CN109814999B - 一种地面站资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地面站资源调度方法，用于为卫星数据接收任务调度地面站资源，地面站资源包括天线和记录器，方法包括：S1，调度中心获取卫星数据接收任务；S2，根据任务的权重，以最小化资源利用代价值为目标确定接收数据接收任务中各任务的地面站资源分配方案，生成地面站资源调度方案；S3，将地面站资源调度方案分配至地面站，以使地面站根据地面站资源调度方案接收任务对应的数据。在最大化接收任务时长的原则下将任务分配至地面站实现第一步地面站调度，然后分配至各地面站的任务根据资源利用代价值最小化计算使得地面站各资源通过最优的方式接收任务，实现了多地面站资源调度过程自动化进行，无需人工干预，快捷低成本。

Description

一种地面站资源调度方法

技术领域

本发明涉及航天地面接收领域，尤其涉及一种地面站资源调度方法。

背景技术

在卫星或航天系统中，地面控制中心将任务指令传至卫星，而后卫星将数据传输至各个地面站，地面站数量很多，能接收的数据的种类也有限制，每个地面站的承载能力也有限制，地面站资源数据接收能力各不相同。这就导致需要人工根据任务的重要性有倾向性地安排接收设备并在资源不足时对可接收的任务进行决策，难以得到全局最优的资源调度方案，而且人工决策时间较长；导致决策成本和运行成本高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种地面站资源调度方法，快速合理的得到接收任务的地面站调度资源方案，通过该方法提高了地面站接收资源利用效率，无需人工干预节省了人力成本。

(二)技术方案

本发明提供了一种地面站资源调度方法，用于为卫星数据接收任务调度地面站资源，地面站资源包括天线和记录器，方法包括：S1，调度中心获取卫星数据接收任务，其中，卫星数据接收任务包括卫星名称、计划任务接收开始时间、数据接收优先级标识以及计划任务结束时间，并根据所述数据接收优先级标识获取所述个卫星数据接收任务的权重；S2，根据任务的权重，以最小化资源利用代价值为目标确定接收数据接收任务中各任务的地面站资源分配方案，生成地面站资源调度方案，其中，地面站资源调度方案至少包括任务的任务编号及其对应的地面站代号、接收开始时间、接收结束时间，以及地面站内对应的天线和记录器；S3，将地面站资源调度方案分配至地面站，以使地面站根据地面站资源调度方案接收任务对应的数据。

可选地，计算地面站的资源利用代价值具体包括：S21，确定资源利用代价值最小的地面站调度方案；S22，确定地面站中资源利用代价值最小的天线和记录器调度方案。

可选地，通过使如下公式cost1值最小，以确定资源利用代价值最小的地面站调度方案：

其中，

为任务i的权重，q_i为地面站对任务i的未接收时间，

为天线j接收任务i的权重，a_i，j为0或1，a_i，j为1则所述天线j接收任务i，a_i，j为0则所述天线j未接收任务i。

可选地，确定所述地面站中资源利用代价值最小的天线和记录器调度方案具体为：在地面站中，计算天线及记录器的资源利用代价值，得到传输任务时最小资源利用代价值所对应的天线和记录器。

可选地，采用如下公式计算所述天线及记录器的资源利用代价值cost2：

其中，

为记录器k接收任务i的成本，r_i，k为0或1，r_i，k为1则所述记录器k接收任务i，r_i，k为0则所述记录器k未接收任务i，p_i为同一时间段所述任务i与其他任务共用同一记录器的时间长度，W_i ⁴为任务i与其他任务共用同一记录器的代价值。

可选地，地面中心根据地面站资源调度方案接收任务对应的数据，天线通过信道系统将数据传输至记录器，记录器包括多个子记录单元，任务对应的数据被分配于所述记录器的至少一个子记录单元。

可选地，卫星通过卫星数传通道将任务对应的数据传输至地面站，传输同一任务对应的数据所需要的卫星数传通道数和子记录单元数满足如下计算公式：

其中，g_i，l为0或1，g_i，l为1表示子记录单元l服务于任务i，参数e_l，k为子记录单元l与记录器k的关联性，若e_l，_k为1则表示子记录单元l属于记录器k，若e_l，k为0则表示子记录单元l不属于记录器k，n_i表示任务i的卫星数传通道数。

