CN108832993A - 面向混合任务的在线中继卫星系统通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向混合任务的在线中继卫星系统通信资源分配方法，主要解决现有技术不能动态分配中继卫星系统通信资源问题。其实现过程为：中继卫星系统实时获取任务请求，通过多天线异步调度机制为每根天线独立地分配规划周期实现资源的动态更新以捕捉任务的突发性。而且，在每个规划周期内，通过构造通信资源冲突图以刻画中继卫星系统的通信资源冲突性，并通过求解通信资源冲突图的最大独立集生成通信资源分配方案，按照此方案对中继卫星系统的通信资源进行分配。本发明通过多天线异步调度机制，提高了对混合任务的编排效率，通过使用通信资源冲突图表征通信资源间的冲突性，降低了通信资源分配的复杂性，提高了通信资源的利用率。

Description

面向混合任务的在线中继卫星系统通信资源分配方法

技术领域

本发明属于空间信息技术领域，主要涉及空间网络协同分配管理方法，可用于中继卫星系统的任务规划和调度。

背景技术

中继卫星系统是我国重要的基础设施，是支持中、低轨航天器间，航天器与地面站之间数据中继，连续跟踪与测控的重要天基平台。然而，由于中继卫星造价昂贵，发射周期长，轨位和频率资源受限等原因，使得我国中继卫星资源极其稀缺，中继服务长期供不应求。随着我国航天事业的高速发展，空间航天任务呈现爆炸式增长。特别地，中继卫星所处的复杂的空间环境导致信道状态动态变化，卫星资源动态变化，另一方面，一些空间任务,如应急通信具有突发性，这要求中继卫星系统具有动态配置资源的能力。因此，开展动态的资源分配管理方法研究，以解决稀疏的中继卫星资源承载更多航天任务难题显得十分重要。

在中继卫星为各航天器提供数据中继服务过程中，从紧急程度上将其划分为常规任务，紧急任务和临时任务。具体来说，常规任务是指一些可以预知的或具有周期性的数据中继任务，如为国土资源卫星提供数传服务；紧急任务是指一些不可预知的紧急的数据中继任务,如应急通信；临时任务是指重要程度介于常规任务和紧急任务之间的不可预知的数据中继任务。由于临时任务和紧急任务的突发性以及重要性，势必抢占中继卫星的资源使得更多的常规任务不能被成功的完成，进而造成任务完成率低和资源利用率低等问题。

在以往的研究中继卫星资源分配问题中，大多数工作重点关注于静态的资源分配，假设任务的信息是提前预知的，而且资源状态在整个过程当中是不变的。例如，S.Rojanasoonthon在文章“Algorithms for parallel machine scheduling:a casestudy of the tracking and date delay satellite system”中，将中继卫星资源分配问题建模成为带时间窗的并行机调度问题，并提出了高效地静态资源分配方法。但是，这类方法忽略了任务的突发性和资源的动态性，无法解决资源时变性冲突问题，因而影响中继卫星资源的高效利用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有研究的不足，提出一种面向混合任务的动态资源分配管理方法，以提高中继卫星系统任务规划的效率。

实现本发明的目的技术思路是：通过动态周期调整的方法，即改变规划周期的长短实现资源的动态更新以捕捉突发任务；通过在每个规划周期内构建资源冲突图来建模中继卫星系统的资源冲突，如此便将复杂的中继卫星系统的资源分配问题转变为图论中经典的最大独立集问题。

根据上述思路，本发明的技术方案包括如下：

(1)任务规划与调度中心实时接收各卫星用户地面管理中心发送的数据中继任务请求，进而获取请求任务的基本信息，该任务基本信息包括：任务类型type_j、任务请求到达时刻req_j、任务最早执行时刻a_j、任务的最晚执行时刻b_j、执行时间窗口TW_j＝(a_j,b_j)、任务的数据块大小l_j和请求任务的航天器编号ID_j，其中，j表示任务编号；

(2)根据中继卫星系统可用资源状态和各任务的基本信息初步筛选出可完成的任务，并排除不可能完成的任务；

(3)对筛选出的任务进行预处理，即根据筛选出可完成任务的基本信息，为每个任务分配数据传输时间窗口获得预处理任务Task_j；

(4)构建等待任务队列和预调度队列RW，并将预处理后的任务Task_j置于等待任务队列中进行排队，在等待任务队列中选出满足任务调度条件的预处理任务，再将其置于预调度队列RW中进行排队；

