CN111124633B - 一种考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，涉及卫星通信领域，包括以下步骤：输入所有任务信息，用户探测器信息，中继卫星可用天线资源信息；生成任务调度序列；采用任务调度算法调度每一个任务；判断该任务是否满足用户的存储约束；找到一个最早可用的时间窗口；重复上述步骤，直到所有任务都调度完成，得到最终调度方案。本发明在地月中继卫星任务调度中增加了对于用户剩余存储容量的约束，避免了忽略存储容量约束可能带来的数据和图像丢失问题。

Description

一种考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法。

背景技术

全球新一轮的月球探索正在拉开序幕，探月范围正在逐步由月球正面向背面和两极拓展，探月活动也日趋复杂。由于月球的自转周期和公转周期相同，地球地面站无法与月球背面直接通信，而借助地月中继卫星的中继通信方式可以解决这个问题，并满足面向月球的全时域、全空域覆盖的通信要求。

未来十几年随着人类对月球的探测不断深入，各国发射的月面探测器也将不断增多。地月中继卫星数据传输未来也将呈现大容量、多用户以及多任务的特点。但是地月中继卫星的资源是极其有限的，如何利用有限的地月中继卫星资源，完成更多的任务获得更好的收益将显得越来越重要，所以地月中继卫星任务调度问题是一个亟待解决的问题。

而基于近地中继卫星的任务调度研究一般考虑任务的优先级，用户卫星与中继卫星的可见时间窗口约束以及卫星天线资源的约束。这些研究对于数传任务很少考虑用户的存储限制，一般对于数传任务的要求就是在规定截止时间内传输完成，就认为任务完成。但是在现实情况下，用户由于与地月中继卫星不可见或者中继卫星资源被占用等原因，产生的数据不能马上进行传输，需要放入存储器中等待一定时间。在等待与中继卫星进行数据传输的时间内，用户也将不断产生数据，新产生的数据也将会放入存储器中，等待传输。那么如果用户的剩余存储容量不足以支撑用户的下一次任务所需存储容量，那么下一次任务数据将丢失(或者新产生的数据覆盖原来的旧数据，还未传输的旧数据丢失)。而在月球探测过程中的数据和图像是非常珍贵的，在完成任务收集到数据时，期望这些数据能尽可能多的传输到地面，尽可能减少数据的丢失量。

目前的中继卫星任务调度技术并不适用于地月中继卫星数传任务调度问题，没有考虑用户探测器的存储限制。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在中继卫星任务调度的约束上，增加用户探测器的本地存储约束，能够根据输入的任务序列求解出最终的调度结果。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，包括以下步骤：

