CN111162831A - 地面站资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面站资源调度方法，该方法包括：获取多个卫星的任务信息，任务信息为多个卫星至多个地面站的待处理数据；根据任务信息确定接力任务，接力任务为覆盖多个地面站接收区域的待接收任务；对接力任务进行优化以确定调度规则；根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作。本发明针对卫星地面站测控与接收一体化业务，研究了地面站资源调度模型和求解算法。考虑了多卫星、多地面站情况下的任务时间约束、任务优先级、资源使用偏好等，建立了基于连续时间的混合整数线性规划模型，实现了合理调度优化地面站资源完成测控和数据接收任务，提高了地面站对卫星数据接收和处理的服务能力。

Description

地面站资源调度方法

技术领域

本发明涉及地面站数据处理技术领域，具体涉及一种针对多星多站、测控与接收一体化业务的地面站资源调度方法。

背景技术

卫星与地面站的数据交互任务分为测控任务和数据接收两类任务。其中，测控任务包括遥控任务、遥测任务、测量任务等。随着近年航天事业蓬勃发展，卫星任务数量剧增，地面站资源使用冲突日益明显。卫星与地面站的数据交互任务数量多、约束条件复杂，导致模型规模大、变量多、求解困难。由于地面站资源建设投入大、相对固定，合理调度优化地面站资源完成测控和数据接收任务，对提高地面站服务能力、指导地面站建设决策具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决因卫星任务数量剧增、地面站资源相对有限、使用压力增大的矛盾，针对卫星地面站测控与接收一体化业务，本发明提出了一种针对多星多站、测控与接收一体化业务的地面站资源调度方法。

(二)技术方案

本发明的一个方面公开了一种地面站资源调度方法，包括：获取多个卫星的任务信息，任务信息为多个卫星至多个地面站的待处理数据；根据任务信息确定接力任务，接力任务为覆盖多个地面站接收区域的待接收任务；对接力任务进行优化以确定调度规则；根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作。

可选地，根据任务信息确定接力任务，包括：获取多个地面站的资源信息，资源信息为多个地面站用于实现对任务信息进行调度的资源数据；根据资源信息和任务信息之间的约束，对任务信息进行分类集合以获取多个接力任务。

可选地，根据资源信息和任务信息之间的约束，对任务信息进行分类集合以获取多个接力任务，包括：根据卫星与地面站之间的使用约束作为资源信息和任务信息之间的约束，对任务信息进行分类集合；根据任务时间获取分类集合中的接力任务。

可选地，对接力任务进行优化以确定调度规则，包括：根据离散粒子群算法对接力任务的接收资源进行优化，确定接力任务的接收地面站和接收任务集；根据接收地面站以及接收任务集的接收时间确定各个地面站的优化任务集；对优化任务集中的任务进行资源优化确定调度规则。

可选地，根据离散粒子群算法(Discrete particle swarm optimization，DPSO)对接力任务的接收资源进行优化，包括：基于接力优化原则对接力任务的接收资源进行优化，其中，接力优化原则包括：当采用同一天线接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间，以及当两个或两个以上的地面站接力接收接力任务时，地面站保证一定的重叠时间，重叠时间为多个地面站同时执行接收接力任务的时段。

可选地，对接力任务进行优化以确定调度规则，还包括：根据任务时间对优化任务集中的任务进行分组以确定优化任务组，根据启发式规则确定优化任务组的复杂度，根据复杂度确定调度规则。

可选地，根据启发式规则确定优化任务组的复杂度，还包括：对优化任务组中的各个任务所对应的资源求并集，当并集大于优化任务组的任务数量时，优化任务组复杂度为简单；当并集小于优化任务组的任务数量时，优化任务组复杂度为困难。

可选地，根据复杂度确定调度规则，还包括：当复杂度为简单时，调度规则为基于启发式规则的天线资源分配方法或记录器资源分配方法；或当复杂度为困难时，调度规则为基于线性规划模型的天线资源分配方法或记录器资源分配方法。

可选地，根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作，包括：利用启发式规则的天线资源分配方法基于第一调度原则完成任务接收调度操作，其中，第一调度原则为：天线按照任务的优先级顺序分配；当采用同一天线接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间；同一任务的主接和备份记录器对应同一地面站的天线；以及同一时段同一卫星的上下行任务对应同一天线进行接收。