(5)设定规划周期时长的最小值T_min和最大值T_max，则任一天线h任一规划次数r的规划周期时长的数值范围为[T_min,T_max]，并将此数值范围等间隔划分为N份，即每份大小为：则对应于规划周期时长的N+1种取值构成规划周期取值集合，记为其中p_i＝T_min+iΔ,i＝0,1,...,N；

(6)在天线h上对于规划周期取值为构建通信资源冲突图以刻画预调度队列RW中预处理任务Task_j对中继卫星系统中天线h的通信资源需求的冲突约束关系，并求解出通信资源冲突图的最大独立集实现对通信资源冲突的分解，生成对应于不同规划周期取值的中继卫星系统的通信资源分配方案集合；

(7)利用随机优化理论，依次为中继卫星系统的每根天线独立地分配规划周期时长，并从通信资源分配方案集合中选取与对应规划周期时长的通信资源分配方案，根据该方案，中继卫星系统在指定时刻旋转天线指向指定用户卫星，并为天线提供指定时长的数据传输。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明通过中继卫星系统为每根天线独立地分配规划周期，这种异步调度工作方式在时间轴确立了多个规划时间起始点，有利于进一步提升对资源实时更新能力和对突发任务的捕捉能力。

2)本发明提出最优的周期确定方式，综合考量了常规任务和非常规任务的编排效率的折衷关系，设计出了周期调整因子，有效地提高了任务的完成率和资源的利用率。

3)本发明通过在每个规划周期内，构造通信资源冲突图，以表征各请求任务对中继卫星系统的通信资源需求的冲突约束关系，将复杂的具有时间窗口间断性的通信资源调度问题转化为通信资源冲突图中的最大独立集问题，极大地简化问题的复杂性，有效地提高了系统资源的利用率。

附图说明

图1为本发明的实现总流程图；

图2为本发明中的任务预处理示意图；

图3为本发明中的任务队列更新图；

图4为本发明中的异步调度图；

图5本发明中的通信资源冲突图；

图6为用本发明和现有两种调度方案得到的对常规任务编排的仿真对比曲线图；

图7为用本发明和现有两种调度方案得到的对突发任务编排的仿真对比曲线图；

图8为用本发明和现有两种调度方案得到的对混合任务编排的仿真对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式做详细描述。

本发明是一种面向混合任务的中继卫星系统通信资源动态分配方法。

本实例从中继卫星系统为各对地观测卫星提供数据中继服务出发，来阐述本发明的实施过程。本发明的中继卫星系统由N颗位于地球同步轨道的中继卫星、M个地面数据接收站和I颗分布在太阳同步轨道的对地观测卫星构成。其中，每颗中继卫星装备有H根天线为对地观测卫星提供数据中继，每颗对地观测卫星装有数据中继装置以对准中继卫星供数据传输。

参见图1，本实例实施如下：

步骤1，中继卫星系统的任务规划与调度中心实时获取各卫星用户地面管理中心发送的数据中继任务请求。

各卫星用户地面管理中心按照如下标准格式递交任务请求：

task_j＝(type_j,req_j,TW_j,l_j,ID_j)，

其中，type_j表示任务j的类型，即type_j＝0，表示常规任务；type_j＝1，表示紧急任务；

req_j表示任务请求到达时间；TW_j＝(a_j,b_j)表示任务的执行时间窗口；a_j表示任务最早执行时刻；b_j表示任务的最晚执行时刻；l_j表示任务的数据量；ID_j表示生成任务j的航天器编号。

步骤2，根据中继卫星系统可用资源状态和各任务的基本信息初步筛选出可完成的任务，并排除不可能完成的任务。

(2a)从任务基本信息中获取航天器编号ID_j，并从数据库中查找对应的星历表；

(2b)将(2a)中获得的星历表导入卫星工具包STK，计算出中继卫星与请求任务的用户卫星的可视时间窗口W_j＝(s_j,e_j)，其中s_j和e_j分别表示可视时间窗口的开始时刻和结束时刻，如图2(a)所示；