可选地，子记录单元的数据传输速率与任务对应的数据的数据传输速率满足如下公式：

其中，d_l为子记录单元的数据传输速率，d_i为任务i的数据传输速率。

可选地，步骤S22之前还包括：使用启发式算法为任务分配天线和记录器，若启发式算法得出分配结果，则根据分配结果为天线分配记录器，若启发式算法不能得出分配结果，则执行步骤S22。

可选地，使用GAMS求解器执行所述步骤S1～S3。

(三)有益效果

本发明提供了一种地面站资源调度方法，首先通过最大化所述任务接收时长也即使资源利用代价值最小化将任务分配至地面站实现第一步资源配置，然后地面站根据资源利用代价值最小化计算使得地面站通过最优的方式接收任务，整个过程可以自动化完成无需人工干预，成本低。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例中的地面站资源调度方法步骤图；

图2示意性示出了本公开实施例中的地面站资源调度的示意图；

图3示意性示出了本公开实施例中的同一记录器中的多个子记录单元服务不同任务的工作示意图；

图4示意性示出了本公开实施例中的地面站资源调度方法详细流程图；

图5示意性示出了本公开实施例中的利用启发式规则分配地面站资源的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种地面站资源调度方法，卫星向地面站发送数据，地面系统完成数据接收任务。任务的相关参数包括卫星名称、计划任务接收开始时间、计划任务结束时间、轨道号、数据接收任务优先级标识、并可根据数据接收优先级标识获取各卫星数据接收任务的权重等，并将该任务的相关参数发送至调度中心。地面站对数据的接收过程包括使用天线接收数据，以及使用记录器记录数据，而每个地面站网络中有多个地面站，每个地面站有多个天线和记录器资源，各个资源的规格不同、对数据接收和记录能力不同，因此需要对地面站资源进行调度，生成有效的地面站资源调度方案，以最大限度利用地面站资源、有效完成数据接收任务，。该地面站资源调度方案中至少包括任务编号及其对应的地面站代号、接收开始时间、接收结束时间，以及该地面站内对应的天线和记录器，调度中心将该地面站资源调度方案发送至地面站，以使地面站根据该地面站资源调度方案接收数据，并将数据发送至用户。参见图1，该地面站资源调度方法包括：S1，调度中心获取卫星数据接收任务，其中，卫星数据接收任务包括卫星名称、计划任务接收开始时间、数据接收优先级标识以及计划任务结束时间，并根据所述数据接收优先级标识获取所述各卫星数据接收任务的权重；S2，根据任务的权重，以最小化资源利用代价值为目标确定接收数据接收任务中各任务的地面站资源分配方案，生成地面站资源调度方案，其中，地面站资源调度方案至少包括任务编号及其对应的地面站代号、接收开始时间、接收结束时间，以及该地面站内对应的天线和记录器；S3，将地面站资源调度方案分配至地面站，以使地面站根据地面站资源调度方案接收数据。

具体的，参见图2，S1，调度中心获取卫星数据接收任务，其中，卫星数据接收任务参数包括卫星名称、计划任务接收开始时间、数据接收优先级标识以及计划任务结束时间，并根据所述数据接收优先级标识获取所述各卫星数据接收任务的权重；

针对每一卫星数据接收任务，初步设定有卫星名称、、计划任务接收开始时间以及计划任务结束时间等，调度中心需考虑有效利用地面站资源，避免数据重复接收，或局部地面站负载过高等问题，因此需要进行资源调度，对卫星数据接收任务进行优化。卫星会根据任务的重要程度确定发送该任务的优先级，进而确定接收该任务的权重，优先级越高代表接收的任务越重要，任务中还包括任务优先级标识，并可以根据所述数据接收优先级标识获取所述各卫星数据接收任务的权重。

S2，根据所述任务的权重，以最小化所述资源利用代价值为目标确定接收所述各数据接收任务对应的地面站资源分配方案，生成地面站资源调度方案，其中，所述地面站资源调度方案至少包括所述任务编号及其对应的地面站代号、接收开始时间、接收结束时间，以及该地面站内对应的天线和记录器；

由于调度中心需调度的地面站有多个，而且每个地面站中一般包括至少一个天线和至少一个记录器，因此需要确定资源利用代价值最小的地面站调度方案以及确定所述地面站中资源利用代价值最小的天线和记录器调度方案，即生成地面资源调度方案，该地面资源调度方案至少包括任务编号及其对应的地面站代号、接收开始时间、接收结束时间，以及该地面站内对应的天线和记录器，地面站根据该地面资源调度方案在合适的时间段接收对应的卫星传输的数据，地面站中的天线和记录器之间通过信道系统连接，天线接收到数据后通过信道系统传输至记录器记录。天线和记录器之间的耦合关系较弱，因此可以分开进行调度，天线资源相对于记录器资源少，首先对天线进行合理的调度，如果天线接收资源不足，就不能满足所有任务的接收需求。地面站可能在处理其他数据接收任务会被全部或部分占用，因此在分配时需要考虑地面站中的可利用资源的充足性，尽量提高接收任务总时长，全局优化地面站资源分配。