可选地，根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作，包括：利用启发式规则的记录器资源分配方法基于第二调度原则完成任务接收调度操作，其中，第二调度原则为：记录器按照任务的优先级顺序分配；当采用同一记录器接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间；在任务接收调度操作过程中，记录器的使用通道数量小于等于其逻辑记录器数量；同一任务的主接和备份记录器对应同一地面站的记录器；同一任务所接收的记录器和天线应属于同一地面站的资源；以及通过记录器只记录数传任务。

可选地，根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作，包括：根据卫星任务的时间连续性建立基于连续时间表示的混合整数线性规划模型；根据混合整数线性规划模型确定调度规则的约束条件，约束条件包括：时间约束、天线分配约束、记录器约束以及资源相关性约束。

(三)有益效果

本发明公开了一种地面站资源调度方法，首先将所有任务集合按执行时间分为多个子集，对各个子集分别进行资源调度，将整体问题分解为多个子问题，减小了问题规模。对各个子集进行预处理，将测控和数传任务分组，将同时进行的不同类型任务分为一组。对预处理后的各个子问题进行优化时，首先采用离散粒子群(DPSO)算法优化多站“接力”任务。其次评估子问题的复杂程度，根据该子问题复杂度高低采取不同的求解策略。对于复杂程度低的子问题，利用启发式方法求解；对于复杂程度高的子问题，即启发式方法难以取得满意解，建立基于连续时间的线性规划模型并求解。

因此，本发明针对卫星地面站测控与接收一体化业务，研究了地面站资源调度模型和求解算法。考虑了多卫星、多地面站情况下的任务时间约束、任务优先级、资源使用偏好等，建立了基于连续时间的混合整数线性规划模型，设计了离散粒子群算法(DPSO)、启发式算法和对偶单纯形法结合的混合求解算法，提高了求解效率。利用DPSO优化“接力”任务，然后将任务集按接收时间划分，分析各子集的资源调度复杂程度，针对不同复杂度的子集分别使用启发式算法和对偶单纯形法求解。实现了合理调度优化地面站资源完成测控和数据接收任务，提高了地面站对卫星数据接收和处理的服务能力。

附图说明

图1是本发明一实施例中多星-多站资源调度的组成示意图；

图2是本发明一实施例中地面站资源调度方法的一流程图；

图3是本发明一实施例中地面站资源调度方法的另一流程图；

图4是本发明一实施例中对接力任务的接收资源的优化流程图；

图5是本发明一实施例中基于启发式规则的天线资源分配方法的流程图；

图6是本发明一实施例中基于启发式规则的记录器资源分配方法的流程图。

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。

本发明主要公开了一种地面站资源调度方法，主要针对的是多星多站、测控与接收一体化业务的地面站资源调度。在本发明中，多个卫星所获取的数据需要传输到地面站进行处理，同时地面站需要发送和接收卫星测控数据。此时所谓地面站可以是包括多个地面站组成的接收资源系统，按照调度方案分配资源执行任务。如图1所示，多个卫星可以至少包括图中的w1、w2、w3、w4四个卫星，四个卫星待处理的任务信息直接传输至多个地面站进行处理，多个地面站可以至少包括图1中d1、d2、d3、d4、d5五个地面站，由于多个地面站之间的间距较远，多个卫星之间的运行轨道、通过某个地面站接收区域的时间差异等限制，造成各个地面站接收各个卫星的任务信息有所差别，同时各地面站资源性能有所差别，可接收的卫星有差别，还要考虑地面站系统的具体资源信息，进行相应的调度安排。

本发明的一个方面公开了一种地面站资源调度方法，作为本发明一实施例，如图2所示，该方法至少包括：

S210、获取多个卫星的任务信息，任务信息为多个卫星至多个地面站的待处理数据，该待处理数据可以是多个卫星与多个地面站之间交互的数据，具体可以包括：卫星名、地面站、数据接收开始时间、数据接收结束时间、轨道号、条带号、任务编号、任务优先级、任务类型、接收数据通道、接收任务作业方式、接收数据各通道码速率、是否主接收任务、任务分组号、是否需要备份接收任务、卫星进出站时间、测控和测量时间、测控和测量频段等。

基于上述方法，即将所有任务信息中的任务集合可以按执行时间分为多个子任务集，对各个子任务集分别进行资源调度，将整体问题分解为多个子问题，减小了问题规模，一定程度上相当于通过任务集分解减小了计算量。

