[发明专利]基于GPU并行计算的卫星碰撞预警方法

说明书

本发明公开了一种基于GPU并行计算的卫星碰撞预警方法，涉及应用天体力学和航天测控领域。通过将每一对卫星的碰撞检测过程作为一个单独的线程，部署至GPU运行，本发明实现了卫星碰撞预警的并行计算。首先，利用半长轴和偏心率挑选出显然不存在碰撞风险的卫星对。然后，利用轨道倾角、升交点和降交点挑选出不存在碰撞的卫星对。最后，计算卫星对的距离时间序列，通过距离序列判断两者是否存在接近的可能。本发明提供的卫星碰撞预警方法，充分利用了GPU的并行计算能力，计算效率较高，支持大规模卫星的碰撞预警作业，极大的减低了预警系统的硬件成本，适合用来构建商业卫星的运维管理系统。

技术领域

本发明涉及应用天体力学和航天测控技术领域，具体的说是涉及一种卫星碰撞预警方法，尤其涉及一种基于GPU并行计算的卫星碰撞预警方法。

背景技术

随着人类太空技术的发展，越来越多的卫星被发射到太空轨道。截止2022年6月，在轨卫星的数量已接近5000颗。SpaceX为了打造“星链”卫星网，目前已发射超过2200颗卫星，未来还将继续发射，直到数量达到1.2万颗。在日益增多的卫星和太空碎片面前，太空轨道将会越来越拥堵，发生碰撞的可能性正在增大。通常，卫星测控中心会持续对卫星的在轨运行状态进行监测，通过对卫星和碎片的轨迹推算，可以预测是否会出现碰撞情况，进而决定是否发出碰撞预警。主流的卫星碰撞预警系统或者类似的预警软件大多依赖于服务器CPU多核并发能力或者多PC集群的并发计算方式，硬件成本造价较高。

随着GPU的计算能力和存储容量的发展，特别是NVIDIA公司推出的CUDA并行框架后，GPU逐渐从图形学拓展应用到其他领域。目前，NVIDIA公司最新的1.5万元人民币左右的GPU-RTX3090Ti已经具有10752个核心处理器、1.86GHz的加速频率和24GB的显存容量。大量的核心处理器和高容量显存，即使单核的计算能力相比PC稍弱，但可以让先前需要在服务器或者集群上运行的程序能够在单块GPU上运行，在保证计算效率满足实际需求的前提下，同时极大的降低了硬件成本。GPU的出现无疑为卫星碰撞预警的并行预报提供了一种新的且低成本的实现环境。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种基于GPU并行计算的卫星碰撞预警方法，充分利用了GPU的并行计算能力，计算效率高，支持大规模卫星的碰撞预警作业，极大的降低了预警系统的硬件成本，适合用来构建商业卫星的运维管理系统。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于GPU并行计算的卫星碰撞预警方法，通过将每一对卫星的碰撞检测过程作为一个单独的线程，部署至GPU运行，具体包括以下步骤：

步骤S1：利用半长轴和偏心率挑选出不存在碰撞风险的卫星对；

步骤S2：利用轨道倾角、升交点和降交点挑选出不存在碰撞的卫星对；

步骤S3：计算卫星对的距离时间序列，通过距离序列判断两者是否存在接近的可能；

步骤S4：当所有线程完成计算后，将所有卫星对的线程的碰撞计算结果从GPU的显存传递到内存，在CPU上汇总形成碰撞预警分析报告。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，利用卫星的初始时刻的轨迹数据拟合卫星对的轨道根数，进而根据半长轴和偏心率计算卫星的椭圆轨道的半短轴；若一颗卫星的椭圆轨道的半长轴小于另一颗卫星的半短轴，则二者不会发生碰撞风险。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，首先判断卫星对的轨道倾角是否相同，如果轨道倾角不同，再根据升交点和降交点的差异筛选出不存在碰撞风险的卫星对。

作为本发明的进一步改进，若卫星对的升交点赤经不同，则倾角不同的卫星对不会存在交点。