CN110113212B - 一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法 - Google Patents

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CN110113212B CN201910404533.9A CN201910404533A CN110113212B CN 110113212 B CN110113212 B CN 110113212B CN 201910404533 A CN201910404533 A CN 201910404533A CN 110113212 B CN110113212 B CN 110113212B
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Abstract

本发明公开了一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法，包括获取待分配任务集；建立天线调度的规划模型，明确目标函数和约束条件；采用两阶段调度算法对任务进行分配；所述的两阶段调度算法包括完整任务分配阶段和断点续传任务分配阶段，算法包括任务资源匹配、生成任务可用资源集、计算可用时段冲突度、任务插空和任务可用资源集更新算子。本发明针对中继业务过程中由于任务需求的差异性导致任务完成率低和资源利用率低的问题，同时兼顾中继业务的实际情况和用户需求，改进了传统中继卫星应用模型，该算法能在较短时间内获得较高质量的调度方案，适用于对调度时间有较高要求的中继卫星调度场景，在任务完成率和资源利用率等方面均有增益。

Description

一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法
技术领域
本发明属于卫星调度领域，具体涉及一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法。
背景技术
跟踪与数据中继卫星(tracking and data relay satellite,TDRS)，简称为中继卫星，主要为中、低轨道的航天器提供数据中继、连续跟踪与轨道测控服务。随着为执行太空任务发射的卫星数目的增加，需要从轨道下载大量的数据到地面。中继卫星具有轨道高、覆盖面积大的特点，可以扩大中低轨道卫星与地面站之间的可见时间窗。中继卫星系统作为同步地球静止轨道的天基传输平台，不仅需要执行预定任务，而且还为全球突发的应急任务服务，这对中继卫星资源的合理调度提出了更高的要求。
目前，国内外关于中继卫星的研究主要集中在中继卫星系统的链路分析，针对中继卫星任务调度的研究偏少。现有的关于中继卫星任务调度的研究大多是将调度问题与模型描述为带时间窗口的并行机调度问题，其中中继卫星的天线等同于机器，用户申请的任务等同于待加工的工件，并且假设每个任务仅能被一颗中继卫星的一条天线执行，不允许断点续传，即不允许任务拆分。然而，随着天基传输需求的日益增长，用户需求也呈多样化地增长，最直观地体现在同一调度周期内，不同任务的可行时间窗口长度、服务时长存在较大差异。任务需求的差异性往往会增加调度难度和降低任务完成率，如服务时长过长的任务，其任务完成率一般都低于其他任务。但在现有技术中，考虑任务需求的差异性的中继卫星调度的相关研究较少。
现有较为通用的中继卫星应用模式可以归纳为：(1)用户基于任务需求申请一个确定的时间窗口，每项任务对应一个时间窗口；(2)中继卫星资源(主要是可见时间窗口资源)周期性释放；(3)调度工作根据任务申请信息和周期性释放的中继卫星资源进行调度方案的安排。用户申请方式的应用模式主要存在以下两个问题：第一是用户的任务需求复杂多样，不同任务申请的可行时间窗口松紧度和任务服务时长各不相同，这些灵活复杂的需求难以通过单个确定的可行时间窗口进行描述，使得任务申请信息对实际用户任务需求的描述不够准确和充分。第二，由于每项任务只允许申请一个时间窗口，且不允许任务进行断点续传，如果在调度过程中无法满足该时间窗口，则该任务将无法成功调度，且难以通过合理调度实现不同任务间的冲突消解，不利于提高调度工作的灵活性和调度方案质量。
发明内容
有鉴于此，为更好地适应用户需求特点和工作实际，本发明的目的在于提出一种适于断点续传的中继卫星调度方法，用于对传统的中继卫星应用模式进行改进，保证中继卫星在断点续传过程中进行高效调度。
基于上述目的本发明提供的一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法，包括以下步骤：
步骤1，获取待分配任务集；
步骤2，建立天线调度的规划模型，明确目标函数和约束条件；
步骤3，采用两阶段调度算法对任务进行分配；
所述的两阶段调度算法包括完整任务分配阶段和断点续传任务分配阶段。
具体地，步骤2中，所述的目标函数为最大化任务完成率，所述的约束条件包括任务需求约束和资源使用约束；所述任务的属性包括任务优先级、可见时间窗口、可行时间窗口、服务时长和可用时段。