Step1，输入所有任务信息，用户探测器信息，中继卫星的可用天线资源信息；

Step2，生成任务调度序列；

Step3，根据任务调度序列，采用任务调度算法调度每一个任务，对每一个任务执行Step4-Step6的操作；

Step4，判断该任务是否满足用户的存储约束，若是不满足，则判定任务调度失败；

Step5，若是满足，则遍历时间窗口，找到一个最早可用的时间窗口；

Step6，若是找到可用时间窗口，任务调度成功并更新中继卫星的时间窗口，若是未找到则判定任务失效；

Step7，重复上述步骤，直到所有任务都调度完成，得到最终调度方案。

进一步地，Step1中的任务信息包括：任务的开始时间，任务的截止时间，数传任务的数据量大小，任务所在的用户探测器，任务的优先级。

进一步地，Step1中的用户探测器信息包括用户探测器的剩余存储容量，用户探测器和中继卫星的可见时间窗口信息。

进一步地，Step1中的中继卫星的可用天线资源信息包括中继卫星在同一时间可用的天线数量，天线剩余的可用时间窗口。

进一步地，Step4中在安排任务i的执行时间窗口之前，遍历任务i所在用户l产生的所有数传任务，对该用户上的每个任务j(i，j∈T_l，且i≠j)，进行如下操作：

1)判断任务j开始时间是否在任务i开始之前，若是则继续下面操作；

2)判断任务j是否已经调度完成，若未调度，则跳转到步骤5)，若是调度完成则继续下面操作；

3)判断任务j是否调度失败，若调度成功则继续下面操作；

4)判断任务j的调度完成时间是否在任务i开始之前，若不是则继续下面操作；

5)从用户剩余存储中减去任务j的数据量大小；

6)判断是否对于任务i所在用户l产生的所有数传任务都进行了上述操作，若是，则最终输出对于任务i的用户剩余存储容量。

进一步地，Step5中对每一个任务的时间安排，采用贪婪的启发式规则，把每个任务安排到最早可用时间窗口。

这样安排是为了充分利用有限的卫星资源，使得任务安排更加的紧凑。这里的可用窗口要满足下列条件：(1)时间窗口是指中继卫星的剩余可用时间窗与用户和中继卫星的可见时间窗口的交集；(2)而最早可用是指选择一个能够满足任务传输的最早的时间窗口。

进一步地，采用智能搜索算法进行求解。

进一步地，智能搜索算法采用离散烟花算法。

进一步地，任务调度算法包括如下步骤：

S1，把编号的任务随机排列，生成N个初始解序列(即烟花)；

S2，利用任务调度算子，对生成的初始解序列进行计算得到各自的调度结果，并根据调度结果计算各个解的适应度；

S3，判断迭代是否可以终止，若迭代中止条件不符合，则继续迭代；若是符合迭代终止条件，则结束，并输出适应度最好的烟花。

进一步地，任务调度算子具体为：

S4，根据公式(1)(2)计算每个烟花(解序列)的爆炸产生的下一代解(即火花)的个数；

其中公式(1)中，S是烟花产生的爆炸火花个数；m是一个常量，为所有烟花产生的爆炸火花的总数；Y_max表示N个烟花中适应度最差的值；f(X)表示烟花适应度；ε是一个极小的常数；公式(2)中，a，b是0到1之间的常数，

表示对S四舍五入取整数；

S5，对每个烟花进行爆炸操作，首先选取烟花序列X中的两个节点，然后反转这两个节点和其中间部分的序列，得到新的调度序列X'，然后计算得到的新的调度序列X'的适应度f(X')，把新序列的适应度与原序列的适应度f(X)进行比较，若f(X')<f(X)，则接受这个解；若f(X')≥f(X)，则以p_a＝e^{-f(X′)/f(X)*θ}的概率接受这个解；θ是控制接受劣解的参数；

S6，选取其中一些烟花进行变异操作，对于每一个选中的烟花X，随机选取其中的两位，然后进行位置交换，若交换后的适应度f(X')<f(X)，则接受变异火花；

S7，计算所有火花的适应度；

S8，选择进入下一代的个体，返回S2。

本发明为解决地月中继卫星的任务调度问题，在考虑传统中继卫星任务约束的基础上，增加了对于用户剩余存储容量的考虑，避免了忽略存储容量约束可能带来的数据和图像丢失问题。该方法能根据任务调度的一个序列生成最终的调度结果。在实际应用中可以根据多种策略生成调度序列(例如最简单的策略：根据任务开始时间从早到晚排序)，也可以把这种方法与智能搜索算法结合，求得较好的调度结果。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的原理流程图；

图2是本发明的基于离散烟花的地月中继卫星任务调度流程图；

图3是本发明的爆炸操作示意图；

图4是本发明的地月中继卫星窗口更新示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供了一种面向地月中继卫星任务调度的方法。

如图1所示，为考虑用户探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法流程图，具体步骤如下：

Step1，输入所有任务信息，用户探测器信息，中继卫星的可用天线资源信息等；

Step2，根据不同的方法和策略生成一个任务调度序列；

Step3，根据任务调度序列，依次调度每一个任务，对每一个任务执行Step4-Step6的操作；

Step4，首先判断该任务是否满足用户的存储约束，若是不满足，则判定任务调度失败；

Step5，若是满足则遍历时间窗口，找到一个最早可用的时间窗口；

Step6，若是找到可用时间窗口，任务调度成功并更新中继卫星的时间窗口，若是未找到则判定任务失效；

Step7，不断重复上述步骤，直到所有任务都调度完成，得到最终调度方案。

其中，Step1中的任务信息包括：任务的开始时间，任务的截止时间，数传任务的数据量大小，任务所在的用户探测器，任务的优先级等。用户探测器信息这里是指用户探测器的剩余存储容量，以及用户探测器和中继卫星的可见时间窗口信息。中继卫星的可用天线资源信息是指中继卫星在同一时间可用的天线数量，天线剩余的可用时间窗口。