对地面站中的资源(天线资源和记录器资源)进行分配的目标是使地面站对数据接收任务的接收代价最小化，包括未接收任务的时间最小化，接收和记录设备的使用成本最小化，同时避免为任务分配不可用或已完全占用的资源，在对地面站资源进行调度时将步骤分为了两层，首先求解地面站调度问题，而后求解站内资源调度问题，该步骤具体包括：

S21，确定资源利用代价值最小的地面站调度方案；

S22，确定地面站中资源利用代价值最小的天线和记录器调度方案。

首先，需要计算地面站的资源利用情况，使得卫星数据接收任务的接收时间最大化，也即通过执行步骤S21，确定资源利用代价值最小的地面站调度方案，地面站资源利用代价值可以采用如下计算公式进行计算：

其中，

为地面站未完全接受任务i的代价，

为使用天线资源的代价，W_i ^l为任务i的权重，其由任务的优先级决定，一般卫星提供预设数据接收方案时会指定该数据接收任务的优先级和紧急程度，紧急的数据接收任务的优先级高于其他数据接收任务，用于重要科学研究的任务的优先级较高，优先级越高对应的权重值越小；q_i为地面站对任务i的未接收时间，

为天线j接收任务i的权重，a_i，j为0或1，a_i，j为1则天线j接收数据接收任务i，a_i，j为0则天线j未接收任务i，其中，任务i的权重由所述调度中心根据所述任务i的优先级进行设定，天线j接收任务i的权重由调度中心根据天线j接收任务i的优先级进行设定，天线j一般具有一定的属性用于优先接收某一属性的任务，若任务i具有该属性，则当任务i对应的数据和其他数据一起由天线j接收时，天线j接收任务i对应的数据的权重最低，也即越和天线j定义的接收数据的属性越匹配其接收该数据的权重越低。

具体的，q_i为任务i中未被接收部分的时间长度，其不应大于任务i的总时间长度，其计算公式为：

q_i＝c_i-b_i-(v′_i-v_i)

其中，v_i和v′_i分别为任务i的开始时间和结束时间，在控制中心建立任务i时即已确定，因此是一定值，b_i和c_i表示任务i实际的开始时间和结束时间。

要使任务i被完整接收，则任务i的实际接收时间窗口必须在设定的接收时间段内，即：

任务i接收时间大于下限值t_min，M为一极大值，即：

对于可以被多个地面站接收任务，如任务i和任务i，需要考虑卫星天线在不同地面站之间的切换时间τ，即：

其中，b_i′和c_i′分别为任务i’实际的开始时间和结束时间，s(i)为任务i对应的卫星名称，X_i，i′为0或1，若为1则表示任务i的开始时间在任务i之前，即b_i′＞b_i若为0则表示任务i’的开始时间在任务i’之后，即b_i′＜b_i，也即

对于每一个任务来说，其分配的天线数应小于或等于1，也即：

当天线j需要连续服务任务i和任务i时需要切换时间τ，因此：

若使公式(1)的结果最小化，需要使

地面站未完全接受任务i的代价，以及

使用天线资源的代价均最小化，其中，

为任务i的权重，q_i为地面站对任务i的未接受时间，因此需要将权重高的任务优先进行分配，以降低其未被接收的时间长度q_i，

为天线j接收任务i的权重，天线j接收的数据和天线j定义的接收数据的属性越匹配则其接收该数据的权重越低，因此在天线接收数据时应优先接收和天线应该接收的定义的数据的属性相匹配的数据。

通过以上方式即可计算得出资源利用代价值最小的地面站的调度方案；而后需要执行S22，确定在该地面站中资源利用代价值最小的天线和记录器调度方案，具体如下。

在地面站中，计算天线及记录器的资源利用代价值，得到最小资源利用代价值对应的天线和记录器；

具体的，为任务任务分配地面站后，地面站需要在站内为任务分配天线和记录器，因此分配时需要考虑天线的分配成本、记录器的分配成本、多个任务共用记录器的代价等的资源利用代价值cost2，资源利用代价值cost2计算公式如下：

