一种空间频率轨道资源综合数据库的构建方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，特别是一种空间频率轨道资源综合数据库的构建方法。

背景技术

空间频率轨道资源是发展航天装备不可或缺的战略资源，是各国开展卫星业务系统的重要基础条件之一也是国家主权的延伸，同时由于其有限性、共享性和独占性，频率轨道资源成为了世界各国必争的一种宝贵的战略资源。而数据资源是基于频率轨道资源工作的核心，因此建立空间频轨资源池对于快速了解频轨资源使用需求、实现频谱高效利用具等具有十分重要的意义。现有多家网站存储频轨信息，其中根据网站性质，统计的信息会有所不同。例如srs数据库由国际电联维护，用于卫星网络资料的申报、登记和协调；SpaceTrack数据库由美国维护，用于跟踪空间中的在轨对象。

现有的频率轨道资源存储数据库总体分为两类：电联和在轨卫星。电联数据库内容众多，各表和表中字段含义较为晦涩，该数据库侧重于数据的存储，不能基于某种功能呈现对应结果，使用时需具有较强的专业性；在轨卫星数据库侧重于信息的呈现，每个数据库只有一个数据表，呈现的信息种类较少，并且部分字段信息不全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间频率轨道资源综合数据库的构建方法，通过建立一个空间频轨资源池实现多级多维空间频轨资源池化管理。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种空间频率轨道资源综合数据库的构建方法，包括如下步骤：

步骤1、设置在轨卫星数据库存储结构，创建分区和分表；

步骤2、基于SpaceTrack网站，建立在轨空间资源数据库；

步骤3、整理UCS数据库和satbeam数据库，分别建立UCS数据库属性表和satbeam数据库属性表；

步骤4、整理ITU提供的srs数据库中所有表及表之间的实体关系；

步骤5、将以上在轨空间资源数据库、UCS数据库、satbeam数据库、srs数据库通过主键和外键相互关联的方式进行信息匹配，构建综合型数据库。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)结合了全球在轨卫星频轨数据库、电联卫星网络资料数据库等可用的信息资源，构建了综合数据库，即数据资源池，支撑可用空间资源的按需调度；(2)功能性和实用性强，大大降低了调查有关卫星情况等工作对相关专业人才的依赖性。

附图说明

图1是数据库总体运行框架示意图。

图2是srs表及表间实体关系图。

图3是L、S、C、X、Ku、Ka频段的频段申报示意图。

图4是L、S、C、X、Ku、Ka频段的频段发射态势图。

具体实施方式

本发明一种空间频率轨道资源综合数据库的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、设置在轨卫星数据库存储结构，创建分区和分表；

步骤2、基于SpaceTrack网站，建立在轨空间资源数据库；

步骤3、整理UCS数据库和satbeam数据库，分别建立UCS数据库属性表和satbeam数据库属性表；

步骤4、整理ITU提供的srs数据库中所有表及表之间的实体关系；

步骤5、将以上tle在轨空间资源数据库、UCS数据库、satbeam数据库、srs数据库通过主键和外键相互关联的方式进行信息匹配，构建综合型数据库。

进一步地，步骤1所述设置在轨卫星数据库存储结构，创建分区和分表，具体如下：

采用以id属性为分割的水平分区，同时使用MERGE分表法，存放卫星不同时期的卫星数据，分表法具体如下：

(1)将表名按序号命名为tle_0～tle_9999，开始进行分表

令x＝0，当tle_x表存在时丢弃，不存在时创建，表内包含序号id、目录编号norad_num、卫星名称sat_name、国家Country、发射位置Site，其中id为主键且自动递增1，存储引擎为MyISAM，默认字符集采用utf8；

之后用相同方式创建tle_(x+1)，直至依次创建tle_0～tle_9999，得到10000张表；

(2)创建主表即tle表

当tle表存在时丢弃，不存在时创建，表内包含序号id、目录编号norad_num、卫星名称sat_name、国家Country、发射位置Site，其中id为主键且自动递增1，存储引擎为MERGE，合并所有分表，即tle_0～tle_9999，插入方式为插入到合并表的最后一个表，默认字符集采用utf8，得到一张主表；

(3)把主表的数据分到分表中

将主表中的数据以2^20-1为间隔，写入到分表中；数据包括序号id、目录编号norad_num、卫星名称sat_name、国家Country、发射位置Site；当id<＝(2^20-1)时，将数据存储到tle_0表中，当(2^20-1)<＝id<＝2*(2^20-1)时，将将数据存储到tle_1表中，依次类推。

进一步地，步骤2所述基于SpaceTrack网站，建立在轨空间资源数据库，具体如下：

基于SpaceTrack网站，将SpaceTrack数据库进行整理合并为一个总表，表名为在轨空间资源数据库，之后设置在轨数据库资源池的字段，具体如表1所示：

表1 在轨空间资源数据库

其中，目录编号、卫星名称、载荷标识、国家、发射时间、发射位置、衰减日期、周期、雷达切面以及TLE第一行数据和TLE第二行数据均通过网站直接获得，其余均从TLE数据中解析获得；