S220、根据任务信息确定接力任务，接力任务为覆盖多个地面站接收区域的待接收任务；作为本发明一实施例，根据资源信息和任务信息之间的约束，对任务信息进行分类集合以获取多个接力任务，包括：根据卫星与地面站之间的使用约束作为资源信息和任务信息之间的约束，对任务信息进行分类集合；根据任务时间获取分类集合中的接力任务。

对任务信息中各个子任务集甚至各个任务进行预处理，该预处理可以是根据任务开始时间按先后顺序排序，按卫星名称分组。根据任务时间判断各卫星是否存在“接力”接收任务，即接力任务。“接力”任务是指跨多个地面站接收区域的任务，可由多地面站协同接收。由于地面站接收区域有重叠，需要决策在重叠区域使用的接收资源。

S230、对接力任务进行优化以确定调度规则；“接力”任务涉及多个地面站对任务的可视时段存在重叠。为了节约资源，可根据各站任务情况进行优化，使重叠时段只有一个地面站资源进行数据接收。对接力任务的的优化，可用于选择不同地面站接收方案中最优的一个，即保证地面站之间的接收冲突最小，资源利用率最高。因此，在对接力任务进行优化之前，需要对接力任务进行一定的预处理，预处理后的各个子问题进行优化时，可选采用离散粒子群(DPSO)算法优化多站“接力”任务。

S240、根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作。在获得明确的调度规则之后，则可以根据相应的调度规则，对多个地面站接收任务进行合理的调度分配，使得其对多个卫星的任务完成接收调度操作。调度规则可以是对任务信息的接收地面站资源的确认，还可以是对任务信息的确认，也可以是对任务信息的对应接收地面站和接收时间、作业方式信息的双向确认，其定义了地面站资源和/或接收时间、作业方式的调度安排，可以包括对该调度安排所采用的各种计算方法。

本发明公开了一种地面站资源调度方法，首先将所有任务集合按执行时间分为多个子集，对各个子集分别进行资源调度，将整体问题分解为多个子问题，减小了问题规模。对各个子集进行预处理，将测控和数传任务分组，将同时进行的不同类型任务分为一组。对预处理后的各个子问题进行优化时，首先采用离散粒子群(DPSO)算法优化多站“接力”任务。其次评估子问题的复杂程度，根据该子问题复杂度高低采取不同的求解策略。对于复杂程度低的子问题，利用启发式方法求解；对于复杂程度高的子问题，即启发式方法难以取得满意解，建立线性规划模型并求解。

作为本发明一实施例，根据任务信息确定接力任务，包括：获取多个地面站的资源信息，资源信息为多个地面站用于实现对任务信息进行调度的资源数据，该资源数据具体可以包括：地面站名称、各站天线资源、记录器资源等，可以用于反映地面站对卫星任务信息的接收能力。

根据资源信息和任务信息之间的约束，对任务信息进行分类集合以获取多个接力任务。此处的约束是指卫星与地面站资源的使用约束，每个对应于卫星至地面站的任务都需要计算其对应的地面站的资源约束，具体包括资源是否可用、以及使用优先级等。同时，根据任务时间计算该任务时段是否可使用该资源。具体而言，该使用约束反映了卫星至地面站的任务量和地面站对卫星任务信息的接收能力之间的平衡。在完成对任务信息中各个子任务集的预处理后，将测控和数传任务分组，将同时执行的不同类型任务分为一组。

作为本发明一实施例，对接力任务进行优化以确定调度规则，包括：根据离散粒子群算法对接力任务的接收资源进行优化，确定接力任务的接收地面站和接收任务集；根据接收地面站以及接收任务集的接收时间确定各个地面站的优化任务集；对优化任务集中的任务进行资源优化确定调度规则。

为进一步更加清楚地反映本发明实施例中的相关内容，本发明特举如下实施例，如图3所示，对本发明的主要内容进行解释，本领域技术人员应当理解，以下实施例，仅为对本发明的解释和说明，并非是针对本发明保护范围的限制。

S310：获取任务信息。包括卫星名、地面站、数据接收开始时间、数据接收结束时间、轨道号、条带号、任务编号、任务优先级、任务类型、接收数据通道、接收任务作业方式、接收数据各通道码速率、是否主接收任务、任务分组号、是否需要备份接收任务、卫星进出站时间、测控和测量时间、测控和测量频段等。

