CN113743693A - 一种多任务调度的北斗指挥系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多任务调度的北斗指挥系统，所述系统包括：多个北斗终端机、北斗指挥机和上位机；所述北斗指挥机和上位机设置在指挥中心；多个北斗终端机与北斗指挥机均通过北斗卫星通信；每个北斗终端机将待处理的任务发送至北斗指挥机；所述北斗指挥机包括：多个北斗指挥卡和多任务调度子系统；所述多任务调度子系统用于将接收到的多个任务按照优先级排序形成待处理的任务调度队列，并根据各北斗指挥卡的通信能力和工作状态形成资源调度队列，然后按照调度策略为任务调度队列中的任务分配北斗指挥卡进行任务处理，并将处理结果发送至上位机进行显示。本发明的系统通过对北斗指挥机和通信任务的调度管理，实现多个北斗指挥卡对北斗终端机通信的高效化。

Description

一种多任务调度的北斗指挥系统

技术领域

本发明涉及导航通信领域，具体涉及一种多任务调度的北斗指挥系统。

背景技术

北斗卫星导航系统(BDS)建成了国际上首个由地球静止轨道、倾斜地球同步轨道、中圆地球轨道三种轨道卫星构建的混合星座区域卫星导航系统。2020年，北斗导航系统已经建成有源导航定位、短报文功能。短报文功能，是卫星定位终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递。北斗短报文系统的卫星在赤道上方静止轨道，在安装使用北斗天线时朝南方向信号最好，北斗终端机在使用时要求上方尽可能无遮挡物，一旦锁定卫星，信号一直是非常稳定。

现有的网络一般均依托地面宽带和蜂窝通信网络建设，重大自然灾害发生后，地面通信网络往往发生一定时段的中断。另外，在海洋、沙漠和野外这些没有通信和网络的地方，安装了北斗系统终端机的用户，可以定位自己的位置，并能够和外界互通信息。

北斗短报文通信使用中有如下的限制：

1)频度限制：由于北斗卫星通信带宽的限制，短报文通信目前民用(三级北斗卡)主要是分钟卡(军用是秒卡)，即每隔一分钟发送一条短报文。但是对于接收短报文是没有限制的，只要北斗短报文设备成功捕捉到卫星信号，就可以随时接收，没有频度限制。

2)报文字节数：按照北斗协议，短报文字节数受限，因此无法支持传输现场较大的数据(如图片、视频等)。

可见，使用北斗短报文设备需要购买北斗卡作为入网许可来进入北斗通信网，发送短报文的长度和频率影响了其民用的灵活性，但其有低成本、广覆盖、高可靠性的特点使其在抢险救灾等特殊领域获得了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种多任务调度的北斗指挥系统。

采用的技术方案为：

一种多任务调度的北斗指挥系统，所述系统包括：多个北斗终端机、北斗指挥机和上位机；所述北斗指挥机和上位机设置在指挥中心；多个北斗终端机与北斗指挥机均通过北斗卫星通信；每个北斗终端机将待处理的任务发送至北斗指挥机；所述北斗指挥机包括：多个北斗指挥卡和多任务调度子系统；所述多任务调度子系统用于将接收到的多个任务按照优先级排序形成待处理的任务调度队列，并根据各北斗指挥卡的通信能力和工作状态形成资源调度队列，然后按照调度策略为任务调度队列中的任务分配北斗指挥卡进行任务处理，并将处理结果发送至上位机进行显示。

作为上述系统的一种改进，所述多任务调度子系统包括：任务调度模块、北斗指挥卡资源管理模块和基于任务优先级的资源调度模块；

所述任务调度模块，用于接收各北斗终端机发送的待处理的任务，并将待处理的任务按照优先级递减的顺序进行排列，形成待处理的任务调度队列；

所述北斗指挥卡资源管理模块，用于收集汇总各北斗指挥卡的当前状态，按照通信资源量递减的顺序进行排列，形成资源调度队列；

所述基于任务优先级的资源调度模块，用于按照调度策略为任务调度队列中的任务分配北斗指挥卡进行任务处理，并将处理结果发送至上位机进行显示。

作为上述系统的一种改进，所述任务调度模块的具体实现过程为：

接收第n个北斗终端机发送的待处理的任务T_n，0＜n≤k,n为正整数；用T＝{T₁,T₂,T₃,…,T_n,…,T_k}表示k个待处理任务的集合，k为北斗终端机的个数；

