空间目标球面网格时空索引构建及应用研究

With the increasing of human space activities, the number of space objects such as spacecraft and space debris in earth orbit is rising. To ensure the space safety and the space interests, the great powers are building large space situational awareness system, to monitor the information of space objects, but the space object data has the characteristics of sea quantification, high dynamism. Developing a reasonable space object data organization model and establishing efficient spatio-temporal index, which can achieve space object efficient query, have significant meanings to analysis and application of space object data..The research contents of this project include the analysis of characteristics of space objects, building method of space object spherical grid index model, query based on space object spatio-temporal index, analysis of effect factors and optimization method of space object spatio-temporal index. The aim of project is establishing a space object spherical grid index model based on trajectory constraints, on the basis of analyzing the characteristics of space objects, which can provide new methods for space object transit analysis, relative position determination of space objects and collision warning.

随着人类太空活动的日益频繁，地球轨道上的航天器和空间碎片等空间目标不断增多。为确保空间安全，维护空间利益，世界各大国纷纷着手建立规模庞大的空间态势感知系统，用来监测空间目标，但是获得的空间目标数据呈现出海量化、高时效性等特点。研究一种合理的空间目标数据组织模型，建立高效的时空索引，实现空间目标的高效查询应用，对空间目标数据的分析应用具有重要意义。.本项目研究的内容包括空间目标特性分析，空间目标球面网格索引模型构建方法，基于空间目标时空索引的查询处理应用，空间目标时空索引模型影响因素分析及优化方法。项目的研究目标是在分析空间目标特性的基础上，建立基于轨道约束的空间目标球面网格索引模型，为空间目标的过境分析、空间目标之间的位置关系确定、碰撞预警等提供新的方法。

本项目围绕如何对海量化、高时效性的空间目标数据进行数据组织，建立高效时空索引，实现空间目标的高效查询应用展开。重点对空间目标特性、空间目标球面网格时空索引构建方法、空间目标查询应用方法、空间目标时空索引影响因素分析及优化方法等核心技术进行了研究与实验，提出了基于轨道约束的空间目标球面网格时空索引构建方法、基于时空索引的空间目标快速区域查询方法、基于时空索引的空间目标快速KNN查询方法、基于时空索引的空间目标快速碰撞预警方法，完成了基于轨道约束的空间目标球面网格时空索引查询效率影响因素分析及时空索引优化，最后设计开发了基于微服务的空间目标态势分析与应用原型系统。. 实验结果表明，本项目的时空索引模型原理清晰、实现简捷、索引更新速度快，能对高速运行的空间目标进行有效的时空索引，并且构建的索引可以有效应用于空间目标区域查询、KNN查询和碰撞预警等多种需求。相关研究成果的科学意义及应用前景包括：（1）空间目标的时空特性和分布特性分析结论，除了可用于时空索引构建外，还可用于空间科学研究、航天发射、空间态势仿真、太空行动推演、太空科普教育等多个方面；（2）构建的时空索引实现简捷，对硬件设备要求较低，可以部署于不同的平台，可以将空间目标态势分析由专业的机构推广到普通的用户；（3）构建的基于微服务架构的空间目标态势分析与应用原型系统维护和部署简单，易于集成，迭代快速，可以用于用户算法模型的快速测试，将来能够为广大的学者和科研机构研究空间目标相关问题，提供一个很好的平台支撑。. 结合本项目的研究进展，项目组出版专著1部，在国内外核心期刊和会议上发表学术论文12篇，其中SCI收录3篇，EI收录5篇，申请国家发明专利3项，培养博士生2名。本项目研究成果可为确保我国航天器安全以及在太空利用方面的优势提供技术支撑。