S320：获取资源信息。包括地面站名称、各站天线资源、记录器资源等。通过卫星与地面站资源的使用约束，计算各个任务的资源约束：包括资源是否可用、以及使用优先级等。同时，根据任务时间计算该任务时段是否可使用该资源。

S330：预处理：根据任务开始时间按先后顺序排序，按卫星名称分组。根据任务时间判断各卫星是否存在“接力”接收任务，即接力任务。“接力”任务是指跨多个地面站接收区域的任务，可由多地面站协同接收。由于地面站接收区域有重叠，需要决策在重叠区域使用的接收资源。

S340：优化“接力”接收任务。利用DPSO优化“接力”任务的接收资源。确定接收任务的接收地面站。优化后的任务集记为S。

S350：将S中的任务排序，按接收地面站分组，得到各地面站st的任务集S(st)。地面站集合记为STA。

S360：st＝0。

S370：对S(st)中的任务进行资源优化。

S371：将任务按任务时间进行分组，分组原则为各组内任务存在资源共用限制，各组间任务不存在资源使用限制。分组后的各任务组按组号i记为Sg(i)。

S372：i＝0。

S373：启发式规则初步评估Sg(i)的复杂度，即可用资源对Sg(i)中任务是否充足。评估方法是将Sg(i)中任务可用资源求并集N，若集合大小[N]大于任务数量，则认为资源充足，转S374和S375；否，转S376。

S374：调用基于启发式规则的天线资源分配方法。若算法输出为“资源不足”，认为启发式规则的天线资源分配方法无效，转S376。否则，认为分配方法有效，转S377。

S375：调用基于启发式规则的记录器资源分配方法。若算法输出为“资源不足”，认为启发式规则的记录器资源分配方法无效，转S376。否则，认为分配方法有效，转S377。

S376：调用基于线性规划模型的资源分配方法，包括天线资源和记录器资源。转S380。

S377：若i<[S(st)]，转S378。否则，转S380。

S378：i＝i+1。

S380：若st<[STA]，st＝st+1，输出计算结果。否则，转S390。

S390：输出计算结果。

作为本发明一实施例，根据离散粒子群算法对接力任务的接收资源进行优化，包括：基于接力优化原则对接力任务的接收资源进行优化，其中，接力优化原则包括：当采用同一天线接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间，以及当两个或两个以上的地面站接力接收接力任务时，地面站保证一定的重叠时间，重叠时间为多个地面站同时执行接收接力任务的时段。

具体地，作为本发明一实施例，“接力”任务涉及多个地面站对任务的可视时段存在重叠。为了节约资源，可根据各站任务接收情况和资源信息情况进行优化，确保使重叠时段只有一个地面站资源进行数据接收。DPSO算法的优化可用于选择不同的多个地面站中给予接收方案中最优的一个，即保证任务量和接收资源能力的冲突最小，资源利用率最高。

为进一步保证资源利用率高效，需要对接力任务的接收资源基于接力优化原则进行优化。可选地，该接力优化原则为：(1)两任务不能同时使用一个天线；(2)两任务使用同一天线，需要有一定的转换时间(如4.5min间隔)；(3)两地面站进行“接力”接收，需保证一定的重叠时间，即两地面站同时执行接收任务的时段。

具体地，基于上述接力优化原则对接力任务的接收资源根据离散粒子群算法进行优化，可参考如图4所示的步骤如下：

S410：初始化参数，包括惯性因子w，加速常数c1和c2，种群规模，粒子i的初始位置x_i和速度v_i。进化代数，收敛精度等。

S420：初始化种群。获取各任务的可选天线集合A_i。种群中各粒子位置x_i为[0,1]之间的小数，x_i*[A_i]的值取整表示任务的使用天线在A_i中的序号。由此可解码获取天线调度结果。

S430：计算各粒子适应值，即天线使用冲突的任务数量。

S440：找出个体和群体最优值以及最优位置。

S450：利用更新公式更新各粒子的位置和速度。如果更新后的粒子位置值大于1或小于0，采用高斯函数将其转化为[0,1]范围内的数。

S460：判断是否满足终止条件。是，转S470：否，转S430。

S470：结束。

作为本发明一实施例，对接力任务进行优化以确定调度规则，还包括：根据任务时间对优化任务集中的任务进行分组以确定优化任务组，根据启发式规则确定优化任务组的复杂度，根据复杂度确定调度规则。