其中，

为记录器的接收成本，

为记录器k接收数据接收任务i的成本，

为记录器负载不均衡的代价值，一个记录器内存在多个子记录单元，可以同时接收多个任务，但如果有空闲的记录器，应避免同一记录器接收多个任务的情况，变量p_i为同一时间段与其他任务共用同一记录器的重叠时间长度，W_i ⁴为单位时间内共用记录器的代价值，其可由地面控制中心进行设定。

天线通过信道系统将任务发送至记录器进行记录，对任务i分配的记录器的数量小于或等于1，即：

其中，信道系统包括多个子信道，子信道和子记录单元一一对应，每一数据接收任务可以由一个子信道传输也可以由多个子信道传输，每一记录器可以服务于多个任务对应的数据，针对同一个数据接收任务，传输该数据的子信道数和子记录单元相同，如图3所示，记录器k有4个子记录单元，任务i和任务i’对应的数据分别由两个卫星通道进行传输，任务i和任务i’各对应两个子记录单元，如子记录单元1和2服务于任务i，子记录单元3和4服务于任务i’。

对于每个数据接收任务，卫星通过卫星数传通道将所述卫星数据传输至地面站，需要的子记录单元数目由数据接收任务对应的卫星数传通道数决定：

其中，g_i，l为0或1，g_i，l为1表示子记录单元l服务于任务i，参数e_l，k为子记录单元l与记录器k的关联性，若e_l，k为1则表示子记录单元l属于记录器k，若e_l，k为0则表示子记录单元l不属于记录器k，n_i表示任务i的卫星数传通道数。

子记录单元接收任务i和任务i’对应的数据需要转换时间τ，因此其传输时间满足如下关系式：

若任务i和任务i’所对应的数据由同一记录器k接收，如图3所示为例，则p_i为任务i的结束时间减去任务i’的开始时间再加上切换时间τ，即p_i＝t₂-t₁+τ，p_i应满足如下关系式：

对于一个不能与其他任务共用记录器的数据接收任务，如快视任务，应满足：

其中，I_f为快视任务集，N为该快视任务集中的任务数。

另一方面，接收使用的子记录单元的数据传输速率应大于数据接收任务i的数据传输速率，即满足约束条件：

其中，d_l为子记录单元的数据传输速率，d_i为任务i的数据传输速率。

如果数据接收任务没有被分配天线资源，则数据接收无效，进而不会分配记录器，即：

在满足上述约束条件的情况下使COST2最小，由上可知使公式(1)的结果最小化，需要使

地面站未完全接受任务i的代价，以及

使用天线资源的代价均最小化，使公式(2)最小化时还需要将

记录器的接收成本以及

为记录器负载不均衡的代价值最小化，

记录器k接收任务i的成本，一个记录器内存在多个子记录单元，可以同时接收多个数据接收任务，但如果有空闲的记录器，应避免同一记录器接收多个数据接收任务的情况，变量p_i为同一时间段与其他数据接收任务共用同一记录器的重叠时间长度，

为单位时间内共用记录器的代价值，其可由地面控制中心进行设定。因此应尽量使各记录器负载均衡，减少数据接收任务的重叠时间。

通过上述公式(2)得到地面站中传输该任务具有最小资源利用代价值的天线和记录器，并将该任务分配于该天线和记录器。

由上述步骤可以得到针对任务的地面资源调度方案，该地面资源调度方案至少包括所述任务编号及其对应的地面站代号、接收开始时间、接收结束时间，以及该地面站内对应的天线和记录器等分配方案。

参见图2，S3，将所地面站资源调度方案分配至地面站，以使地面站根据地面站资源调度方案接收数据。

将步骤S2生成的地面站资源调度方案发送至地面站，地面站根据该地面站资源调度方案为接收到的数据分配天线和记录器等资源。

参见图4，地面站根据S21结果为数据接收任务分配天线资源，如果问题易于解决，则基于优先级的启发式规则可以给出可用的结果。则执行步骤S22之前首先使用启发式规则进行分配，具体如下：

依据任务的优先级顺序，为每个数据分配资源，首先为优先级高的任务分配资源；对于每个任务，根据相应的可用资源的优先级来选择分配的资源；如果资源已经被分配给了高优先级的任务，则不会再被分配给其他低优先级任务，即使这些任务没有可用资源。如果问题过于复杂，无法用启发式规则来解决，则执行S22。