具体地，步骤3中所述的两阶段调度算法包括任务资源匹配算子、生成任务可用资源集算子、计算可用时段冲突度算子、任务插空算子和任务可用资源集更新算子；所述的任务资源匹配算子根据任务提交的可行时间窗口及任务的服务时长，为任务匹配当前可用的时段资源；所述的生成任务可用资源集算子根据所述的任务资源匹配算子的匹配结果，生成当前任务的可用资源集合；所述的计算可用时段冲突度算子根据任务可用资源集，计算每个任务可用时段的冲突度，其中，冲突度是评价在同一中继卫星天线下任务可用时段资源被其他任务的可用时段侵占程度；所述的任务插空算子是选定任务的执行时段后，进行任务插空；所述的任务可用资源集更新算子是任务调度成功后，刷新任务集和任务可用资源集。
具体地，所述的任务资源匹配算子包括以下步骤：对于当前申请调度的任务t，将任务可行时间窗口(startt,endt)、任务期望服务时长normaltimet与中继卫星天线可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000031
三者对比，当满足条件式时，可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000032
可用，(T1,T2)为任务t的可用时段，条件式为：
Figure BDA0002060795200000033
所述的生成任务可用资源集算子中，任务资源集用一个六元组
Figure BDA0002060795200000034
表示，其中
Figure BDA0002060795200000035
表示任务t的第i段可用时段的开始时刻，
Figure BDA0002060795200000036
表示任务t的第i段可用时段的结束时刻，rt表示任务t选择使用的天线，satt表示任务t所属用户航天器，numt任务t的编号，normaltimet表示任务t的期望服务时长；
所述的计算可用时段冲突度算子中冲突度的计算方法为：除去任务t在同一天线下的其余可用时段，对同一天线下其他任务的可用时段与任务t的可用时段的交集部分进行累加；
所述的任务插空算子中包括紧前插空策略、紧后插空策略和随机插空策略。
进一步地，在所述的任务可用资源集更新算子中，调度过程中任务执行时间为(T3,T4)，则根据(T3,T4)对其他用户航天器与中继卫星天线的可见时间的侵占情况刷新任务可用资源集：若
Figure BDA0002060795200000041
则任务可用时段刷新结果为
Figure BDA0002060795200000042
若
Figure BDA0002060795200000043
则任务可用时段刷新结果为
Figure BDA0002060795200000044
若
Figure BDA0002060795200000045
则任务可用时段刷新结果为
Figure BDA0002060795200000046
若
Figure BDA0002060795200000047
则任务可用时段刷新结果为
Figure BDA0002060795200000048
若
Figure BDA0002060795200000049
则任务可用时段刷新结果为
Figure BDA00020607952000000410
若
Figure BDA00020607952000000411
则任务可用时段刷新结果为
Figure BDA00020607952000000412
其中
Figure BDA00020607952000000413
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗开始时刻，
Figure BDA00020607952000000414
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗结束时刻。
具体地，所述的目标函数为式1：
Figure BDA00020607952000000415
其中，R为中继卫星单址天线集合R＝{r1,r2,…,r|R|}，|R|表示中继卫星单址天线数量，T为任务集合T＝{t1,t2,…,t|T|}，|T|表示任务申请数量，Tα＝{i|i∈{i1,i2,…,in}＝ZC(t),t∈T}，表示任务集T中进行断点续传的任务集合，in为任务t的第n个子任务，任务t所属用户航天器与中继卫星单址天线r可见时间窗口集合
Figure BDA0002060795200000051
Figure BDA0002060795200000052
表示任务t所属用户航天器与第r条单址天线的第j个可见时间窗，
Figure BDA0002060795200000053
为0-1变量，取值为1时表示任务t的第n个子任务在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000054
内调度成功；式1表示最大化任务完成率，其中分子左侧为不需进行断点续传的任务完成数，右侧为经过断点续传的任务完成数。
具体地，所述的约束条件包括：
taskstartt,r,j≥startt·xt,r,j 式2
Figure BDA0002060795200000055
(taskstartt,r,j+stt,r,j)·xt,r,j≤endt 式4
Figure BDA0002060795200000056
stt,r,j＝normaltimet 式6
Figure BDA0002060795200000057
Figure BDA0002060795200000058
Figure BDA0002060795200000059