其中，Step4中用户的剩余存储容量对于每个任务是会不一样的，所以在安排任务所以在安排任务i的执行时间窗口之前，应该遍历任务i所在用户l产生的所有数传任务。对该用户上的每个任务j(i,j∈T_l，且i≠j)，都应进行如下操作：

1)判断任务j开始时间是否在任务i开始之前，若是则继续下面操作。

2)判断任务j是否已经调度完成，若未调度，则跳转到步骤5)。若是调度完成则继续下面操作。

3)判断任务j是否调度失败，若调度成功则继续下面操作。

4)判断任务j的调度完成时间是否在任务i开始之前，若不是则继续下面操作。

5)从用户剩余存储中减去任务j的数据量大小。

6)判断是否对于任务i所在用户l产生的所有数传任务都进行了上述操作，若是，则最终输出对于任务i的用户剩余存储容量。

其中，Step5中对每一个任务的时间安排，是采用贪婪的启发式规则，把每个任务安排到最早可用时间窗口，这样安排是为了充分利用有限的卫星资源，使得任务安排更加的紧凑。这里的可用窗口要满足下列条件：(1)时间窗口是指中继卫星的剩余可用时间窗与用户和中继卫星的可见时间窗口的交集；(2)而最早可用是指选择一个能够满足任务传输的最早的时间窗口。

该方法能与智能搜索算法结合，本实施例中采用离散烟花算法进行求解。

如图2所示，其算法的流程图包括以下步骤：

Step1，输入所有任务信息，用户探测器信息，中继卫星的可用天线资源信息等。任务信息具体包括任务的最早开始时间、任务的最晚结束时间，任务的数据量大小，任务所属探测器。按照整数编码，从1到n为每个任务进行编码。用户探测器的信息是用户的可用存储容量和用户与中继卫星的可见时间窗口。中继卫星的可用天线资源，是用户的天线数量以及每根天线可以接入的时间窗口。

Step2，把编号的任务随机排列，每一个排列就是一个解序列。生成N个初始解序列(即烟花)；

Step3，利用任务调度算子，对生成的初始解序列进行计算得到各自的调度结果，并根据调度结果计算各个解的适应度；

Step4，判断迭代是否可以终止，若迭代中止条件不符合，则继续进行下面操作。若是符合迭代终止条件，则结束，并输出适应度最好的烟花；

Step5，根据公式(1)(2)计算每个烟花(解序列)的爆炸产生的下一代解(即火花)的个数；

上述公式(1)中，S是烟花产生的爆炸火花个数；m是一个常量代表，表示所有烟花产生的爆炸火花的总数；Y_max表示N个烟花中适应度最差的值；f(X)表示烟花适应度；ε是一个极小的常数，在这个公式中的作用是为了防止分母为零。公式(2)是为了防止产生的爆炸火花过多或者过少，a,b是0到1之间的常数，[S]表示对S四舍五入取整数。

Step6，对每个烟花进行爆炸操作，首先选取烟花序列X中的两个节点，然后反转这两个节点和其中间部分的序列，得到新的调度序列X′。其具体操作示意图如图3所示。

然后计算得到的新的调度序列X′的适应度f(X′)，把新序列的适应度与原序列的适应度f(X)进行比较，若f(X′)<f(X),则接受这个解；若f(X′)≥f(X)，则我们以p_a＝e^{-f(X′)/f(X)*θ}的概率接受这个解，即如果u<p_a，则选择接受这个解，反之则保留原解。其中，θ是控制接受劣解的参数。根据概率的定义可知，f(X′)与f(X)越相近，θ越小，接受劣解的概率越大。

Step7，选取其中一些烟花进行变异操作，对于每一个选中的烟花X，随机选取其中的两位，然后进行位置交换，若交换后的适应度f(X′)<f(X)，则接受变异火花。

Step8，根据任务调度算子计算所有火花的适应度；

Step9，根据选择算子，选择进入下一代的个体。返回Step3。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1，输入所有任务信息，用户探测器信息，中继卫星的可用天线资源信息；