任务T_n的具体参数用集合表示：

T_n＝{ID_tn,A_tn,V_tn}

其中：ID_tn为任务的标志编号；A_tn为待传输任务的数据量，以比特为单位；

V_tn为任务的权值，该值是预先设定的；

则该任务的优先级p_n定义为：

p_n＝V_tn·A_tn

上式表示在权值相同的情况下，单位时间内需要发送的数据量越小，任务的优先级越高；

对k个任务按照优先级递减的顺序进行排列，形成待处理的任务调度队列D{T′_pn1,T′_pn2,…,T′_pnn,…,T′_pnk}，其中下角标p_nk代表对应于第n个北斗终端机的任务其优先级排序为k，T′_pn1代表计算任务T_n的优先级p_n值后优先级最高的任务，T′_pnk代表计算p_n值后优先级最低的任务。

作为上述系统的一种改进，所述北斗指挥卡资源管理模块的具体实现过程为：

所述北斗指挥机的北斗指挥卡有l个，用集合s＝{s₁,s₂,…,s_m,…,s_l}表示；对于集合s中的第m个北斗指挥卡s_m，用集合s_m＝{ID_m,C_m,W_m,I_m}表示该北斗指挥卡的具体参数配置，其中各项参数的具体含义如下：ID_m表示第m个北斗指挥卡的编号标志；C_m表示第m个北斗指挥卡的通信能力；W_m表示第m个北斗指挥卡的工作状态，W_m＝0时代表该北斗指挥卡处于正忙状态，W_m＝1时代表该北斗指挥卡处于空闲状态；I_m表示第m个北斗指挥卡距离可用的剩余时间；

将各个北斗指挥卡的通信状态和通信能力进行综合后，按照降序排列，形成资源调度队列S′_pma。

作为上述系统的一种改进，所述基于任务优先级的资源调度模块的具体实现过程为：

步骤S1)获取当前时刻的任务调度队列中优先级最高的任务，得到该任务对应的数据传输量A_t；

步骤S2)检测资源调度队列中北斗指挥卡的状态，寻找满足下式(2)的p：

步骤S3)从资源调度队列中按顺序找到p个处于空闲状态的北斗指挥卡，将此任务需要传输的数据分配给这p个北斗指挥卡进行传输；

步骤S4)将该任务从任务调度对列中删除，并将这p个北斗指挥卡的工作状态修改为正忙；

步骤S5)若任务调度队列不为空，转入步骤S1)；否则，将所有任务的处理结果发送至上位机进行显示。

本发明的优势在于：

本发明的系统通过对北斗指挥机和通信任务的调度管理，实现多个北斗指挥卡对北斗终端机通信的高效化。

附图说明

图1为本发明的多任务调度的北斗指挥系统框图；

图2为北斗指挥机和终端机的对应关系示意图；

图3为本发明的任务调度队列和资源调度队列模式图；

图4为本发明的任务调度队列和资源调度队列管理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明提出了一种多任务调度的北斗指挥系统，包括：多个北斗终端机(每个终端机对应一个通信任务)、配备有多个北斗指挥卡的北斗指挥机和上位机。每个北斗终端机有一个需要进行通信的任务，各个北斗终端机上待处理的任务根据其紧急程度划分优先级的高低。在北斗指挥机上设置有任务调度模块、北斗指挥卡资源管理模块和基于任务优先级的资源调度模块。其中任务调度模块将待传输至北斗终端机的任务按照优先级由高至低排序暂存于任务调度队列中；北斗指挥卡资源管理模块收集汇总各个北斗指挥卡的当前状态，将其按照通信资源量进行排序，用于后续将通信资源分配给相应的任务。基于任务优先级的资源调度模块以任务的优先级、任务预期完成时间、北斗卡调用次数等参数为依据进行任务调度，并合理的为各个任务分配北斗卡的通信资源。本方案不考虑通信延迟的影响。

如图1所示，本发明的一种多任务调度的北斗指挥系统，包括：多台北斗终端机、一台北斗指挥机及上位机。其中北斗指挥机带有多张北斗指挥卡，运行任务调度程序和北斗卡资源管理及调度程序。

每个北斗终端机带有一张北斗终端卡，可发送数据到北斗指挥机，也可以接收北斗指挥机的数据。北斗指挥机和北斗终端机之间通过北斗卫星以北斗短报文的通信模式进行通信。如图2所示。

北斗短报文的通信模式：

1)短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站；

2)地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；

3)接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通讯。

对北斗终端机进行不同优先级的划分

不同北斗终端机的优先级可能具有高低区分，其通信任务也具有相应的优先级。从任务具有优先级区分的场景出发，通过设计符合任务优先级需求的调度算法，优化北斗指挥卡资源分配，进一步降低通信任务所消耗的时间。设定在研究场景中一共有k个北斗终端机，每个北斗终端机上有一个具有一定优先级的待处理任务，即共有k个待处理的任务。用T＝{T₁,T₂,T₃,…,T_n,…,T_k}表示k个待传送的任务，其中参数n满足0＜n≤k,n为正整数。

