保；三是發展策略，投資及拼購（例如成立大中華區創投基金）、加大研發力度、引入嶄新技術等；四是重新設計新品牌，預計于2016年內面世。他還表示，集團香港辦事處總部已由1月18日起，由觀塘喬遷至葵芳甲級寫字樓新都會廣場，以配合集團持續增長的業務；世紀互聯的所有香港員工將同步加入香港新辦事處；新辦事處的室內設計主軸皆以人為核心創作元素。

Design Research of the Space Debris Monitoring Database Management System

Sun Hao,Wei Meiying,Luo Chao,Ren Peiming
(The State Radio Monitoring Center,Beijing,100037)

Abstract:This article introduced a database management system designed for space debris monitoring aimed at the safeguard of the space orbit resource.First,it outlined the threats caused by the space debris,and then introduced the importance and related work of the space debris monitoring.Detailed analysis of the content and functions of this system were given.The design of the space debris catalog database was analyzed as an example.In the end,suggestions were given for the development of the space debris monitoring.

Keywords:the space debris monitoring;orbit resource;database;debris catalog

作者簡介：孫浩，男，碩士，國家無線電監測中心工程師，主要研究方向為無線電監測、衛星監測技術等。魏梅英，女，碩士，國家無線電監測中心工程師，主要研究方向為無線電監測、衛星監測技術等。駱超，女，碩士，國家無線電監測中心工程師，主要研究方向為無線電監測、衛星監測技術等。任培明，男，碩士，國家無線電監測中心工程師，主要研究方向為無線電監測、監測系統管理等。

中圖分類號：TN92文獻標示碼：A文章編碼：1672-7274（2016）03-0070-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.020