Figure BDA00020607952000000510
Figure BDA00020607952000000511
Figure BDA00020607952000000512
Figure BDA00020607952000000513
Figure BDA00020607952000000514
其中，任务t所属用户航天器与中继卫星单址天线的链路集合Lt＝{l1,l2,…,l|L|}，|L|表示任务t所属用户航天器与中继卫星系统中的单址链路所包含的链路数量，adjust为执行任务前中继卫星天线的对准时间，rec为任务结束后中继卫星天线的复位时间，startt为任务t可行时间窗口的最早开始时刻，endt为任务t可行时间窗口的最晚结束时刻，normaltimet为任务t的期望服务时长，
Figure BDA0002060795200000061
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗开始时刻，
Figure BDA0002060795200000062
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗结束时刻，xt,r,j为0-1变量，取值为1时表示任务t在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000063
内调度成功，taskstartt,r,j表示任务t在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000064
下的实际开始执行时刻，
Figure BDA0002060795200000065
表示任务t的第n个子任务在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000066
下的实际开始执行时刻，stt,r,j表示任务t在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000067
下的实际服务时长，
Figure BDA0002060795200000068
表示任务t的第n个子任务在其所属用户航天器与中继卫星单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000069
下的实际服务时长，Et,r表示任务t在单址天线r中实际执行的时间段；
式2至式5表示任务的可行时间窗口约束，任务的执行时段必须在其可行时间窗口内，即中继卫星执行任务时段不早于其可行时间窗口的最早开始时刻，不晚于其最晚结束时刻；式6和式7表示任务的服务时长约束，在中继业务过程中，任务的实际服务时长应等于任务的期望服务时长；式8和式9表示在两个阶段的调度过程中都不允许任务中断；式10至式13表示可见时间窗口约束，中继卫星与用户航天器的可见时间窗口的起始时刻由二者的轨道参数共同决定，任务的整个调度过程应该在中继卫星天线与用户航天器的可见时间窗口内；式14表示中继卫星单址天线能力约束，同一时刻同一中继卫星单址天线仅能执行一项任务。
具体地，两阶段调度算法流程如下：
初始化
Figure BDA00020607952000000610
将任务按照任务优先级排序，生成任务集T＝{t1,t2,…,tk,…,tn}；
while j≤n
转入完整任务分配阶段，进行资源匹配，生成任务可用资源集合
Figure BDA0002060795200000071
转入断点续传任务分配阶段，进行资源匹配，生成任务可用资源集合
Figure BDA0002060795200000072
Figure BDA0002060795200000081
本发明针对中继业务过程中由于任务需求的差异性导致任务完成率低和资源利用率低的问题，同时兼顾中继业务的实际情况和用户需求，改进了传统中继卫星应用模型，将中继卫星任务调度分为完整任务分配阶段和断点续传任务分配阶段，在设定任务进行断点续传的两个原则的基础上，以最大化任务完成率为目标函数，以任务需求约束、资源使用约束作为约束条件，构建了考虑断点续传的中继卫星调度模型，并设计了考虑断点续传的两阶段调度算法，该算法能在较短时间内获得较高质量的调度方案，特别适用于对调度时间有较高要求的中继卫星调度场景。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图；
图2为本发明实施例的断点续传示意图；
图3为本发明实施例的任务资源匹配方法示意图；
图4为本发明实施例的冲突度计算方法示意图；
图5为本发明实施例的任务插空策略示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
中继卫星单址天线调度是指在满足任务需求约束和资源使用约束的前提下，在较短的时间内得到一种最优的调度方案。作为本发明的实施例，参阅图1所示，为本发明实施例一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法的流程示意图。所述的一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法，包括：
步骤1，获取待分配任务集；
步骤2，建立天线调度的规划模型，明确目标函数和约束条件；
步骤3，采用两阶段调度算法对任务进行分配；