(2c)判断可视时间窗口W_j的开始时刻s_j是否小于请求任务的最晚执行时刻b_j：

若小于，则接受此任务请求；

否则，拒绝此任务请求。

步骤3，对递交标准格式的任务进行预处理，使其满足符合进入任务队列的格式需求。

对递交标准格式的任务task_j的执行时间窗口TW_j和可视时间窗口W_j进行求交集运算，获得预处理任务，表示为：Task_j＝(type_j,req_j,NW_j,l_j,ID_j)，其中，NW_j＝(c_j,d_j)表示数据传输时间窗口，c_j＝max(a_j,s_j)和d_j＝min(b_j,e_j)分别表示数据传输时间窗口的开始时刻和结束时刻，如图2(b)所示。

步骤4，构建等待任务队列和预调度队列RW，并进行任务队列的实时更新与管理。

(4a)设定等待任务队列和预调度队列RW；

(4b)参见图3，构造两个队列的串行关系：

(4b1)将预处理任务Task_j置于等待任务队列，即将req_j≤t_c的预处理任务Task_j置于等待任务队列，其中t_c为中继卫星系统的当前时间；

(4b2)将d_j-t_c≥min(p_jh)的预处理任务Task_j从等待任务队列中取出，再置于预调度队列RW，其中，d_j为预处理任务Task_j的数据传输时间窗口NW_j的结束时刻，为预处理任务Task_j在天线h上传输的时长，l_j为预处理任务Task_j的数据块大小，r_h为天线h的数据传输速率。

步骤5，用异步动态调度方式为每根天线独立地分配规划周期的时长，以捕捉任务的动态达到。

(5a)设定规划周期时长的最小值T_min和最大值T_max，则任一天线h任一规划次数r的规划周期时长的数值范围为[T_min,T_max]，并将此数值范围等间隔划分为N份，即每份大小为：则对应于规划周期时长的N+1种取值构成规划周期取值集合，记为其中p_i＝T_min+iΔ,i＝0,1,...,N；

参见图4，本实例是以3根天线h₁、h₂、和h₃为例，T_r ^h表示第h∈{h₁,h₂,h₃}根天线上的第r个周期的时长，与周期T_r ^h对应的开始时刻和结束时刻分别为和设定天线h₁、h₂、和h₃的初始规划开始时刻都为

(5b)在天线h上对于规划周期取值为构建通信资源冲突图以刻画预调度队列RW中预处理任务Task_j对中继卫星系统中天线h的通信资源需求的冲突约束关系：

(5b1)将任一预处理任务Task_j的数据传输时间窗口NW_j＝(a_j,d_j)等间隔分割成M个时隙，并将预处理任务Task_j的数据块在数据传输时间窗口NW_j内按每个时隙进行滑动，每次滑动对应于一对起止时刻，并将每对起止时刻构建为通信资源冲突图中的一个点，进而获得通信资源冲突图中点与任务的对应关系，即一个预处理任务对应于通信资源冲突图中的多个点，以此内推其他预处理任务，进而构成点集V；

如图5所示，将预处理任务Task₁的数据传输时间窗口等间隔分为7个时隙，则预处理任务Task₁可在其数据传输时间窗口内滑动三次，每次滑动可生成在数据传输时间窗口内的一对起止时刻，并将每对起止时刻构建为通信资源冲突图G(V,E)中的一个点，如此，预处理任务Task₁对应于通信资源冲突图中三个点，以此类推，得到预处理任务Task₂和预处理任务Task₃对应的点，进而构成点集；

(5b2)遍历获取点集V中任意两点对应的起止时刻，并判断这两对起止时刻在时间上是否存在交叠：若存在，则在这两点间添加冲突边，否则，不添加冲突边，用所有添加的冲突边构成边集E；

(5c)构建虚拟队列Z(r)＝(Z₁(r),Z₂(r),...,Z_h(r),...,Z_H(r))，其中，Z_h(r)为在天线h上第r次规划的虚拟队列，H为总的天线数，并将在天线h上的第r次规划的规划周期取值为的调度任务数记为将在天线h上第r次规划的开始时刻记为

