[发明专利]空间目标碰撞预警方法及系统

说明书

本发明涉及空间目标碰撞预警技术领域，提供一种空间目标碰撞预警方法及系统，方法包括：获取需要预警的航天器及所有空间目标的TLE根数；CPU对SGP4模型初始化，统计所有空间目标的数量和轨道时间点信息，获得预报的任务量，将SGP4模型的数据、TLE根数、轨道时间点信息及轨道预报的任务量拷贝至显存；根据GPU线程数将轨道预报任务分配给GPU的各个线程进行处理，汇总轨道预报结果；GPU根据轨道预报结果确定航天器与空间目标可能存在碰撞的交会事件；根据GPU线程数将交会事件任务分配给GPU的各个线程进行处理；将交会的概率拷贝至内存；CPU根据交会的概率筛选出最有可能发生碰撞的交会事件。本方案的方法及系统能快速处理空间目标碰撞预警事件。

技术领域

本发明涉及空间目标碰撞预警技术领域，特别是涉及一种空间目标碰撞预警方法及系统。

背景技术

随着人类对太空的不断探索，地球周边轨道已囤积大量的空间碎片。空间碎片以超高速绕地球飞行，对在轨航天器具有极大破坏力，特别对载人飞船更可能产生灾难性的后果。为保护航天器的安全，需要对其进行空间碎片碰撞风险评估计算，预报未来可能发生的危险轨道交会时刻，以便提前采取措施，避免航天器发生碰撞。

截至2021年11月，Space Track提供的已编目的在轨的空间目标已经超过22000个，这些已编目的目标大部分是尺寸大于10cm的目标，而这只占整个空间碎片的一小部分，即便仅考虑已编目的空间目标，碰撞预警的计算量仍十分庞大：

（1）轨道外推计算量大：对已编目的空间目标进行为期7天的轨道预报，间隔1分钟计算空间目标的位置和速度，就需要2.2亿次轨道预报计算；

（2）交会关系计算量大：航天器与空间目标的交会时间、距离计算是碰撞预警系统计算量最大的模块，设计插值、迭代、数值积分等多个部分的内容，低轨航天器在7天时间内，与另一低轨目标可能发生多达100次的交会时间，若预警航天器数目为500颗，空间目标数为22000个，则可能产生数十亿次的交会事件。

另一方面，空间目标的TLE根数是实时变化的，那么预警信息也要随之更新。因此，空间目标碰撞预警是一个需要天文数字级别重复计算且时效性要求高的工程。但传统的计算机通常只有单个处理器来执行程序指令。为了提高计算速度，一个可行的办法是在一台计算机中使用多个处理器，或者用多台计算机协同运行计算程序。这类计算机被称为并行计算机，其基本的想法是N台计算机或处理器可以提供N倍的单计算机或处理器速度，这样在单机性能不变的情况下，同一个问题的解决时间可以减少为原来的1/N。目前，受元件的物理因素限制，计算机单机速度尽管仍在提高，但已经接近极限速度，单纯靠提高器件速度已不可能达到所期望的高性能。于是高性能计算机研究热点集中在并行计算机上，即从计算机体系结构上找出路，将多个性质相同或不同的处理机通过互联网络连在一起形成并行计算机。

现有技术采用同构集群技术的并行计算方法，其集群计算节点采用Red HatLinux平台，利用MPI并行环境部署计算，实现系统的并行化。通过在原有的空间碎片碰撞预警串行预警程序代码中加入函数调用组织并行，增加动态任务分配算法，程序编译时连接MPI库，从而实现并行计算。这种方法难以满足需要海量的重复计算需求，存在并行度不高、带宽不够、时延高等问题。此外，CPU受制于摩尔定律，其性能的提升不高。

因此，亟需开发一种空间目标碰撞预警方法及系统，能够快速处理空间目标碰撞预警事件。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间目标碰撞预警方法及系统，能够克服现有技术因CPU计算性能限制而导致的对计算机性能和时效性要求较高的空间目标碰撞预警问题上存在并行度不高、带宽不够、时延高等缺陷，降低集群并行计算中所产生的成本问题，快速处理空间目标碰撞预警事件。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种空间目标碰撞预警方法，包括以下步骤：

获取需要预警的航天器及所有空间目标的TLE根数；