所述的两阶段调度算法包括完整任务分配阶段和断点续传任务分配阶段。
中继卫星单址天线调度的难点主要有以下两点：(1)中继卫星与用户航天器之间并非时时可见，二者在不同的时段有不同的可见时间窗口；(2)任务自身具有可行时间窗口，且不同任务的可行时间窗口长度、服务时长可能存在较大差异。本实施例中目标函数为最大化任务完成率，约束条件包括任务需求约束和资源使用约束；任务需求约束主要包括任务的执行约束、任务的可行时间窗口约束、任务的执行天线约束、任务的服务时长约束；资源使用约束主要包括中继卫星单址天线能力约束、可见时间窗口约束。
在本实施例下，待分配任务的基本属性包括：任务优先级，可见时间窗口，任务可行时间窗口，任务服务时长和任务可用时段。
任务优先级是描述任务重要程度的唯一标识码，是决定任务调度顺序的主要参考标准。中继卫星天线可视为中继卫星的基本资源，可见时间窗口由中继卫星天线与用户航天器的轨道参数共同决定，中继卫星任务调度需在任务所属航天器与中继卫星天线可见时间窗口内进行。用户依据中继卫星相关管理机构发布的可用中继卫星资源，结合自身需求提出对某段可见时间窗口的占用申请，即任务可行时间窗口由任务的最早开始时刻和最晚结束时刻组成。任务服务时长指从任务开始调度时刻至任务调度结束时刻的具体时长。任务可用时段指可见时间窗口与任务可行时间窗口的交集，即任务的可用时段资源。
在本实施例中，以最大化任务完成率为目标函数，以任务需求约束、资源使用约束作为约束条件，构建断点续传的中继卫星单址天线调度问题的数学规划模型如式(1)～(14)所示。
Figure BDA0002060795200000101
taskstartt,r,j≥startt·xt,r,j (2)
Figure BDA0002060795200000102
(taskstartt,r,j+stt,r,j)·xt,r,j≤endt (4)
Figure BDA0002060795200000103
stt,r,j＝normaltimet (6)
Figure BDA0002060795200000104
Figure BDA0002060795200000105
Figure BDA0002060795200000106
Figure BDA0002060795200000107
Figure BDA0002060795200000108
Figure BDA0002060795200000109
Figure BDA00020607952000001010
Figure BDA00020607952000001011
所述的数学规划模型中用到的符号的说明表1所示。
表1
Figure BDA00020607952000001012
Figure BDA0002060795200000111
Figure BDA0002060795200000121
模型中的式(1)为目标函数，表示最大化任务完成率，其中分子左侧为不需进行断点续传的任务完成数，右侧为经过断点续传的任务完成数；式(2)～(5)表示任务的可行时间窗口约束，任务(子任务)的执行时段必须在其可行时间窗口内，即中继卫星执行任务时段不早于其可行时间窗口的最早开始时刻，不晚于其最晚结束时刻；式(6)(7)表示任务的服务时长约束，在中继业务过程中，任务的实际服务时长应等于任务的期望服务时长。由于本发明实施例将任务调度过程分为两个阶段，式(8)(9)表示在两个阶段的调度过程中都不允许任务(子任务)中断；式(10)～(13)表示可见时间窗口约束，中继卫星与用户航天器的可见时间窗口的起始时刻由二者的轨道参数共同决定，所以任务(子任务)的整个调度过程应该在中继卫星天线与用户航天器的可见时间窗口内。式(14)表示中继卫星单址天线能力约束，同一时刻同一中继卫星单址天线仅能执行一项任务。
本发明实施例建立的中继卫星单址天线周期调度模型属于高维混合整数优化问题，具有组合优化问题的特征，其解空间随着资源与任务数量的增长将成指数增长。此外，模型还涉及复杂的约束条件，这使得算法的搜索和寻优面临困难。
总体而言，较高的决策变量维度以及复杂的约束条件使得本模型的求解难度较大。一般的通用算法难以直接用于求解本模型。因此，本发明实施例针对模型特点设计了考虑断点续传的两阶段调度算法。
中继卫星任务调度主要分两个阶段进行，第一阶段为完整任务分配阶段，在此阶段中，中继卫星优先对不需进行断点续传的任务进行调度。第二阶段为断点续传任务分配阶段，在此阶段中，将第一阶段中未能成功调度的任务采用断点续传的方式进行调度。
考虑断点续传的两阶段调度算法属于构造性算法，着重考虑任务需求的差异性和中继卫星资源的利用率，通过采用合理的解构造策略，生成较优的调度方案。在完整任务分配阶段，重点考察任务之间冲突度，对任务所有可用时段进行冲突度评价，根据评价结果选择任务的可用资源，采用基于最小冲突度的策略在完整任务分配阶段生成较优的初始可行调度方案。在断点续传任务分配阶段，着重考虑中继卫星资源的利用率和用户的实际需求，对完整任务分配阶段中未能成功调度的任务进行断点续传。同时兼顾中继业务的实际情况：在中继卫星任务调度过程中，任务切换时天线会有一定的空转时间，任务切换次数增多，势必会造成天线可用资源的损耗和浪费，即任务拆分次数越多，天线空转时间越多，天线可用资源也就损耗得越多。故此阶段采用基于最小任务拆分次数的策略选择任务的可用资源，生成最终调度方案。