对于第n个北斗终端机的任务T_n，其具体参数用集合表示：

T_n＝{ID_tn,A_tn,V_tn}

其中：ID_tn为任务的标志编号；A_tn为待传输任务的数据量(以比特为单位)；

V_tn为任务的权值，预先由系统设置完成。

任务的优先级定义为：

p_n＝V_tn·A_tn

上式表示在权值相同的情况下，单位时间内需要发送的数据量越小，任务的优先级越高。

北斗指挥机资源调度队列建模

本发明考虑了多任务(多个终端机，每个终端机对应一个任务)、多北斗指挥卡的分布式通信场景，且单一任务传输的数据量不超过北斗卡总传输能力。设所述北斗指挥机的北斗指挥卡有l个，用集合s＝{s₁,s₂,…,s_m,…,s_l}表示；对于集合s中的第m个北斗指挥卡s_m，用集合s_m＝{ID_m,C_m,W_m,I_m}表示该北斗指挥卡的具体参数配置，其中各项参数的具体含义如下：ID_m表示第m个北斗指挥卡的编号标志；C_m表示第m个北斗指挥卡的通信能力；W_m表示第m个北斗指挥卡的工作状态，W_m＝0时代表该北斗指挥卡处于正忙状态，W_m＝1时代表该北斗指挥卡处于空闲状态；I_m表示第m个北斗指挥卡距离可用的剩余时间；

由参数可知北斗指挥机中北斗指挥卡s_m需要完成通信任务T_n所消耗的时间C_t可以表示为公式(1)：

C_t＝A_Tn/S_m (1)

北斗指挥卡资源调度模块将各个北斗指挥卡的通信状态、通信能力按照降序排列，形成资源调度队列S′_pma，便于后续任务调度时进行资源匹配。

基于优先级的任务调度及资源分配方式

北斗指挥机将任务存储在任务调度模块中，任务调度模块对待处理的北斗终端机的任务按照优先级递减的顺序进行排列，形成待处理的任务调度队列D{T′_pn1,T′_pn2,…,T′_pnn,…,T′_pnk}，其中下角标p_nk代表对应于第n个北斗终端机的任务其优先级排序为k，T′_pn1代表计算任务T_n的优先级p_n值后优先级最高的任务，T′_pnk代表计算p_n值后优先级最低的任务，经过优先级排序的任务不影响原有的参数值。

进行优先级排序后的优先级为x的任务T′_pnx的具体参数设定为T′_pnx＝{ID_Tn,A_Tpn,V_Tpn}。其中T′_pnx的x∈(0,k)且x∈N⁺，x的数值越小表明对应的任务的优先级越高。

在数据传输的过程中依据ID_Tn，即任务的标志编号，也是对应北斗终端机的编号，将任务传输到指定的北斗终端机。设置的任务调度队列及资源调度队列模式图如图3所示。

本发明研究场景中设定北斗指挥卡的数量与北斗终端机的数量(即任务数量)相互独立，设置初始状态下所有北斗指挥卡的工作状态为空闲状态。

步骤S1)获取当前时刻的任务调度队列中优先级最高的任务，得到该任务对应的数据传输量A_t；

步骤S2)检测资源调度队列中北斗指挥卡的状态，寻找满足下式(2)的p：

步骤S3)从资源调度队列中按顺序找到p个处于空闲状态的北斗指挥卡，将此任务需要传输的数据分配给这p个北斗指挥卡进行传输；

步骤S4)将该任务从任务调度对列中删除，并将这p个北斗指挥卡的工作状态修改为正忙；

步骤S5)若任务调度队列不为空，转入步骤S1)；否则，将所有任务的处理结果发送至上位机进行显示。

特别地，本发明方案所述的任务调度队列和资源调度队列为临界资源，对其访问为互斥访问。

如图4所示，任务调度队列和北斗指挥卡资源调度队列由运行在北斗指挥机上的程序管理。在北斗指挥机进行任务调度和资源分配策略的执行过程如下：初始化输入任务的优先级、任务的数据量等参数。根据任务的优先级、北斗指挥卡的工作状态、北斗指挥卡的传输数据量等参数进行任务匹配。调度策略描述如下：