具体来说，倾角是TLE第二行数据的第9-16个字符，升交点赤经是TLE第二行数据的第18-25个字符，偏心率是TLE第二行数据的第26-32个字符，近地点是TLE第二行数据的第35-42字符，远地点是TLE第二行数据的第43-50个字符，入轨位置、经度、纬度、高度、长半轴、离轨时间和是否报废是通过解析TLE第一行数据中第34-50个字符的运动参数计算获得。

进一步地，步骤3所述整理UCS数据库和satbeam数据库，分别建立UCS数据库属性表和satbeam数据库属性表，具体如下：

在UCS数据库和satbeam数据库基础上，分别构建数据库属性表，如表2和表3所示：

表2 UCS数据库属性表

表3 satbeams数据库属性表

进一步地，步骤4所述整理ITU提供的srs数据库中所有表及表之间的实体关系，具体如下：

srs数据库中各表之间通过主键和外键方式关联，srs数据库中的表包括notice、、e_as_stn、grp、s_beam、emiss等，其中：

notice为通用资料表，包括通知时的各项内容，具体包括通知的处理状态、主管部门国家符号、在WIC/IFIC的编号及最新公布通知的日期、是否进行了分割代码；

e_as_stn为相关地球站表，包括组标识、序列号、经度、纬度、地球站天线高度；

s_beam为卫星天线波束表，包括波束的标识、是否可控、增益、波束指向、指向经度；

grp表为波束下转发器的属性表，包括组标识、对应的波束标识、噪声温度、指配频段；

emiss是载波表，包括峰值包络功率、谱密度、C/N值、脉冲长度、脉冲重复频率。

进一步地，步骤5所述将以上tle在轨空间资源数据库、UCS数据库、satbeam数据库、srs数据库通过主键和外键相互关联的方式进行信息匹配，构建综合型数据库，具体匹配关系如表4：

表4 数据项关联表

表4中，第一行表示北美空防司令部为太空中的卫星规定的序列号，第二行表示卫星名称，第三行表示空间研究委员会为太空中卫星制定的序列号，第四行表示卫星的经度，第五行是卫星的发射时间。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

如图1所示，为本发明空间频率轨道资源综合数据库的构建方法的总体运行框架，包括以下步骤：

步骤1、在轨卫星资源数据是研究频轨工作最重要的一步，例如频轨资源选取、在轨使用风险评估、安全评估和预警预报等。在轨卫星数据主要通过网络爬虫从网站获得数据，由于在轨卫星多、数据量大，卫星轨道相关数据的计算量也相应的较大。为保证爬虫程序运行合理且具有较高效率和可靠性，同时将数据库进行分布式部署，提高数据库承载的数据量和数据处理能力，需要设计好数据库结构，做好表的分区设计。

具体来说，需要创建分区和分表，从而减少数据库的负担，提高表的增删改查效率。分区是改变表中数据的存储位置，分表是将一张表分成多张表，由于本发明构建的数据库资源池需要面临访问量大和表数据大的问题，所以将分区和分表互相配合使用。由于SpaceTrack网站按照时间顺序进行排列，所以本发明采用以id属性为分割的水平分区，同时使用MERGE分表法，存放卫星不同时期的卫星数据。分表法具体操作如下。

(1)考虑到卫星星历数据有100亿的数据容量，单张表的一般存储量在不超过100万时，基本能保持良好性能，因此计算下来需要分表为1万张，本发明将表名按序号命名为tle_0～tle_9999。以tle_0和tle_1中以及其中的部分字段为例，使用下列语句进行分表。

如果tle_0表存在则丢弃；

创建tle_0表，包含字段：

id int主键自动递增，ntc_id long，sat_name varchar(20)，admin varchar(20)，launch datetime

引擎＝MyISAM默认字符集＝utf8自动递增＝1；

创建tle_1表，结构与tle_0相同；

(2)创建主表

如果tle表存在则丢弃；

创建tle_0表，包含字段：

id int主键自动递增，ntc_id long，sat_name varchar(20)，admin varchar(20)，launch datetime

引擎＝MERGE合并表tle_0和tle_1插入方式为插入到合并表的最后一个表

(3)把主表的数据分到分表中

从tle表取出id<＝(2^20-1)时的ntc_id,sat_name,admin,launch字段，将其写入tle_0表的ntc_id,sat_name,admin,launch字段；

从tle表取出id>(2^20-1)并且id<＝2*(2^20-1)时的ntc_id,sat_name,admin,launch字段，将其写入tle_0表的ntc_id,sat_name,admin,launch字段；

步骤2、设计在轨空间资源数据库，其中主要来源是SpaceTrack网站www.space-track.org提供的公共卫星目录SATCAT。SpaceTrack网站描述的对象是全球在轨卫星，大约有17000个在轨物体和大约6000个在轨分析物体，网站数据每小时实时更新。以该网站为基础，本发明构建在轨空间资源数据库的主体部分。将SpaceTrack数据库进行整理合并为一个总表，表名为在轨空间资源数据库，之后设计本发明在轨数据库资源池的字段，具体如前述表1所示。

