CN106815691A - 一种中继卫星业务需求预处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中继卫星业务需求预处理方法及系统，其包括以下步骤：1)获取业务中心的中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β；2)设定表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件；3)根据中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β以及约束条件，得到表征用户中继业务的特征参数集合γ，完成对中继卫星业务需求预处理。本发明从实际中继业务数据中提取用户主要需求和工作约束，构建一组能够表征多样化业务需求的参数，为中继系统分配提供较为完整同时具有一定柔性的输入信息，从而提升系统应用效率。本发明可以广泛在中继卫星系统领域应用。

Description

一种中继卫星业务需求预处理方法及系统

技术领域

本发明涉及一种中继卫星系统应用领域，特别是关于一种中继卫星业务需求预处理方法及系统。

背景技术

中继卫星系统是利用地球静止或高轨道卫星对中低轨道航天器和非航天器等用户目标进行跟踪测控和数据中继的空间信息传输系统。

中继卫星系统业务具有如下特点：同时存在多类型天线执行中继业务，并且业务必须在用户目标可视窗口范围内进行；用户目标通常具有高动态性和一定的轨道特征，业务时空跨度大；中继卫星提供服务的具体方式是通过单址天线转动或多址天线数字波束合成跟踪指向用户。随着我国航天任务复杂度和需求数量的增大，受限于地面站和同步轨道轨位资源，中继卫星系统将更加广泛应用于包括载人航天、高分辨率对地观测、空间快速应急响应、天基预警等任务，用户需求呈现多样化特点。系统实际应用表明：对多样化用户需求的处理环节是影响系统应用效益的关键。

目前，学术界和卫星运控部门限于中继卫星系统业务的复杂性和多样性，关于提升系统效益的研究主要集中在优化资源分配算法方面，对用户需求分析及其中继业务特征的研究较少。从可查阅的资料看，研究思路通常是基于给定中继业务输入和业务不可分解的条件下，针对资源分配算法本身开展优化工作，提升中继卫星系统效益。然而，从系统实际运控看，中继资源分配过程与用户业务需求规划这两个环节相互影响，如果仅考虑从业务需求规划到资源分配的单向信息传递，难以达到资源分配结果与业务需求规划方案的匹配，从而影响全局优化效果。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种中继卫星业务需求预处理方法及系统，其能够统一处理多样化业务需求和工作约束，为中继系统分配提供较为完整同时具有一定柔性的输入信息，从而提升系统应用效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取业务中心的中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β；2)设定表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件；3)根据中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β以及约束条件，得到表征用户中继业务的特征参数集合γ，完成对中继卫星业务需求预处理。

进一步，所述步骤1)中，中继用户原始需求集合α包括用户数据量传输需求V_d、对用户跟踪测量的轨道覆盖需求C_o和业务发生在特定时空范围内的需求D_t,s。

进一步，所述步骤1)中，中继用户主要约束集合β包括业务开始时刻可延迟的时长约束L_tmax、对数据中继传输速率的约束R_bmax、用户中继终端载荷工作时长约束最大值T_max和最小值T_min、同一用户所属相邻业务最大时间间隔T_gmax和最小时间间隔T_gmin以及用户自身任务规划周期的时长跨度约束T_p。

进一步，所述步骤2)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件为：

其中，T_n,d为第n个中继业务时长；R_n,b为第n个中继业务的传输速率；L_n,t为第n个业务开始时刻的容忍延迟；T_n,g为第(n+1)个业务开始时刻距第n个业务结束时刻时间间隔。

进一步，所述步骤3)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ具体获取方法如下：3.1)根据中继用户原始需求集合α中业务发生在特定时空范围内的需求D_t,s和中继用户主要约束集合β中业务开始时刻的容忍延迟L_tmax，得到γ中业务在时间和空间两个维度的分布P_tn,z；3.2)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(4)，计算得到业务容忍延迟L_t；3.3)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(3)，计算得到中继传输速率R_b；3.4)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(2)和中继传输速率R_b，计算得到中继业务时长T_d；3.5)联合表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(1)和(7)，以及中继业务时长T_d，计算得到用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p；3.6)根据用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p和表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(6)，计算得到同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g；3.7)判断同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g和中继业务时长T_d是否满足表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(5)，若满足则输出中继传输速率R_b、中继业务时长T_d、用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p和同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g；3.8)根据上述步骤得到表征用户中继业务的特征参数集合γ。

进一步，所述步骤3.1)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ中继业务在时间和空间两个维度的分布P_tn,z分别包括业务在时间维度的概率分布和在空间维度的概率分布。

