空间碎片监测数据库管理系统设计研究

孙　浩，魏梅英，骆　超，任培明

（国家无线电监测中心，北京　100037）



空间碎片监测数据库管理系统设计研究

孙浩，魏梅英，骆超，任培明

（国家无线电监测中心，北京100037）

摘要：本文从维护国家空间轨道资源安全的角度出发，介绍了一种在空间碎片监测工作中设计的监测数据库管理系统。首先概述了空间碎片对于空间轨道资源的安全威胁，然后介绍了空间碎片监测工作的重要意义和相关情况，研究分析了监测数据库管理系统主要内容和功能，并以空间碎片编目数据库为例分析了相关设计内容，最后结合空间碎片监测工作的发展需要提出建议。

关键词：空间碎片监测；轨道资源；数据库；碎片编目

1　引言

近年来，国际空间活动日趋频繁，世界各国日趋重视空间卫星轨道资源工作。卫星轨道资源的维护和安全保障工作是为支撑我国航天系统建设和航空航天事业快速发展提供的必要保障，空间碎片作为航空航天设备在空间轨道中安全工作的潜在威胁，加强空间碎片方面的研究和监测工作是保障空间轨道资源安全的有效技术手段。对空间碎片监测数据库管理系统研究是当前以大数据产业软件技术手段为抓手，指导做好空间碎片监测工作的重要方法和重要组成部分。

普遍意义上讲，空间碎片是人类遗留在空间的废弃物，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间目标碰撞产生的碎片等。随着空间碎片数量的增多，空间碎片严重威胁航天器的安全运行和人类太空活动的开展，空间碎片监测、预警受到各国的广泛重视。

近半个世纪，人类进行的空间发射超过4,000次，送入空间并曾经被跟踪观测的物体超过29,000个，大约还有三分之一也就是9,000多个仍遗留在空间沿轨道飞行。目前可被地面观测设备观测并测定其轨道的空间物体近万个，大约有5%～6%是工作的卫星，其余94%都是空间碎片。[1]见图1。

图1 空间碎片示意图

2　空间碎片监测工作

2.1监测工作的重要意义

卫星轨道资源的安全保障是空间航天事业健康发展的基础要素。截至2016年初，全球在轨卫星1,305颗，其中美国549颗，欧盟201颗，中国141颗，俄罗斯131颗。预计未来15年，全球要发射约1,600颗卫星。这些卫星将承担更多任务，对影响其安全的空间碎片环境的监测预警会提出越来越高的要求。为了保障航天事业可持续发展，必须解决空间碎片的监测预警问题。

“十三五”期间，我国将计划实现宇航发射120次，包括载人航天、探月以及北斗导航等重大工程，届时，我国在轨航天器将超过200颗。我国月球计划需要考虑空间碎片的影响。按照飞行计划的安排可以知道，月球探测器要飞抵月球，需要经过空间碎片密集的近地轨道和地球同步轨道区域，虽然停留时间并不长，但是空间碎片撞击的高风险性，迫使在月球探测器的发射时机的选择和近地飞行过程中也需要考虑空间碎片问题。

我国载人航天计划将在未来的几年内完成交会对接、航天员出舱活动，并发展长期在轨运行的空间实验室。交会对接和航天员出舱的时机和位置的选择，空间实验室的长期运行安全都必须考虑到空间碎片风险问题。

2.2我国空间碎片监测工作情况

从2000年开始，我国加大了空间目标研究的力度和投入，国防科工委成立了空间碎片研究管理组，制订了《空间碎片行动计划》，并广泛参与国际机构间空间碎片协调委员会（IADC）组织的研究和实验活动。

空间碎片监测系统按平台分主要有地基监测系统和天基监测系统。自“十五”计划实施以来，我国的空间目标探测手段有了大幅改善。通过重点建设，我国大力发展了以光电和大型相控阵雷达为主的地基监测系统，有效支撑了我国的各项航天活动。特别是2015年6月8日，国家航天局空间碎片监测与应用中心在中科院国家天文台挂牌成立，标志着我国空间碎片监测、预警、应对突发事件以及国际合作有了实体依托单位。该中心的成立有利于推进我国空间碎片技术发展，提升空间碎片管理和服务能力，保障航天器在轨运行安全，维护我国外空发展权益。

随着我国监测技术的发展，对空间目标的监视手段将逐步从地基发展到海基、空基，并逐步向建立连续的空间监视网方向发展。

3　监测数据库系统

3.1空间碎片监测数据库

在空间碎片监测工作中，对空间碎片环境进行科学准确的研究描述，是有效指导开展空间活动的重要保证。空间碎片监测数据库作为支撑空间碎片环境监测的核心基础，是空间碎片监测工作的重要软件手段，也是科学提高空间碎片监测效率，指导空间碎片预测工作的重要组成部分。