作为本发明一实施例，根据启发式规则确定优化任务组的复杂度，还包括：对优化任务组中的各个任务所对应的资源求并集，当并集大于优化任务组的任务数量时，优化任务组复杂度为简单；当并集小于的任务数量时，优化任务组复杂度为困难。

具体地，可以参考图3中步骤S373：启发式规则初步评估Sg(i)的复杂度，即可用资源对Sg(i)中任务是否充足。评估方法是将Sg(i)中任务可用资源求并集N，若集合大小[N]大于任务数量，则认为资源充足，转S374或S375；否，转S376。此处所谓资源充足，可以理解为复杂度为简单复杂度，资源不充足可以理解为复杂度为困难复杂度。

作为本发明一实施例，根据复杂度确定调度规则，还包括：当复杂度为简单复杂度时，调度规则为基于启发式规则的天线资源分配方法或记录器资源分配方法；或当复杂度为困难复杂度时，调度规则为基于线性规划模型的天线资源分配方法或记录器资源分配方法。

具体地，可以参考图3中步骤S374-S376：步骤S374：调用基于启发式规则的天线资源分配方法。若算法输出为“资源不足”，即输出调度复杂度高，认为启发式规则的天线资源分配方法无效，转S376。否则，即为简单复杂度，认为分配方法有效，转S377。步骤S375：调用基于启发式规则的记录器资源分配方法。若算法输出为“资源不足”，即输出复杂库难度，认为启发式规则的记录器资源分配方法无效，转S376。否则，即为简单复杂度，认为分配方法有效，转S377。步骤S376：调用基于线性规划模型的资源分配方法，包括天线资源和记录器资源，当复杂度为困难复杂度时，需要依据基于线性规划模型的天线资源资源分配方法、和基于线性规划模型的记录器资源分配方法进行调度安排。转S380。

作为本发明一实施例，根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作，包括：利用启发式规则的天线资源分配方法基于第一调度原则完成任务接收调度操作，其中，第一调度原则为：天线按照任务的优先级顺序分配；当采用同一天线接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间；同一任务的主接和备份记录器对应同一地面站的天线；以及同一时段同一卫星的上下行任务对应同一天线进行接收。

具体地，在本发明实施例中，利用启发式规则调度天线资源，完成任务接收，需要按照第一调度原则进行，该第一调度原则具体可选为：(1)按任务优先级顺序为其分配天线；(2)两任务不能同时使用一个天线；(3)两任务使用同一天线，需要有一定的转换时间(如4.5min间隔)；(4)主接和备份记录器应为同一站管的天线；(5)同一时段同一卫星的上下行任务使用同一天线。

具体地，利用启发式规则的天线资源分配方法基于第一调度原则完成任务接收调度操作，可以参考如图5所示流程步骤如下：

S501：获取需调度任务：根据各类任务对天线资源的需求可将任务分为三类：数据接收任务、指令上行和/或遥测接收任务、同时完成前两类工作的任务。对于第一类任务来说，主接收任务(主接任务)需要天线资源；对于备份任务，分为“只备份记录器”和“备份天线和记录器”两种情况。“备份天线和记录器”任务需要天线资源和记录器资源；“只备份记录器”任务可与主接任务共用天线资源，只需要另外分配记录器资源。对于第二类任务，同一天线资源可同时完成同一卫星的指令上行、遥测数据接收等任务，即指令上行和遥测数据接收任务可共用同一天线资源。对于第三类任务，同一天线资源可同时完成同一卫星的指令上行、遥测数据接收、下行数据接收等任务。因为这一步只考虑任务对天线资源的使用，因此将对于三类任务中可共用天线资源的任务合并，将原始任务So集转换为需调度任务集S_a，即S_a中各个任务均需要天线资源。

S502：获取S_a中各个任务的可用天线和任务权重；

S503：获取S_a中各个任务使用天线的站管。

S504：对S_a中的任务按优先级由高到低排序。

S505：i＝0，获取任务i的可用天线资源A(i)，并按使用优先级排序。选取其中优先级最高的资源Ant分配给任务i。将任务i加入已分配资源的任务组ArrangedT中。将Ant加入已使用的资源组UsedA中。

S506：i＝i+1。

S507：判断当前任务i是否与ArrangedT中任务jobID编号相同(即互为主备关系)。若存在jobID相同的任务，获取其使用天线站管Stm。筛选A(i)中站管号为Stm的资源，作为任务i的可用天线资源，资源的集合记为AG(i)。