在以上分析的基础上，设定任务进行断点续传的两个原则：①任务拆分后的子任务优先在同一中继卫星进行调度；②基于最小拆分次数进行子任务的资源匹配和任务插空。
考虑断点续传的两阶段调度算法主要包括以下五个算法模块：①任务资源匹配；②生成任务可用资源集；③计算可用时段冲突度；④任务插空；⑤任务可用资源集更新5个算子。算子①是根据任务提交的可行时间窗口及任务的服务时长，为任务匹配当前可用的时段资源。算子②是根据算子①的匹配结果，生成当前任务的可用资源集合。算子③是根据任务可用资源集，计算每个任务可用时段的冲突度。冲突度是评价在同一中继卫星天线下任务可用时段资源被其他任务的可用时段侵占程度。因此，为了提高资源的利用率和任务完成率，优先选择最小冲突度的可用时段为任务的执行时段。算子④是选定任务的执行时段后，进行任务插空，常见的任务插空策略有紧前策略、紧后策略、随机策略。算子⑤是任务调度成功后，刷新任务集和任务可用资源集。
假设任务1、任务2和任务3在中继卫星TDRS1上的可用时段如图2(a)所示，很明显，在以往假定任务每个任务仅能被一颗中继卫星的一条天线执行，不允许断点续传的前提下，任务1、任务2和任务3是无法同时调度成功的。而实际中的中继业务系统支持对较大的数据进行拆分分组，不同的分组可在不同的时间采用不同的路径回传，即本发明实施例所考虑的断点续传。显然，采用断点续传的调度方式可以提高服务时间较长的任务的调度成功率，如图2(b)所示。
任务资源匹配主要是对比任务提交的可行时间窗口、服务时长与可见时间窗口，匹配结果为任务当前可用的时段资源，并生成决策变量的约束信息。任务资源匹配具体方法如下。
对于当前申请调度的任务t，将任务可行时间窗口(startt,endt)、任务期望服务时长normaltimet与中继卫星天线可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000141
三者对比，当满足式(15)条件时，可见时间窗口
Figure BDA0002060795200000142
可用，(T1,T2)为任务t的可用时段。任务资源匹配示意图如图3所示。
Figure BDA0002060795200000143
根据资源匹配结果，生成当前任务的可用资源集合。该任务资源集用一个六元组
Figure BDA0002060795200000144
表示，其中
Figure BDA0002060795200000145
表示任务t的第i段可用时段的开始时刻，
Figure BDA0002060795200000146
表示任务t的第i段可用时段的结束时刻，rt表示任务t选择使用的天线，satt表示任务t所属用户航天器，numt任务t的编号，normaltimet表示任务t的期望服务时长。
对于当前任务的每一个可用时段，需要计算其冲突度，可用时段任务冲突度的具体计算方法为：除去任务t在同一天线下的其余可用时段，对同一天线下其他任务的可用时段与任务t的可用时段的交集部分进行累加。冲突度计算方法如图4所示。中继卫星TDRS1对用户航天器SAT1、SAT2、SAT3的可见时间窗口如图所示，(T1,T2)为任务t的可用时段，则可用时段(T1,T2)的冲突度为|T1T3|+|T2T4|，(T5,T6)是任务t冲突度为0的可用时段。在任务调度过程中，为了提高任务调度的成功率和减小对其他任务调度的干扰和资源损耗，总是优先选择冲突度最小的可用时段作为当前任务的执行时段。
常见的任务插孔策略有紧前策略、紧后策略和随机策略。假设选择可用时段(T1,T2)执行任务t，三种插入策略的示意图如图5所示。
任务调度成功后，会占用任务所属航天器与中继卫星天线的可见时间窗口，其他用户航天器与该中继卫星的天线的可见时段可能与任务占用时段存在交集。由于同一中继卫星同一时刻仅能执行一项任务，所以需要对任务可用资源集进行更新。假设调度过程中任务执行时间为(T3,T4)，则可根据(T3,T4)对其他用户航天器与中继卫星天线的可见时间的侵占情况刷新任务可用资源集，将各类情况总结如表2所示。
表2不同情况下资源刷新结果
Figure BDA0002060795200000151
Figure BDA0002060795200000161
基于上述分析，考虑断点续传的两阶段调度算法流程如下：
Figure BDA0002060795200000162
Figure BDA0002060795200000171
在配置为2.80GHz Intel Core CPU、8GB内存、Windows 10操作系统的PC机上测试考虑断点续传的两阶段调度算法。但由于本发明实施例提出的考虑断点续传的中继卫星应用模式目前没有标准测试集可供调用，故首先运用STK与Matlab软件进行中继卫星单址天线资源与任务需求仿真，获取实验数据后，再运用MatlabR2016b对本发明实施例所提算法进行测试。
在仿真实验中设计了一个调度周期为1天，由3颗中继卫星、10个用户航天器的大型中继卫星应用场景，假设在任务申请阶段中共收到300个任务申请信息，任务开始前天线对准时间为360s，任务结束后天线复位时间为240s。针对以上构建的中继卫星应用场景，相关参数设置如表3所示。
表3应用场景参数设置
Figure BDA0002060795200000172