(5d)初始化：Z_h(0)＝0，r＝0，其中在本实例中，

(5e)实时获取中继卫星系统的当前时间t_c，并与天线规划开始时刻作对比，如果则获取天线索引h和规划次数r，并执行(5f)，否则，继续等待；

(5f)对于在索引为h的天线上的每种规划周期取值为按照步骤(5b)构造出对应的通信资源冲突图集合

(5g)依次利用度最大优先算法求解出通信资源冲突图集合中每个通信资源冲突图的最大独立集；再通过(5b1)得到的通信资源冲突图中点与任务对应关系，求解出对应于各最大独立集的调度任务数，进而获得对应所有规划周期取值的调度任务数集合其中为在天线h上的第r次规划的规划周期取值为的调度任务数；

(5h)根据(5g)的结果构建如下优化函数：

其中，θ_h为天线h的周期调整因子，设置为常数，V为常数；

(5j)求解(5h)的优化函数，并将得到的解赋值于规划周期时长获得在天线h上第r次规划的规划周期时长最优解

(5k)分别更新索引为h的天线上第r+1次规划虚拟队列Z_h(r+1)和开始时刻

(5l)返回(5e)。

本发明的技术效果可通过以下仿真进一步说明。

1.仿真条件

以美国的跟踪与数据中继卫星系统TDRSS为例进行验证说明提出方案的优势。

设中继卫星为两颗，用户为20颗各类飞行器，每天有400个常规任务，每个任务产生的模型参考Swate Rojanasoonthon的博士论文；设置仿真时长为7天。

仿真使用的中继卫星系统调度方案有3个：一是Swate Rojanasoonthon在博士论文提出的静态调度方案；二是同步调度方案，即采用同步调度方式为每根天线分配固定规划周期时长；三是本发明方案。

2.仿真内容和结果

仿真1，用上述三种方案对中继卫星系统中的常规任务编排进行仿真比较，结果如图6。从图6可见，随着到达突发任务数变化，静态调度方案完成常规任务数基本保持不变，说明静态调度方案不能捕捉到突发任务。相比较而言，同步调度方案和本发明方案完成常规任务数明显下降，说明同步调度方案和本发明方案通过牺牲常规任务可捕捉到突发任务。特别地，与同步方案相比，本发明方案完成常规任务数提升了132％。说明本发明与同步方案相比牺牲的常规任务数较少，对中继卫星系统中常规任务具有较高的编排效率。

仿真2，用上述三种方案对中继卫星系统中的突发任务编排进行仿真比较，结果如图7。从图7可见，随着到达突发任务数变化，静态调度方案完成突发任务数为零，再次说明静态调度方案不能捕捉到突发任务。相比较而言，同步调度方案和本发明方案完成突发任务数明显上升，说明同步调度方案和本发明能够捕捉到突发任务。特别地，结合图6，本发明方案能够在牺牲很少的常规任务数前提下，很好地逼近同步调度方案，说明本发明方案对中继卫星系统中突发任务具有较高的编排效率。

仿真3，用上述三种方案对中继卫星系统中的混合任务编排进行仿真比较，结果如图8。从图8可见，随着到达突发任务数增加，相比较静态调度方案和同步调度方案，本发明的混合任务完成数明显提高，说明本发明对中继卫星系统中混合任务具有较高的编排效率。

Claims (6)

1.一种面向混合任务的在线中继卫星系统通信资源分配方法，包括如下：

(1)任务规划与调度中心实时接收各卫星用户地面管理中心发送的数据中继任务请求，进而获取请求任务的基本信息，该任务基本信息包括：任务类型type_j、任务请求到达时刻req_j、任务最早执行时刻a_j、任务的最晚执行时刻b_j、执行时间窗口TW_j＝(a_j,b_j)、任务的数据块大小l_j和请求任务的航天器编号ID_j，其中，j表示任务编号；

(2)根据中继卫星系统可用资源状态和各任务的基本信息初步筛选出可完成的任务，并排除不可能完成的任务；

(3)对筛选出的任务进行预处理，即根据筛选出可完成的任务的基本信息，为每个任务分配数据传输时间窗口获得预处理任务Task_j；

(4)构建等待任务队列和预调度队列RW，并将预处理后的任务Task_j置于等待任务队列中进行排队，在等待任务队列中选出满足任务调度条件的预处理任务，再将其置于预调度队列RW中进行排队；