步骤3、除SpaceTrack外，描述在轨卫星的网站还包括UCS数据库和satbeams数据库，美国科学家网站www.ucsusa.org定期提供全球在轨卫星数据库UCS数据库，提供了环绕地球运行的2666颗卫星的信息，每4个月更新一次。satbeam网站www.satbeams.com/satellites是业内提供卫星覆盖图信息的全球性专业网站，该网站将详细卫星覆盖图按照统一标准数字化，和谷歌地图相结合，该数据主要来源于FCC(联邦通信委员会)的数据、卫星供应商和其他一些有效的来源，该网站拥有世界上最优的卫星场强图，超过1400个，数据库中保留了大约超过380颗同步卫星的信息，超过7500个转发器和32000个频道搜索。

通过整理，本发明在UCS和satbeam数据库基础上，分别构建数据库表项内容如前述表2和表3所示。

步骤4、除各大专业网站外，作为最具权威性的资料，国际电联提供了srs数据库，如图2所示，为srs数据库的所有表及表之间的实体关系，各表之间通过主键和外键方式关联，其中以notice、e_as_stn、grp、s_beam、emiss表为主。notice为通用资料表，包括了通知时的各项内容，包括通知的处理状态、主管部门国家符号、在WIC/IFIC的编号及最新公布通知的日期、是否进行了分割代码等等。e_as_stn为相关地球站表，包括组标识、序列号、经度、纬度、地球站天线高度等。s_beam为卫星天线波束表，包括了波束的标识、是否可控、增益、波束指向、指向经度等等。grp表为波束下转发器的属性表，包括了组标识、对应的波束标识、噪声温度、指配频段等等。emiss是载波表，包括峰值包络功率、谱密度、C/N值、脉冲长度、脉冲重复频率等等。

步骤5、通过分析以上所有数据库结构及内容，将具有相同意义字段之间的关联进行信息匹配，构建一个综合型数据库。数据库的部分数据项之间的映射关系如前述表4所示，通过查找可以快速获取数据库间的匹配关系。

步骤6、如表5所示，建立频段范围表。本发明基于表4的数据项关联关系，实现了多个功能，以常用的两个功能为例，做具体讲解。

表5 频段范围表

(1)查找某个国家x所有申报成功的轨位在轨比例。

首先在srs数据库的com_el表中查找adm＝’x’且sat_name不重复时的所有long_nom值。之后对每个long_nom值分别进行操作，记录com_el表中long_nom对应的ntc_id。将ntc_id代入s_beam表中查找该ntc_id下所有的freq_min和freq_max，并代入表5记录对应的频段，即frequency。此外，还需将ntc_id代入grp表中查找该ntc_id下的所有grp_id，将grp_id代入srs数据库中srv_cls表，查找对应的stn_cls，将stn_cls代入rf_stn_cls表，记录对应的service，当service的值为‘FSS’或‘BSS’时，令X＝[long_nom-0.2，long_nom+0.2]，否则令X＝[long_nom-0.5，long_nom+0.5]。

之后在tle和UCS数据库中核验在轨情况。首先在tle表中，查找Lon字段，当其值在X范围内时，查看其对应的COUNTRY是否为x，满足时继续判断频段是否与记录的频段相同。

均不满足时，在UCS数据库中做同样操作，区别在于字段名称不同，可以根据表4中的映射关系确定不同数据库中的字段名称。当查找到满足条件时，证明该国家申报的该轨位在轨。当该国家申报的所有轨位查找完毕时，便可以计算该国家的在轨比例。

经过实际操作，以中国、美国和俄罗斯为例，得到的申报轨位数量、当在轨数量和在轨比列如表6所示。

表6 在轨比例表

(2)查找近三十年各频段的申报数量和发射数量，构建频段的申报和发射态势图。

在srs数据库中查找notice表的d_rcv字段，令每十年归为一个分组。将每一条对应的ntc_id代入到s_beam表，将对应的freq_min和freq_max代入表5，在每个分组下又按照频段进行归类。将每组各频段的数量进行汇总，即为申报数量。

在tle表中，根据INTLDES字段，获取卫星的发射年份，同样以十年为一个分组，根据tle的NORAD_CAT_ID与UCS和satbeam数据库进行关联，分别获取对应的频段。将每组各频段的数量进行汇总，即为发射数量。

经过实际操作，以L、S、C、X、Ku、Ka频段为例，频段申报和发射态势图如图3和图4所示。本发明结合了全球在轨卫星频轨数据库、电联卫星网络资料数据库等可用的信息资源，构建了综合数据库，即数据资源池，支撑可用空间资源的按需调度；功能性和实用性强，大大降低了调查有关卫星情况等工作对相关专业人才的依赖性。