运用考虑断点续传的两阶段调度算法对上述实例进行测试，同时，在同一中继卫星调度场景下，将考虑断点续传的两阶段调度算法(TSCBT)与基于最小冲突度的启发式算法(HA-MCG)和基于任务优先级的启发式算法(HA-TP)比较。其中HA-MCG除了不考虑任务的断点续传，其余算法模块与TSCBT一致。HA-TP主要步骤如下：
Step 1：将任务按照任务优先级排序，形成任务集T；
Step 2：依次从任务集T中选取优先级最高的任务t；
Step 3：遍历任务t的可用时段资源，随机为其安排可用服务资源，并将任务t从任务集T中删除。如果
Figure BDA0002060795200000182
算法结束；否则转Step 2。
实验结果如表4所示，结果表明，基于最小冲突度的启发式算法能够短时间内获得较高质量的调度方案，仅用了0.21884s就完成了对300个任务的调度，任务完成率达到84.67％。算法整体性能较好，能够满足大部分用户的基本需求。同时，TSCBT能显著将HA-MCG和的HA-TP的任务完成率从分别从78.33％和76.00％提高到84.67％，HA-MCG能将HA-TP的任务完成率从76.00％提高到78.33％，而三种算法运行时间几乎一致。由此验证了TSCBT的有效性和采用断点续传对中继卫星任务完成率和资源利用率的增益，同时也验证了基于最小冲突度的任务可用资源选择策略能够有效提升任务完成率和降低资源损耗率。
表4三种算法性能比较
Figure BDA0002060795200000181
为了测试本发明实施例所提出的算法的性能，同时对影响算法的参数进行分析，在上文构建的同一中继卫星调度应用场景中，依次分析不同任务规模、不同用户航天器数量和不同中继卫星数量对算法的影响。根据以上分析，分三组实验进行算法测试，第一组实验将任务申请数量分别设置为200、300、400、500、600、700、800，第二组实验用户航天器数量分别设置为2、4、6、8、10、12、14，第三组实验将任务数量调整为500，中继卫星数量分别设置为2、3、4、5、6、7。随后分别运用TSCBT、HA-MCG和HA-TP对以上三组不同参数设置的调度场景进行测试。实验结果如表5～7所示。
表5不同任务规模下算法性能测试结果
Figure BDA0002060795200000191
表6不同用户航天器数量下算法性能测试结果
Figure BDA0002060795200000192
Figure BDA0002060795200000201
表7不同中继卫星数量下算法性能测试结果
Figure BDA0002060795200000202
实验结果表明，在求解中继卫星调度问题时，考虑断点续传的两阶段调度算法总是优于基于最小冲突度的启发式算法和基于任务优先级的启发式算法，考虑断点续传的中继卫星应用模式对中继卫星任务完成率和资源利用率有明显的增益。算法评价指标和运行时间随用户航天器数量的波动呈现小幅度波动，可见用户航天器数量对算法性能和调度工作影响较小。值得注意的是，三种算法的平均任务完成数量和平均任务完成率均随任务规模和中继卫星数量的增大而增大，当到达一定程度之后，任务完成数和任务完成率增长速度明显减缓。前者是因为在当前算法性能下，中继卫星天线可用资源已接近其最大利用率，后者是因为任务可用资源已接近其最大利用率，任务完成率难以实现进一步增长。同时，随着任务规模和中继卫星数量的增大，三种算法的平均任务完成数量和平均任务完成率增长速度远小于任务申请的增长速度，算法平均运行时间也随之增长，可见二者对调度工作和算法性能有较大影响。
由发明内容和实施例可知，本发明一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法，针对中继业务过程中由于任务需求的差异性导致任务完成率低和资源利用率低的问题，同时兼顾中继业务的实际情况和用户需求，改进了传统中继卫星应用模型，将中继卫星任务调度分为完整任务分配阶段和断点续传任务分配阶段，在设定任务进行断点续传的两个原则的基础上，以最大化任务完成率为目标函数，以任务需求约束、资源使用约束作为约束条件，构建了考虑断点续传的中继卫星调度模型，并设计了考虑断点续传的两阶段调度算法，该算法能在较短时间内获得较高质量的调度方案，适用于对调度时间有较高要求的中继卫星调度场景。最后对算法进行性能测试与参数分析，验证了其在任务完成率和资源利用率等方面的增益。

Claims (4)

1.一种适于断点续传的中继卫星单址天线调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取待分配任务集；
步骤2，建立天线调度的规划模型，明确目标函数和约束条件；
步骤3，采用两阶段调度算法对任务进行分配；
所述的两阶段调度算法包括完整任务分配阶段和断点续传任务分配阶段；
步骤2中，所述的目标函数为最大化任务完成率，所述的约束条件包括任务需求约束和资源使用约束；所述任务的属性包括任务优先级、可见时间窗口、可行时间窗口、服务时长和可用时段；
所述的目标函数为式1：
Figure FDA0002602408750000011
其中，R为中继卫星单址天线集合R＝{r1,r2,…,r|R|}，|R|表示中继卫星单址天线数量，T为任务集合T＝{t1,t2,…,t|T|}，|T|表示任务申请数量，Tα＝{i|i∈{i1,i2,…,in}＝ZC(t),t∈T}，表示任务集T中进行断点续传的任务集合，in为任务t的第n个子任务，任务t所属用户航天器与中继卫星单址天线r可见时间窗口集合