(5)设定规划周期时长的最小值T_min和最大值T_max，则任一天线h任一规划次数r的规划周期时长的数值范围为[T_min,T_max]，并将此数值范围等间隔划分为N份，即每份大小为：则对应于规划周期时长的N+1种取值构成规划周期取值集合，记为其中p_i＝T_min+iΔ,i＝0,1,...,N；

(6)在天线h上对于规划周期取值为构建通信资源冲突图以刻画预调度队列RW中预处理任务Task_j对中继卫星系统中天线h的通信资源需求的冲突约束关系，并求解出通信资源冲突图的最大独立集实现对通信资源冲突的分解，生成对应于不同规划周期取值的中继卫星系统的通信资源分配方案集合；

(7)利用随机优化理论，依次为中继卫星系统的每根天线独立地分配规划周期时长，并从通信资源分配方案集合中选取与对应规划周期时长的通信资源分配方案，根据该方案，中继卫星系统在指定时刻旋转天线指向指定用户卫星，并为天线提供指定时长的数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中根据中继卫星系统可用资源状态和各任务的基本信息初步筛选出可完成的任务，其实现如下：

(2a)通过使用卫星工具包STK计算出中继卫星与请求任务的用户卫星的可视时间窗口W_j＝(s_j,e_j)，其中s_j和e_j分别表示可视时间窗口的开始时刻和结束时刻；

(2b)判断可视时间窗口W_j的开始时刻s_j是否小于请求任务的最晚执行时刻b_j：

若小于，则接受此任务请求；

否则，拒绝此任务请求。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中为每个任务分配数据传输时间窗口，是对任务的执行时间窗口TW_j＝(a_j,b_j)和可视时间窗口W_j＝(s_j,e_j)进行求交集运算即可获得，记为NW_j＝(c_j,d_j)，其中，c_j＝max(a_j,s_j)，d_j＝min(b_j,e_j)分别表示数据传输时间窗口的开始时刻和结束时刻。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中的调度条件，其表示如下：

d_j-t_c≥min(p_jh)，

其中，t_c表示中继卫星系统的当前时间，为预处理任务Task_j在天线h上传输的时长，l_j为预处理任务Task_j的数据块大小，r_h为天线h的数据传输速率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(6)中构建通信资源冲突图按如下步骤进行：

(6a)将任一预处理任务Task_j的数据传输时间窗口NW_j＝(a_j,d_j)等间隔分割成M个时隙；并将预处理任务Task_j的数据块在数据传输时间窗口NW_j内按每个时隙进行滑动，每次滑动对应于一对起止时刻，将其构建为通信资源冲突图中的一个点，每个点对应于数据块在数据传输时间窗口内的一对起止时刻，一个任务对应于通信资源冲突图中的多个点，以此内推，进而构成点集V；

(6b)遍历获取点集V中任意两点对应的起止时刻，并判断这两对起止时刻在时间上是否存在交叠：若存在，则在这两点间添加冲突边，否则，不添加冲突边，用所有添加的冲突边构成边集E。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7)中利用随机优化理论，依次为中继卫星系统的每根天线独立地分配规划周期时长，按如下步骤进行：

(7a)构建虚拟队列Z(r)＝(Z₁(r),Z₂(r),...,Z_h(r),...,Z_H(r))，其中，Z_h(r)为在天线h上第r次规划的虚拟队列，H为总的天线数，并将在天线h上的第r次规划的规划周期取值为的调度任务数记为将在天线h上第r次规划的开始时刻记为

(7b)初始化：Z_h(0)＝0，r＝0，其中

(7c)实时获取中继卫星系统的当前时间t_c，并与天线规划开始时刻作对比，如果则获取天线索引h和规划次数r并执行(7d)，否则，继续等待；

(7d)对于在天线h上每种规划周期取值按照步骤(6)构造出对应的通信资源冲突图集合

(7e)依次利用度最大优先算法求解出通信资源冲突图集合中通信资源冲突图的最大独立集；再通过通信资源冲突图中点与任务的对应关系，求解出调度任务数集合

(7f)根据(7e)的结果构建如下优化函数：

其中，θ_h为天线h的周期调整因子，设置为常数，V为常数；

(7g)求解(7f)优化函数，并将得到的解赋值于规划周期时长获得在天线h上第r次规划的规划周期时长最优解

(7h)分别更新天线h上第r+1次规划的虚拟队列Z_h(r+1)和开始时刻

(7j)返回(7c)。