S508：j＝0。

S509：判断AG(i)中资源j是否在UsedA中。若资源j在UsedA中，说明资源j已经被ArrangedT中任务占用，转S510。若资源j不在UsedR中，转S506：。

S510：判断任务i与i'时间间隔是否大于切换时间。是，转S513。否，转S511。

S511：若j<[RG(i)]，j＝j+1，转S509。否则，转S506。

S512：将资源j分配给任务i。将资源j加入UsedR中。将任务i加入已分配资源的任务组ArrangedT中。若i<[S_a]，转S506。否则，转S513。

S513：终止。若[ArrangedT]＝[S_a]，表示S_a中各任务已分配天线资源。获取So中各任务的天线资源。

作为本发明一实施例，根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作，包括：利用启发式规则的记录器资源分配方法基于第二调度原则完成任务接收调度操作，其中，第二调度原则为：记录器按照任务的优先级顺序分配；当采用同一记录器接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间；在任务接收调度操作过程中，记录器的使用通道数量小于等于其逻辑记录器数量；同一任务的主接和备份记录器对应同一地面站的记录器；同一任务所接收的记录器和天线应属于同一地面站的资源；以及通过记录器只记录数传任务。

当复杂度为简单复杂度，对应的为天线资源充足，第四部分的天线资源调度算法为所有需要天线资源的任务分配了相应资源时，调用本算法调度记录器资源，完成任务接收。其中，该第二调度原则可选为：(1)按任务优先级顺序为其分配记录器；(2)不考虑两任务同时使用一个记录器的情况，即每个任务各占用一个记录器；(3)两任务使用同一记录器，需要有一定的转换时间(如4.5min间隔)；(4)记录器使用通道数量不能超过其逻辑记录器数量；(5)主接和备份记录器应为同一组记录器。为了便于站内操作，对于互为主备的任务，应站内记录设备分组，使用同一组记录器；(6)同一任务使用的记录器和天线应为同一个站管的资源。其中，“站管”是为了区分位置相同的不同地面站。即两站管接收区域相同，设备资源分开管理；(7)上行任务不需要记录器，数传任务(包括主接和备份任务)需要使用记录器。

具体地，利用启发式规则的记录器资源分配方法基于第二调度原则完成任务接收调度操作，可参考如图6所示的算法步骤如下：

S601：获取需调度任务：对任务组So中所有任务分类，将数传任务与上行任务分开。记录器分配只需考虑数传任务组S_r；

S602：获取S_r中各个任务的可用记录器、任务权重、数据通道数量；

S603：获取S_r中各个任务使用天线的站管。对于备份任务，分为“只备份记录器”和“备份天线和记录器”两种情况。前者不需要天线资源，可读取相应的主接任务的站管。

S604：对S_r中的任务按优先级由高到低排序。

S605：i＝0，获取任务i的可用记录器资源R(i)，并按使用优先级排序。选取其中优先级最高的资源Rec分配给任务i。将任务i加入已分配资源的任务组ArrangedT中。将Rec加入已使用的资源组UsedR中。

S606：i＝i+1。

S607：判断当前任务i是否与ArrangedT中任务jobID编号相同(即互为主备关系)。若存在jobID相同的任务，获取其所使用记录器组号g。筛选R(i)中组号为g的资源，作为任务i的可用记录器资源，资源的集合记为RS(i)。获取任务i'所使用天线a。筛选RS(i)中与a属于同一站管的记录器资源，资源的集合记为RG(i)。

S608：j＝0。

S609：判断RG(i)中资源j是否在UsedR中。若资源j在UsedR中，说明资源j已经被ArrangedT中任务占用，转S610。若资源j不在UsedR中，转S606。

S610：判断任务i与i'时间间隔是否大于切换时间。是，转S613。否，转S611。

S611：若考虑(2)，转S613；否则，判断任务i与i'数据通道数量是否小于记录器j逻辑记录器数量。转S612。否，转S613。

S612：若j<[RG(i)]，j＝j+1。转S609。否则，转S606。

S613：将资源j分配给任务i。将资源j加入UsedR中。将任务i加入已分配资源的任务组ArrangedT中。若i<[S_r]，转S606。否则，转S614。

S614：终止。若[ArrangedT]＝[S_r]，表示S_r中各任务已分配记录器资源。获取So中各任务的天线资源。

当所有需要记录器资源的任务都完成了记录器的分配，即[ArrangedT]＝[S_r]，则该上述步骤算法的结果才可以应用于调度操作中。

作为本发明一实施例，根据调度规则完成多个地面站对应多个卫星的任务接收调度操作，包括：根据卫星任务的时间连续性建立基于连续时间表示的混合整数线性规划模型；根据混合整数线性规划模型确定调度规则的约束条件，约束条件包括：时间约束、天线分配约束、记录器约束以及资源相关性约束。