Figure FDA0002602408750000012
表示任务t所属用户航天器与第r条单址天线的第j个可见时间窗，xt,r,j为0-1变量，取值为1时表示任务t在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure FDA0002602408750000013
内调度成功；
Figure FDA0002602408750000014
为0-1变量，取值为1时表示任务t的第n个子任务在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure FDA0002602408750000015
内调度成功；式1表示最大化任务完成率，其中分子左侧为不需进行断点续传的任务完成数，右侧为经过断点续传的任务完成数；
所述的约束条件包括：
taskstartt,r,j≥startt·xt,r,j 式2
Figure FDA0002602408750000021
(taskstartt,r,j+stt,r,j)·xt,r,j≤endt 式4
Figure FDA0002602408750000022
stt,r,j＝normaltimet 式6
Figure FDA0002602408750000023
Figure FDA0002602408750000024
Figure FDA0002602408750000025
Figure FDA0002602408750000026
Figure FDA0002602408750000027
Figure FDA0002602408750000028
Figure FDA0002602408750000029
Figure FDA00026024087500000210
其中，任务t所属用户航天器与中继卫星单址天线的链路集合Lt＝{l1,l2,…,l|L|}，|L|表示任务t所属用户航天器与中继卫星系统中的单址链路所包含的链路数量，adjust为执行任务前中继卫星天线的对准时间，rec为任务结束后中继卫星天线的复位时间，startt为任务t可行时间窗口的最早开始时刻，endt为任务t可行时间窗口的最晚结束时刻，normaltimet为任务t的期望服务时长，
Figure FDA00026024087500000211
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗开始时刻，
Figure FDA00026024087500000212
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗结束时刻，xt,r,j为0-1变量，取值为1时表示任务t在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure FDA00026024087500000213
内调度成功，taskstartt,r,j表示任务t在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure FDA00026024087500000214
下的实际开始执行时刻，
Figure FDA00026024087500000215
表示任务t的第n个子任务在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure FDA00026024087500000216
下的实际开始执行时刻，stt,r,j表示任务t在其所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure FDA0002602408750000031
下的实际服务时长，
Figure FDA0002602408750000032
表示任务t的第n个子任务在其所属用户航天器与中继卫星单址天线r的第j个可见时间窗口
Figure FDA0002602408750000033
下的实际服务时长，Et,r表示任务t在单址天线r中实际执行的时间段；
式2至式5表示任务的可行时间窗口约束，任务的执行时段必须在其可行时间窗口内，即中继卫星执行任务时段不早于其可行时间窗口的最早开始时刻，不晚于其最晚结束时刻；式6和式7表示任务的服务时长约束，在中继业务过程中，任务的实际服务时长应等于任务的期望服务时长；式8和式9表示在两个阶段的调度过程中都不允许任务中断；式10至式13表示可见时间窗口约束，中继卫星与用户航天器的可见时间窗口的起始时刻由二者的轨道参数共同决定，任务的整个调度过程应该在中继卫星天线与用户航天器的可见时间窗口内；式14表示中继卫星单址天线能力约束，同一时刻同一中继卫星单址天线仅能执行一项任务；
步骤3中所述的两阶段调度算法包括任务资源匹配算子、生成任务可用资源集算子、计算可用时段冲突度算子、任务插空算子和任务可用资源集更新算子；所述的任务资源匹配算子根据任务提交的可行时间窗口及任务的服务时长，为任务匹配当前可用的时段资源；所述的生成任务可用资源集算子根据所述的任务资源匹配算子的匹配结果，生成当前任务的可用资源集合；所述的计算可用时段冲突度算子根据任务可用资源集，计算每个任务可用时段的冲突度，其中，冲突度是评价在同一中继卫星天线下任务可用时段资源被其他任务的可用时段侵占程度；所述的任务插空算子是选定任务的执行时段后，进行任务插空；所述的任务可用资源集更新算子是任务调度成功后，刷新任务集和任务可用资源集；