进一步，所述中继业务在时间维度的分布情况由业务开始时刻落入任务规划周期范围内各时间子区间的概率分布表征，第n个业务开始时刻落入时段tn的概率为p_n，tn，且：

进一步，所述中继业务在空间的分布情况由业务开始点和结束点坐标对应的天线方位角、俯仰角分别落入各角度子区间的概率分布描述，业务开始点对应的方位角和俯仰角分别落入角度区间z_α和z_β的概率为和业务结束点表示方法与业务开始点相同；且：

进一步，所述步骤3)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ包括中继业务时长T_d、用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p、中继传输速率R_b、中继业务在时间和空间两个维度的分布情况P_tn,z、中继业务开始时刻的容忍延迟L_t和同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g。

一种中继卫星业务需求预处理系统，其特征在于包括：数据获取模块、约束提交设定模块和预处理模块；所述数据获取模块用于获取业务中心的中继用户原始需求集合和中继用户主要约束集合；所述约束提交设定模块用于设定表征用户中继业务的特征参数集合的约束条件；所述预处理模块用于根据中继用户原始需求集合和中继用户主要约束集合以及约束条件，得到表征用户中继业务的特征参数集合，完成预处理。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明从实际中继业务数据中提取用户主要需求和工作约束，构建一组能够表征多样化业务需求的参数，为中继系统分配提供较为完整同时具有一定柔性的输入信息，从而提升系统应用效率。2、本发明较已有方法能提供更高的中继业务调度完成率和更低的中继天线无效资源占比，从而提升系统应用效益。3、本发明实现复杂度低，可用于实际工程。本发明可以广泛在中继卫星系统领域应用。

附图说明

图1是本发明中继卫星业务需求预处理系统示意图；

图2是本发明用户中继业务特征参数集合γ计算流程示意图；

图3是本发明中继卫星系统双星服务场景示意图；

图4是本发明调度业务完成率示意图；

图5是本发明单址天线无效资源占比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种中继卫星业务需求预处理方法，其包括以下步骤：

1)获取业务中心的中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β；其中，中继用户原始需求集合α＝{α₁，α₂，…，α_N}，β＝{β₁，β₂，…，β_N}；

2)设定表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件；

3)根据中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β以及约束条件，得到表征用户中继业务的特征参数集合γ，γ＝{γ₁，γ₂，…，γ_N}，完成对中继卫星业务需求预处理。

上述步骤1)中，中继用户原始需求集合α包括用户数据量传输需求V_d、对用户跟踪测量的轨道覆盖需求C_o和业务发生在特定时空范围内的需求D_t,s。

上述步骤1)中，中继用户主要约束集合β包括以下参数：

(1)业务开始时刻可延迟的时长约束L_tmax，即业务实际开始时刻距理论开始时刻可推迟最大时间。

(2)对数据中继传输速率的约束R_bmax，即用户载荷能够支持的最高速率。

(3)用户中继终端载荷工作时长约束最大值T_max和最小值T_min，即用户中继终端可持续工作的最大时长和最小时长。

(4)同一用户所属相邻业务最大时间间隔T_gmax和最小时间间隔T_gmin。

(5)用户自身任务规划周期的时长跨度约束T_p。

上述步骤2)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件为：

其中，在表征用户中继业务的特征参数集合γ基础上，针对该用户第n个中继业务定义如下具体变量：第n个中继业务时长T_n,d；第n个中继业务的传输速率R_n,b；第n个业务开始时刻的容忍延迟L_n,t；第(n+1)个业务开始时刻距第n个业务结束时刻时间间隔T_n,g，业务的开始和结束时刻分别为和该业务开始和结束点在中继天线k坐标系下对应的空间位置坐标由天线方位角和俯仰角组成，分别表示为和

上述步骤3)中，如图2所示，表征用户中继业务的特征参数集合γ具体获取方法如下：

3.1)根据中继用户原始需求集合α中业务发生在特定时空范围内的需求D_t,s和中继用户主要约束集合β中业务开始时刻的容忍延迟L_tmax，得到γ中业务在时间和空间两个维度的分布P_tn,z；

为了说明中继业务在时间和空间维度的分布定义如下变量：将一个任务周期均匀划分为TN个时段，用tn代表每个时段的编号，从1开始顺序编号。将中继天线方位角、俯仰角转动最大范围分别划分Z_α和Z_β个角度区间，用z_α和z_β分别代表方位角和俯仰角区间的编号，都从1开始顺序编号。

3.2)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(4)，计算得到业务容忍延迟L_t；

3.3)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(3)，计算得到中继传输速率R_b；

3.4)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(2)和中继传输速率R_b，计算得到中继业务时长T_d；

3.5)联合表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(1)和(7)，以及中继业务时长T_d，计算得到用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p；

3.6)根据用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p和表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(6)，计算得到同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g；

3.7)判断同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g和中继业务时长T_d是否满足表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(5)，若满足则输出中继传输速率R_b、中继业务时长T_d、用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p和同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g；不满足则返回步骤3.3)；