在本发明的实施例中，由于卫星任务的时间连续性，采用基于连续时间的时间表示。建立了基于连续时间表示的混合整数线性规划模型。其中，该线性规划模型可以以目标函数进行表达，该目标函数的表达需要考虑资源调度的最大化收益的目标，主要包括4个因素：(1)天线的适用程度，即是否使用该任务对应的优先级高的天线；(2)记录器的适用程度，即是否使用该任务对应的优先级高的记录器；(3)任务完整接收程度和未接收时长；(4)是否存在多个任务在同一时间共用记录器。操作人员通常避免在同一台记录器上同时安排多个任务，以减少接收的风险。

具体地，与该目标函数相关的收益可以如公式(1)所示：

其中，右侧的第二项和第三项表示使用不同优先级天线和记录器的加权值。参数

和

表示使用天线j和记录器k接收任务i的权值。第四项表示记录器负载不平衡的惩罚。变量P_i表示在同一时间段与其他任务共用记录器时，任务i与其他任务的重叠时间长度。如果有空闲的记录器，则应该避免同一个记录器接收多个任务造成的负载不均衡。参数W_i ⁴是记录器共用的单位时间惩罚值的权值。

根据混合整数线性规划模型确定调度规则的约束条件，约束条件包括：时间约束、天线分配约束、记录器约束以及资源相关性约束。具体地，该约束条件中的时间约束满足如下条件(参见公式(2)-公式(7))：

数据接收时间在时间窗口内：

数据接收时间大于下限t_min：

对多地面站可见任务，需要考虑地面站设备的切换时间τ。

其中X_i，i′是0-1变量，值为1时表示任务i的开始时间在任务i′之前(b_i′＞b_i)。

另一方面，具体地，该约束条件中的天线分配约束满足如下条件(参见公式(8)-公式(12))：

其中X_i，i′是0-1变量，值为1时表示任务i的开始时间在任务i′之前(b_i′＞b_i)，ε是一个极小的正数。

对于任务i，分配的天线数小于1：

天线切换需要一定时间，如果两任务不能共用同一天线，当天线j连续服务任务i和任务i′时，需要切换时间τ。

另一方面，具体地，该约束条件中的记录器约束满足如下条件(参见公式(13)-公式(23))：

对任务i，分配的记录器数量不大于1：

每个记录器有多个通道，对应多个逻辑记录器。每个逻辑记录器可以处理一个通道的任务数据，因此每个记录器可以同时服务于多个任务。对于每个任务，需要的逻辑记录器数目由任务的通道数决定：

其中G_i，l是0-1变量，G_i，l＝1表示逻辑记录器l服务于任务i；参数e_l，k表示逻辑记录器l与记录器k之间的关联，e_l，k＝1表示逻辑记录器l属于记录器k；参数n_i表示任务i的通道数。

逻辑记录器接收任务i和任务i′需要一个转换时间

如果任务i和任务i′由同一个记录器k接收，则变量P_i表示两个任务的重叠时间长度。在图3中，P_i等于任务结束时间i(这里是t2)减去任务开始时间i′(这里是t1)，并加上设备切换时间τ(即P_i＝t2-t1+τ)。p_i的定义如下：

对于具有特定要求的任务(如快视任务)，一个任务不能同时与其他任务共享记录器。

其中，I_f表示快视任务集；N表示该集中的任务数。

接收使用的逻辑记录器的数据速率应该大于任务i。

其中d_l表述逻辑记录器l的数据速率；d_i表示任务i的数据速率。

记录器相当于信息存储或数据存储器，可以是各类存储器，包括且不限于各类硬盘、光盘等具有存储空间或存储特性的存储元件。

最后，具体地，该约束条件中的资源相关性约束满足如下条件(参见公式(24))：

如果没有天线资源，则数据接收无效。因此，记录器资源将不被安排。反之亦然。

在根据以上信息相应获取了任务信息的接收调度规则后，依据上述调度规则，则可以依据相应的接收调度分配操作求解算法，完成上述任务调度。具体地，作为本发明一实施例，该调度分配算法，可以利用包括是对应于前述线性规划模型可采用的商用求解器GAMS进行求解，主要方法是对偶单纯形方法。因此，可以确定任务时间、与之相应的天线和记录器。