所述的任务资源匹配算子包括以下步骤：对于当前申请调度的任务t，将任务可行时间窗口(startt,endt)、任务期望服务时长normaltimet与中继卫星天线可见时间窗口
Figure FDA0002602408750000041
三者对比，当满足条件式时，可见时间窗口
Figure FDA0002602408750000042
可用，(T1,T2)为任务t的可用时段，条件式为：
Figure FDA0002602408750000043
2.根据权利要求1所述的中继卫星单址天线调度方法，其特征在于，所述的生成任务可用资源集算子中，任务资源集用一个六元组
Figure FDA0002602408750000044
表示，其中
Figure FDA0002602408750000045
表示任务t的第i段可用时段的开始时刻，
Figure FDA0002602408750000046
表示任务t的第i段可用时段的结束时刻，rt表示任务t选择使用的天线，satt表示任务t所属用户航天器，numt任务t的编号，normaltimet表示任务t的期望服务时长；
所述的计算可用时段冲突度算子中冲突度的计算方法为：除去任务t在同一天线下的其余可用时段，对同一天线下其他任务的可用时段与任务t的可用时段的交集部分进行累加；
所述的任务插空算子中包括紧前插空策略、紧后插空策略和随机插空策略。
3.根据权利要求2所述的中继卫星单址天线调度方法，其特征在于，在所述的任务可用资源集更新算子中，调度过程中任务执行时间为(T3,T4)，则根据(T3,T4)对其他用户航天器与中继卫星天线的可见时间的侵占情况刷新任务可用资源集：若
Figure FDA0002602408750000047
则任务可用时段刷新结果为
Figure FDA0002602408750000048
若
Figure FDA0002602408750000049
则任务可用时段刷新结果为
Figure FDA00026024087500000410
若
Figure FDA00026024087500000411
则任务可用时段刷新结果为
Figure FDA00026024087500000412
Figure FDA00026024087500000413
若
Figure FDA00026024087500000414
则任务可用时段刷新结果为
Figure FDA00026024087500000415
若
Figure FDA0002602408750000051
则任务可用时段刷新结果为
Figure FDA0002602408750000052
若
Figure FDA0002602408750000053
则任务可用时段刷新结果为
Figure FDA0002602408750000054
其中
Figure FDA0002602408750000055
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗开始时刻，
Figure FDA0002602408750000056
为任务t所属用户航天器与单址天线r的第j个可见时间窗结束时刻。
4.根据权利要求3所述的中继卫星单址天线调度方法，其特征在于，两阶段调度算法流程如下：
初始化
Figure FDA0002602408750000057
将任务按照任务优先级排序，生成任务集T＝{t1,t2,…,tk,…,tn}；
while j≤n
转入完整任务分配阶段，进行资源匹配，生成任务可用资源集合
Figure FDA0002602408750000058
计算TaskResource1所有可用时段
Figure FDA0002602408750000059
的冲突度
Figure FDA00026024087500000510
按
Figure FDA00026024087500000511
数值由小到大的顺序遍历
Figure FDA00026024087500000512
Figure FDA00026024087500000513
任务调度成功，刷新TaskResource1，j＝j+1；
Figure FDA00026024087500000514
Tα＝Tα∪{tj},j＝j+1；
end if
end while
for each tk∈Tα
转入断点续传任务分配阶段，进行资源匹配，生成任务可用资源集合
Figure FDA00026024087500000515
计算TaskResource2所有可用时段
Figure FDA00026024087500000516
长度
Figure FDA00026024087500000517
按
Figure FDA0002602408750000061
数值由大到小的顺序遍历
Figure FDA0002602408750000062
Figure FDA0002602408750000063
任务调度成功，刷新TaskResource2；
Figure FDA0002602408750000064
任务调度失败；
end if
end for。
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