如图5中，同一时间窗口内存在任务1、任务2和任务3，其中，任务1的优先级最高，任务3的优先级最低，因此应先为任务1分配资源，任务1的可用资源是资源A、资源B和资源C，资源A、资源B和资源C也存在相应的优先级，同样，任务2的可用资源是资源A和资源D；任务3的可用资源是资源D。虽然任务2的首选资源是资源A，但是因为资源A已经被任务1占用，所以资源D被分配给任务2，并且应该首先安排优先级更高的任务1。同理，由于资源D已经被任务2使用，并且如果任务1和任务3的时间不满足资源切换时间，则任务3没有资源可分配。在这个场景中，启发式规则是无效的。则通过步骤S22中的方式为任务分配地面站中的资源。

上述方式中，首先使用启发式算法进行求解，采用启发式算法不能得出结果时再执行步骤S22对地面站中的资源进行最小资源代价值得到最优的分配方案，加快了求解速度。

以上步骤S1～S3中所述的分配方法均可使用商用求解器GAMS进行解算。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地面站资源调度方法，用于为卫星数据接收任务调度地面站资源，所述地面站资源包括天线和记录器，方法包括：

S1，调度中心获取卫星数据接收任务，其中，所述卫星数据接收任务包括卫星名称、计划任务接收开始时间、数据接收优先级标识以及计划任务结束时间，并根据所述数据接收优先级标识获取各所述卫星数据接收任务的权重；

S2，根据所述任务的权重，以最小化资源利用代价值为目标确定接收所述数据接收任务中各任务的地面站资源分配方案，生成地面站资源调度方案，其中，所述地面站资源调度方案至少包括所述任务的任务编号及其对应的地面站代号、接收开始时间、接收结束时间，以及所述地面站内对应的天线和记录器；其中，

计算所述地面站的所述资源利用代价值具体包括：

S21，确定资源利用代价值最小的地面站调度方案；

S22，确定所述地面站中资源利用代价值最小的天线和记录器调度方案，其中，所述S22具体为：在所述地面站中，计算所述天线和记录器的资源利用代价值，得到传输所述任务时最小资源利用代价值所对应的天线和记录器；

S3，将所述地面站资源调度方案分配至所述地面站，以使所述地面站根据所述地面站资源调度方案接收所述任务对应的数据。

2.根据权利要求1所述的调度方法，通过使如下公式cost1值最小，以确定资源利用代价值最小的地面站调度方案：

其中，W_i ¹为任务i的权重，q_i为地面站对任务i的未接收时间，

为天线j接收任务i的权重，a_i，j为0或1，a_i，j为1则所述天线j接收任务i，a_i，j为0则所述天线j未接收任务i。

3.根据权利要求1所述的调度方法，采用如下公式计算所述天线及记录器的资源利用代价值cost2：

其中，

为记录器k接收任务i的成本，r_i，k为0或1，r_i，k为1则所述记录器k接收任务i，r_i，k为0则所述记录器k未接收任务i，p_i为同一时间段所述任务i与其他任务共用同一记录器的时间长度，W_i ⁴为任务i与其他任务共用同一记录器的代价值。

4.根据权利要求1所述的调度方法，地面中心根据所述地面站资源调度方案接收所述任务对应的数据，所述天线通过信道系统将所述数据传输至所述记录器，所述记录器包括多个子记录单元，所述数据被分配于所述记录器的至少一个子记录单元。

5.根据权利要求4所述的调度方法，卫星通过卫星数传通道将所述任务对应的数据传输至地面站，传输同一任务对应的数据所需要的卫星数传通道数和子记录单元数满足如下计算公式：

其中，g_i，l为0或1，g_i，l为1表示所述子记录单元l服务于所述任务i，参数e_l，k为所述子记录单元l与所述记录器k的关联性，若e_l，k为1则表示所述子记录单元l属于所述记录器k，若e_l，k为0则表示所述子记录单元l不属于所述记录器k，n_i表示任务i的卫星数传通道数。

6.根据权利要求5所述的调度方法，所述子记录单元的数据传输速率与所述任务对应的数据的数据传输速率满足如下公式：

其中，d_l为所述子记录单元的数据传输速率，d_i为任务i的数据传输速率。

7.根据权利要求1所述的调度方法，步骤S22之前还包括：

使用启发式算法为所述任务分配天线和记录器，若所述启发式算法得出分配结果，则根据所述分配结果为所述天线分配记录器，若所述启发式算法不能得出分配结果，则执行步骤S22。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的调度方法，使用GAMS求解器执行所述步骤S1～S3。

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