根据当前监测能力，目前对空间碎片环境的描述主要有两种方式：一是对于可准确探测的大尺度空间碎片，采取适当的编码方法建立可跟踪、定轨的空间目标尺寸、速度、轨道等特征信息的数据库，结合精确的轨道预报模型为空间活动各种应用提供指导依据；二是对更广泛尺度的空间碎片，即部分未能编目入库的空间碎片，应采用适当的数学方法建立空间碎片环境的短期工程模型和长期演化模型。[2]

3.2监测数据库管理系统

空间碎片监测数据库管理系统（Database Management System）是在基于空间碎片日常海量监测数据，综合操纵和管理数据库的软件，用于建立、使用和管理各基础数据库，并通过对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。监测技术人员通过监测数据库管理系统访问数据库中的数据，数据库管理人员也通过数据库管理系统进行数据库的维护工作。它可使多个基于数据采集、存储、分析、挖掘方面的应用程序和用户不同的方法，在同时或不同时刻去建立、修改和询问数据库。数据库管理系统提供数据定义语言DDL（Data Definition Language）与数据操作语言DML（Data Manipulation Language），供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的采集、入库、追加、删除等操作。

监测数据库管理系统的主要功能如下：

（1）数据定义：监测数据库管理系统提供数据定义语言DDL，供用户定义数据库的三级模式结构、两级映像以及完整性约束和保密限制等数据约束。DDL主要用于建立、修改数据库的库结构。DDL所描述的库结构给出了数据库的框架，数据库的框架信息被存放在数据字典中入库。

（2）数据组织、存储与管理：监测数据管理系统要分类组织、存储和管理各种监测及分析数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等，需确定以何种文件结构和存取方式在存储级上分析挖掘数据，并实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本目标是提高存储空间利用率，选择合适的存取方法提高存取效率。

（3）数据库的运行管理：监测数据管理系统运行控制和管理功能包括，多用户环境下的并发控制、安全性检查和存取限制控制、完整性检查和执行、运行日志的组织管理、事务的管理和自动恢复，支撑各数据库子系统的正常运行。

（4）数据操作：监测数据管理系统提供数据操作语言DML，供用户实现对数据的入库、追加、删除、更新、查询等操作。

图2 监测数据库管理系统结构图

（5）数据库保护：数据库中的空间碎片监测数据及分析数据是维护空间轨道资源安全的战略资源数据，数据的保护和安全至关重要。监测管理系统通过数据库的恢复、数据库的并发控制、数据库的完整性控制、数据库的安全性控制等来多维保障数据安全。

（6）数据库维护：该功能主要包括数据库的数据采集、载入、转换、转储、数据库的重组合重构以及性能监控等功能。

根据监测工作方式，数据库管理系统采用的是关系型数据库，常用的有IBM DB2，Oracle，Microsoft SQL Server，MySQL。当前，监测数据库管理系统根据监测业务数据特点，多采用Oracle商用数据库系统。基于空间监测业务特点，本设计的空间碎片监测数据库管理系统结构图详见图2。

空间碎片监测数据库是空间碎片监测数据库管理系统的核心，它是根据空间碎片数据特点，综合利用数据管理软件，构造适应数据挖掘分析和工作需要的数据模式，通过优化的数据库和应用系统，满足监测技术人员有关碎片数据存储、分析、回放等应用需求。

同时，系统总体建设的原则是高效、安全稳定、可维护性、易扩展性、界面友好等等，并能根据实际需求变化和事业发展需要，满足“中国制造2025”等战略中空间资源安全保障的需求。

3.3空间碎片编目数据库

空间碎片编目数据库是通过各类监测设备获得空间碎片参数信息的基础数据库。近年来，各国逐渐重视发展空间碎片编目工作，通过软硬件设施投入加大空间目标监测网能力建设，逐渐建立了空间目标编目数据库。空间碎片作为空间目标存在的一部分形式，空间碎片编目数据库可参考国际通行的空间目标编目数据库建设方法进行建立。

以目前国际上采用较多的空间目标编目方法为例，可参考北美防空司令部（North American Aerospace Defense Command,NORAD）在space-track网站上公布的TLE数据格式，它包括了空间碎片的轨道根数和其他相关信息，由两行69字符的数据组成。[2]示例见表1。