Step2，生成任务调度序列；

Step3，根据任务调度序列，采用任务调度算法调度每一个任务，对每一个任务执行Step4-Step6的操作；

Step4，判断该任务是否满足用户的存储约束，若是不满足，则判定任务调度失败；

Step5，若是满足，则遍历时间窗口，找到一个最早可用的时间窗口；

Step6，若是找到可用时间窗口，任务调度成功并更新中继卫星的时间窗口，若是未找到则判定任务失效；

Step7，重复上述步骤，直到所有任务都调度完成，得到最终调度方案；

其中，

所述任务调度算法包括如下步骤：

S1，把编号的任务随机排列，生成N个初始解序列即烟花；

S2，利用任务调度算子，对生成的初始解序列进行计算得到各自的调度结果，并根据调度结果计算各个解的适应度；

S3，判断迭代是否可以终止，若迭代中止条件不符合，则继续迭代；若是符合迭代终止条件，则结束，并输出适应度最好的烟花；

所述任务调度算子具体为：

S4，根据公式(1)(2)计算每个烟花即解序列的爆炸产生的下一代解即火花的个数；

其中公式(1)中，S是烟花产生的爆炸火花个数；m是一个常量，为所有烟花产生的爆炸火花的总数；Y_max表示N个烟花中适应度最差的值；f(X)表示烟花适应度；ε是一个常数；公式(2)中，a，b是0到1之间的常数，

表示对S四舍五入取整数；

S5，对每个烟花进行爆炸操作，首先选取烟花序列X中的两个节点，然后反转这两个节点和其中间部分的序列，得到新的调度序列X'，然后计算得到的新的调度序列X'的适应度f(X')，把新序列的适应度与原序列的适应度f(X)进行比较，若f(X')<f(X)，则接受这个解；若f(X')≥f(X)，则以p_a＝e^{-f(X′)f(X)*θ}的概率接受这个解；θ是控制接受劣解的参数；

S6，选取其中一些烟花进行变异操作，对于每一个选中的烟花X，随机选取其中的两位，然后进行位置交换，若交换后的适应度f(X')<f(X)，则接受变异火花；

S7，计算所有火花的适应度；

S8，选择进入下一代的个体，返回S2。

2.如权利要求1所述的考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，所述Step1中的所述任务信息包括：任务的开始时间，任务的截止时间，数传任务的数据量大小，任务所在的用户探测器，任务的优先级。

3.如权利要求1所述的考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，所述Step1中的所述用户探测器信息包括用户探测器的剩余存储容量，用户探测器和中继卫星的可见时间窗口信息。

4.如权利要求1所述的考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，所述Step1中的所述中继卫星的可用天线资源信息包括中继卫星在同一时间可用的天线数量，天线剩余的可用时间窗口。

5.如权利要求1所述的考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，所述Step4中在安排任务i的执行时间窗口之前，遍历任务i所在用户l产生的所有数传任务，对该用户上的每个任务j(i，j∈T_l，且i≠j)，进行如下操作：

1)判断任务j开始时间是否在任务i开始之前，若是则继续下面操作；

2)判断任务j是否已经调度完成，若未调度，则跳转到步骤5)，若是调度完成则继续下面操作；

3)判断任务j是否调度失败，若调度成功则继续下面操作；

4)判断任务j的调度完成时间是否在任务i开始之前，若不是则继续下面操作；

5)从用户剩余存储中减去任务j的数据量大小；

6)判断是否对于任务i所在用户l产生的所有数传任务都进行了上述操作，若是，则最终输出对于任务i的用户剩余存储容量。

6.如权利要求1所述的考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，所述Step5中对每一个任务的时间安排，采用贪婪的启发式规则，把每个任务安排到最早可用时间窗口。

7.如权利要求1所述的考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，采用智能搜索算法进行求解。

8.如权利要求7所述的考虑探测器存储限制的地月中继卫星任务调度方法，其特征在于，所述智能搜索算法采用离散烟花算法。

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