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 (11)

1.一种地面站资源调度方法，其特征在于，

获取多个卫星的任务信息，所述任务信息为所述多个卫星至多个地面站的待处理数据；

根据所述任务信息确定接力任务，所述接力任务为覆盖多个地面站接收区域的待接收任务；

对所述接力任务进行优化以确定调度规则；

根据所述调度规则完成所述多个地面站对应所述多个卫星的任务接收调度操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述任务信息确定接力任务，包括：

获取多个地面站的资源信息，所述资源信息为所述多个地面站用于实现对所述任务信息进行调度的资源数据；

根据所述资源信息和所述任务信息之间的约束，对所述任务信息进行分类集合以获取多个接力任务。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述资源信息和所述任务信息之间的约束，对所述任务信息进行分类集合以获取多个接力任务，包括：

根据卫星与地面站之间的使用约束作为所述资源信息和所述任务信息之间的约束，对所述任务信息进行分类集合；

根据任务时间获取所述分类集合中的接力任务。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述接力任务进行优化以确定调度规则，包括：

根据离散粒子群算法对所述接力任务的接收资源进行优化，确定接力任务的接收地面站和接收任务集；

根据所述接收地面站以及所述接收任务集的接收时间确定各个地面站的优化任务集；

对所述优化任务集中的任务进行资源优化确定所述调度规则。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据离散粒子群算法对所述接力任务的接收资源进行优化，包括：

基于接力优化原则对所述接力任务的接收资源进行优化，其中，所述接力优化原则包括：

当采用同一天线接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间，以及

当两个或两个以上的地面站接力接收所述接力任务时，地面站保证一定的重叠时间，所述重叠时间为多个地面站同时执行接收接力任务的时段。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述接力任务进行优化以确定调度规则，还包括：

根据任务时间对优化任务集中的任务进行分组以确定优化任务组，

根据启发式规则确定所述优化任务组的复杂度，

根据所述复杂度确定所述调度规则。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据启发式规则确定所述优化任务组的复杂度，还包括：

对所述优化任务组中的各个任务所对应的资源求并集，当所述并集大于所述优化任务组的任务数量时，所述优化任务组复杂度为简单；当所述并集小于所述优化任务组的任务数量时，所述优化任务组复杂度为困难。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述优化任务组复杂度确定所述调度规则，还包括：

当所述复杂度为简单时，所述调度规则为基于所述启发式规则的天线资源分配方法或记录器资源分配方法；或

当所述复杂度为困难时，所述调度规则为基于所述线性规划模型的天线资源分配方法或记录器资源分配方法。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述调度规则完成所述多个地面站对应所述多个卫星的任务接收调度操作，包括：

利用启发式规则的天线资源分配方法基于第一调度原则完成所述任务接收调度操作，其中，所述第一调度原则为：

所述天线按照所述任务的优先级顺序分配；

当采用同一天线接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间；

同一任务的主接和备份记录器对应同一地面站的天线；以及

同一时间同一卫星的上下行任务对应同一天线进行接收。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述调度规则完成所述多个地面站对应所述多个卫星的任务接收调度操作，包括：

利用启发式规则的记录器资源分配方法基于第二调度原则完成所述任务接收调度操作，其中，所述第二调度原则为：

所述记录器按照所述任务的优先级顺序分配；

当采用同一记录器接收两个或两个以上的任务，相邻接收任务之间间隔一定转换时间；

在任务接收调度操作过程中，记录器的使用通道数量小于等于其逻辑记录器数量；

同一任务的主接和备份记录器对应同一地面站的记录器；

同一任务所接收的记录器和天线应属于同一地面站的资源；以及

通过记录器只记录数传任务。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述调度规则完成所述多个地面站对应所述多个卫星的任务接收调度操作，包括：

根据所述卫星的任务的时间连续性建立基于连续时间表示的混合整数线性规划模型；

根据所述混合整数线性规划模型确定所述调度规则的约束条件，所述约束条件包括：时间约束、天线分配约束、记录器约束以及资源相关性约束。

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