3.8)根据上述步骤得到表征用户中继业务的特征参数集合γ。

上述步骤3.1)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ中继业务在时间和空间两个维度的分布P_tn,z分别包括业务在时间维度的概率分布和在空间维度的概率分布，具体计算过程如下：

3.1.1)中继业务在时间维度的分布情况由业务开始时刻落入任务规划周期范围内各时间子区间的概率分布表征，第n个业务开始时刻落入时段tn的概率为p_n,tn，且：

3.1.2)采用中继卫星天线坐标系下的业务开始点和结束点坐标(由中继天线方位角和俯仰角组成)表示业务的空间位置信息，故中继业务在空间的分布情况由业务开始点和结束点坐标对应的天线方位角、俯仰角分别落入各角度子区间的概率分布描述。业务开始点对应的方位角和俯仰角分别落入角度区间z_α和z_β的概率为和业务结束点表示方法与业务开始点相同；且：

上述步骤3)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ包括以下参数：

(1)中继业务时长T_d。

(2)用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p。

(3)中继传输速率R_b。在实际工程中，首先尽量选择较高速率完成用户需求，如业务调度前估算通信链路质量不能满足要求,就可能提前调低中继传输速率。

(4)中继业务在时间和空间两个维度的分布情况P_tn,z。

(5)中继业务开始时刻的容忍延迟L_t，指业务实际开始时刻距理论开始时刻可推迟的时间长度，该参数反映业务在时间域的急迫程度。

(6)同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g，它反映了用户载荷能源、软硬件设备状态切换以及业务之间的逻辑关系。

本发明还提供一种中继卫星业务需求预处理系统，其包括数据获取模块、约束提交设定模块和预处理模块。其中：

数据获取模块用于获取业务中心的中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β；

约束提交设定模块用于设定表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件；

预处理模块用于根据中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β以及约束条件，得到表征用户中继业务的特征参数集合γ，完成预处理。

实施例：

1)采用本发明对TDRSS的多种业务需求进行统一处理，检验是否具有一定的适用性。

2014年美国TDRSS为NASA、美国地质调查局(U.S.geological survey,USUG)和美国国家海洋和大气管理局(national oceanic and atmospheric administration,NOAA)三大机构所属6大类共41个用户提供中继服务，具体信息如表2所示。

表2 TDRSS 2014年主要用户信息

用户类型	标识	用户数
			低轨、低速、科学类	LEO-Sci-Low	21
低轨、中速、科学类	LEO-Sci-Mod	1
			低轨、高速、科学类	LEO-Sci-Mod	3
大椭圆轨道、中速、科学类	LEO-Sci-Low	12
			地轨气象类	LEO-Weather	3
低轨载人飞船	LEO-HSF	1

将TDRSS用户主要需求和工作约束作为本系统的输入信息，输出结果见表3，说明本方法适用于描述多种类型中继业务。其中U(x,y)表示在[x,y]之间均匀分布。

表3 TDRSS主要用户中继业务特征

2)将本发明用于典型的中继卫星系统双星调度服务场景，分析对于调度效率的影响。

中继卫星双星服务场景如图3所示。单颗中继卫星安装2面单址天线支持S和Ka两个频段，1面多址天线支持S频段多址业务。2颗中继卫星共计6面天线提供调度服务，用户申请调度服务的业务总数为400个，任务规划周期为86400s。根据业务时长和窗口滑动范围的不同设计5种业务数据，每种数据随机生成5组实例，共计25组业务实例，再在每组实例中引入业务时空分布信息。采用贪婪算法分2种情况对每组实例进行调度求解：1)现有方法；3)本发明方法。

为了比对2种情况对应的调度结果，定义调度业务完成率和单址天线无效资源占比这2个指标。调度业务完成率表示可以调度完成的业务数与业务需求总数的比值，仿真结果如图4所示。单址天线无效资源占比定义为天线在相邻业务间转动的累积时长与单址天线总的任务规划周期比值：

其中，T_p和N_SA分别表示任务规划周期和单址天线个数，N_k为第k个单址天线上安排调度的业务数，表示单址天线k从第(i-1)个业务结束点到第i个业务开始点的转动时长，仿真结果如图5所示。仿真结果表明：采用本文方法，中继业务调度完成率平均增加10.65％，天线无效资源占比平均减少12.85％，有效提升了中继卫星系统调度效率。

上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤及结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)获取业务中心的中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β；

2)设定表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件；

3)根据中继用户原始需求集合α和中继用户主要约束集合β以及约束条件，得到表征用户中继业务的特征参数集合γ，完成对中继卫星业务需求预处理。

2.如权利要求1所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述步骤1)中，中继用户原始需求集合α包括用户数据量传输需求V_d、对用户跟踪测量的轨道覆盖需求C_o和业务发生在特定时空范围内的需求D_t,s。