a)将待处理的任务按照优先级排序；

b)将资源调度队列中的指挥卡按照通信能力排序；

c)将进行优先级排序后的任务序列中的第一个任务匹配给资源调度队列中通信性能降序排列的k个北斗指挥卡；

d)将获得通信资源的任务从任务调度队列中删除，更新任务调度队列；

e)更新k个北斗指挥卡的状态；

f)回到a)重新开始。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多任务调度的北斗指挥系统，其特征在于，所述系统包括：多个北斗终端机、北斗指挥机和上位机；所述北斗指挥机和上位机设置在指挥中心；多个北斗终端机与北斗指挥机均通过北斗卫星通信；每个北斗终端机将待处理的任务发送至北斗指挥机；所述北斗指挥机包括：多个北斗指挥卡和多任务调度子系统；所述多任务调度子系统用于将接收到的多个任务按照优先级排序形成待处理的任务调度队列，并根据各北斗指挥卡的通信能力和工作状态形成资源调度队列，然后按照调度策略为任务调度队列中的任务分配北斗指挥卡进行任务处理，并将处理结果发送至上位机进行显示。

2.根据权利要求1所述的多任务调度的北斗指挥系统，其特征在于，所述多任务调度子系统包括：任务调度模块、北斗指挥卡资源管理模块和基于任务优先级的资源调度模块；

所述任务调度模块，用于接收各北斗终端机发送的待处理的任务，并将待处理的任务按照优先级递减的顺序进行排列，形成待处理的任务调度队列；

所述北斗指挥卡资源管理模块，用于收集汇总各北斗指挥卡的当前状态，按照通信资源量递减的顺序进行排列，形成资源调度队列；

所述基于任务优先级的资源调度模块，用于按照调度策略为任务调度队列中的任务分配北斗指挥卡进行任务处理，并将处理结果发送至上位机进行显示。

3.根据权利要求2所述的多任务调度的北斗指挥系统，其特征在于，所述任务调度模块的具体实现过程为：

接收第n个北斗终端机发送的待处理的任务T_n，0＜n≤k，n为正整数；用T＝{T₁，T₂，T₃，...，T_n，...，T_k}表示k个待处理任务的集合，k为北斗终端机的个数；

任务T_n的具体参数用集合表示：

T_n＝{ID_tn，A_tn，V_tn}

其中：ID_tn为任务的标志编号；A_tn为待传输任务的数据量，以比特为单位；V_tn为任务的权值，该值是预先设定的；

则该任务的优先级p_n定义为：

p_n＝V_tn·A_tn

上式表示在权值相同的情况下，单位时间内需要发送的数据量越小，任务的优先级越高；

对k个任务按照优先级递减的顺序进行排列，形成待处理的任务调度队列D{T′_pn1，T′_pn2，…，T′_pnn，…，T′_pnk}，其中下角标p_nk代表对应于第n爪北斗终端机的任务其优先级排序为k，T′_pn1代表计算任务T_n的优先级p_n值后优先级最高的任务，T′_pnk代表计算p_n值后优先级最低的任务。

4.根据权利要求3所述的多任务调度的北斗指挥系统，其特征在于，所述北斗指挥卡资源管理模块的具体实现过程为：

所述北斗指挥机的北斗指挥卡有l个，用集合s＝{s₁，s₂，…，s_m，…，s_l}表示；对于集合s中的第m个北斗指挥卡s_m，用集合s_m＝{ID_m，C_m，W_m，I_m}表示该北斗指挥卡的具体参数配置，其中各项参数的具体含义如下：ID_m表示第m个北斗指挥卡的编号标志；C_m表示第m个北斗指挥卡的通信能力；W_m表示第m个北斗指挥卡的工作状态，W_m＝0时代表该北斗指挥卡处于正忙状态，W_m＝1时代表该北斗指挥卡处于空闲状态；I_m表示第m个北斗指挥卡距离可用的剩余时间；

将各个北斗指挥卡的通信状态和通信能力进行综合后，按照降序排列，形成资源调度队列S′_pma。

5.根据权利要求2所述的多任务调度的北斗指挥系统，其特征在于，所述基于任务优先级的资源调度模块的具体实现过程为：

步骤S1)获取当前时刻的任务调度队列中优先级最高的任务，得到该任务对应的数据传输量A_t；

步骤S2)检测资源调度队列中北斗指挥卡的状态，寻找满足下式(2)的p：

步骤S3)从资源调度队列中按顺序找到p个处于空闲状态的北斗指挥卡，将此任务需要传输的数据分配给这p个北斗指挥卡进行传输；

步骤S4)将该任务从任务调度对列中删除，并将这p个北斗指挥卡的工作状态修改为正忙；

步骤S5)若任务调度队列不为空，转入步骤S1)；否则，将所有任务的处理结果发送至上位机进行显示。

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