表1 空间目标双行根数数据编目的定义

其中，作为数据库的信息项，各入库信息应以统一时间参量为基准。域1.11是BSTAR大气阻力相关项，可参考SGP-4模型使用的大气阻力项B*，其表达式为

式中，CD是大气阻力系数；ρ0是空间碎片所在位置的大气密度；A是空间碎片的横截面积；m为空间碎片质量。B*描述了空间碎片受大气阻力影响的程度，其值越大则收到大气阻力影响越大，在空间运动中的可变性越强。

在空间碎片数据库的设计中，针对数据库管理系统的特点，不同的功能模块通过不同的数据表结构来实现系统的各项功能。例如，碎片监测数据库包含天基监测数据表、地基监测数据表等，其中，天基监测数据表是基于天基监测系统获得的监测数据，可用于保存监测中获得的空间碎片尺寸、速度、密度或通量等分布信息数据。

同时，编目数据库的更新工作至关重要，它直接决定着数据库的数据分析、挖掘及应用等工作的有效性。在实际工作中，由监测站点获得监测数据后，在将数据传向处理中心之前，可先进行新监测与编目数据库中的根数信息进行关联，通常可至少将80%的监测信息得到相关关联，以大大减少中心的关联数量，使得中心后级处理认证的过程相对加快，避免一定的数据处理瓶颈。

4　对我国空间资源安全工作的启示

空间轨道资源是国家空间航天事业发展的战略资源，也是国际进入空间、感知空间、利用空间的基础条件，监测并预警空间碎片是保障空间目标在轨安全和国家空间基础设施安全有序运行的必要技术手段。

当前，从维护我国空间轨道资源安全的高度，着重做好空间碎片监测数据库系统等基础软件系统建设至关重要。我们以积极推进空间碎片数据库规范标准化工作为抓手，加强监测研究和数据积累，提出基于科学统计模型的空间碎片环境预测方法，着重加强对重点轨位、重点空间一定范围内空间碎片海量监测数据的采集、挖掘、提炼和分析工作，用全面、精准的数据推动空间碎片环境预测工作，完善空间目标环境监视体系，为我国航空航天活动保驾护航。

参考文献

[1]吴连大著．人造卫星与空间碎片的轨道和探测．北京：中国科学技术出版社，2012

[2]李怡勇，王卫杰，李智，陈勇编著．空间碎片清除．北京：国防工业出版社，2014

第一线举办新春媒体会

近日，第一线公司在北京举办新春媒体见面会，公司创办人及行政总裁文立先生回顾了第一线2015年的经营情况，并展望了2016年的计划。

文立介绍说，第一线被世纪互联于2014年8月收购后，团队顺利过度及整合；第一线与世纪互联旗下的内容聚合互联主干网络（CCIB）单位合并，新公司将占世纪互联整体收入约1/3。尽管2015年全球经济大环境不好，但是集团依然取得了不错的业绩，营收增长20%、税息折旧及摊销前利润（EBITDA）增长28%、纯利增长32%。他表示，第一线在2015年的重大事件主要有以下三件：一是与微软签署了在中国运营Windows Azure和Office 365的延长协议，把期限延长四年，直至2018年12月31日；二是微软、紫光、及世纪互联共同宣布，以基于微软技术由世纪互联在华运营的Windows Azure和Office 365云服务为基础，为中国客户，特别是国有企业客户，提供技术领先、运行可靠，并按照客户需求量身定制的混合云解决方案及相关服务；三是世纪互联携手IBM Bluemix云平台落地中国。

展望2016年第一线的计划，文立说，一是集团的新定位，成长为中国最佳中立网络服务供应商，包括虚拟私人网络及公共网络服务；二是扩大核心解决方案，除提供企业级别虚 私人网络及公共网络服务外，还包括移动连接、云端连接、网络终端管理及安保；三是发展策略，投资及拼购（例如成立大中华区创投基金）、加大研发力度、引入崭新技术等；四是重新设计新品牌，预计于2016年内面世。他还表示，集团香港办事处总部已由1月18日起，由观塘乔迁至葵芳甲级写字楼新都会广场，以配合集团持续增长的业务；世纪互联的所有香港员工将同步加入香港新办事处；新办事处的室内设计主轴皆以人为核心创作元素。

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

作者简介：孙浩，男，硕士，国家无线电监测中心工程师，主要研究方向为无线电监测、卫星监测技术等。魏梅英，女，硕士，国家无线电监测中心工程师，主要研究方向为无线电监测、卫星监测技术等。骆超，女，硕士，国家无线电监测中心工程师，主要研究方向为无线电监测、卫星监测技术等。任培明，男，硕士，国家无线电监测中心工程师，主要研究方向为无线电监测、监测系统管理等。

中图分类号：TN92文献标示码：A文章编码：1672-7274（2016）03-0070-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.020