3.如权利要求1所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述步骤1)中，中继用户主要约束集合β包括业务开始时刻可延迟的时长约束L_tmax、对数据中继传输速率的约束R_bmax、用户中继终端载荷工作时长约束最大值T_max和最小值T_min、同一用户所属相邻业务最大时间间隔T_gmax和最小时间间隔T_gmin以及用户自身任务规划周期的时长跨度约束T_p。

4.如权利要求1所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述步骤2)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件为：

$\underset{n=1}{\overset{N_p}{\Σ}}(R_{n,b}\×T_{n,d})=V_d,---\left(1\right)$

$T_{min}\≤T_{n,d}\≤T_{max},\∀n\∈\{1,2,...,N_p\},---\left(2\right)$

$R_{n,b}\≤R_{bmax},\∀n\∈\{1,2,...,N_p\},---\left(3\right)$

$0\≤L_{n,t}\≤L_{tmax},\∀n\∈\{1,2,...,N_p\},---\left(4\right)$

$\underset{n=1}{\overset{N_p}{\Σ}}{T}_{n,d}+\underset{n=1}{\overset{N_p-1}{\Σ}}{T}_{n,g}\≤T_p,---\left(5\right)$

$T_{gmin}\≤T_{n,g}\≤T_{gmax},\∀n\∈\{1,2,...,N_p\},---\left(6\right)$

$\frac{\underset{n=1}{\overset{N_p}{\Σ}}{T}_{n,d}}{T_p}\≥C_o;---\left(7\right)$

其中，T_n,d为第n个中继业务时长；R_n,b为第n个中继业务的传输速率；L_n,t为第n个业务开始时刻的容忍延迟；T_n,g为第(n+1)个业务开始时刻距第n个业务结束时刻时间间隔。

5.如权利要求4所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述步骤3)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ具体获取方法如下：

3.1)根据中继用户原始需求集合α中业务发生在特定时空范围内的需求D_t,s和中继用户主要约束集合β中业务开始时刻的容忍延迟L_tmax，得到γ中业务在时间和空间两个维度的分布P_tn,z；

3.2)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(4)，计算得到业务容忍延迟L_t；

3.3)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(3)，计算得到中继传输速率R_b；

3.4)根据表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(2)和中继传输速率R_b，计算得到中继业务时长T_d；

3.5)联合表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(1)和(7)，以及中继业务时长T_d，计算得到用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p；

3.6)根据用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p和表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(6)，计算得到同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g；

3.7)判断同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g和中继业务时长T_d是否满足表征用户中继业务的特征参数集合γ的约束条件(5)，若满足则输出中继传输速率R_b、中继业务时长T_d、用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p和同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g；

3.8)根据上述步骤得到表征用户中继业务的特征参数集合γ。

6.如权利要求5所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述步骤3.1)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ中继业务在时间和空间两个维度的分布P_tn,z分别包括业务在时间维度的概率分布和在空间维度的概率分布。

7.如权利要求6所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述中继业务在时间维度的分布情况由业务开始时刻落入任务规划周期范围内各时间子区间的概率分布表征，第n个业务开始时刻落入时段tn的概率为p_n,tn，且：

$\underset{tn=1}{\overset{TN}{\Σ}}{p}_{n,tn}=1.$

8.如权利要求6所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述中继业务在空间的分布情况由业务开始点和结束点坐标对应的天线方位角、俯仰角分别落入各角度子区间的概率分布描述，业务开始点对应的方位角和俯仰角分别落入角度区间z_α和z_β的概率为和业务结束点表示方法与业务开始点相同；且：

$\underset{z_{\mathrm{\α}}=1}{\overset{Z_{\mathrm{\α}}}{\Σ}}{p}_{n,z_{\mathrm{\α}}}=1,\underset{z_{\mathrm{\β}}=1}{\overset{Z_{\mathrm{\β}}}{\Σ}}{p}_{n,z_{\mathrm{\β}}}=1.$

9.如权利要求1所述的一种中继卫星业务需求预处理方法，其特征在于：所述步骤3)中，表征用户中继业务的特征参数集合γ包括中继业务时长T_d、用户任务规划周期范围内的中继业务次数N_p、中继传输速率R_b、中继业务在时间和空间两个维度的分布情况P_tn,z、中继业务开始时刻的容忍延迟L_t和同一用户所属相邻中继业务的时间间隔T_g。

10.一种中继卫星业务需求预处理系统，其特征在于包括：数据获取模块、约束提交设定模块和预处理模块；

所述数据获取模块用于获取业务中心的中继用户原始需求集合和中继用户主要约束集合；

所述约束提交设定模块用于设定表征用户中继业务的特征参数集合的约束条件；

所述预处理模块用于根据中继用户原始需求集合和中继用户主要约束集合以及约束条件，得到表征用户中继业务的特征参数集合，完成预处理。