CN115276758A - 一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，属于无线通信技术领域。该方法针对不可预测任务到达对确定性任务造成的天线资源竞争问题，在约束满足规划模型的基础上，为紧迫性不同的任务提供实时高效的调度。根据任务松弛度判断任务的紧急程度、编排任务的优先顺序，紧急程度高的不可预测任务将按照紧急任务调度函数进行优先调度。根据任务执行时刻冲突度对确定性任务进行冲突分析与消解，引入截止日期感知策略对调度失败的任务进行重调度，提出一种基于截止日期感知的自适应大邻域搜索算法，通过迭代求解获得最佳调度方案。本发明基于任务松弛度最小原则，在实现不可预测任务可靠传输的同时，提高了确定性任务的调度成功率。

Description

一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域。具体涉及一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法。

背景技术

中继卫星系统作为一种空间信息传输平台，具有高覆盖、较强数据传输能力的特性，使其承担着为众多卫星及航天器提供跟踪、测控、数据中继传输等服务，以较低的成本缓解了在地面全球布站的压力，保障了地面站与航天器之间能够进行实时的测控及数据传输。随着空天地一体化进程的不断推进，各类运载火箭、载人飞船、侦察卫星、对地观测卫星、无人机、地面车辆和舰船等众多海陆空用户均产生了需要中继卫星支持的服务需求。而目前相对较少的中继卫星数量以及有限的系统资源使得中继卫星系统的服务能力不足以完全支撑海量的用户需求。因此，科学合理的动态任务调度是保障中继卫星资源高效利用的重要手段。

任务动态调度问题是一个复杂的组合优化问题。在中继卫星系统中，生成的任务除了确定性任务，还存在不可预测任务(紧急任务、临时任务)，确定性任务的到达时间可以提前获得，而不可预测任务到达时间是不确定和不可预测的，所以高优先级的不可预测任务在实际中继卫星系统中抢占天线传输资源是无法预知的。这种现象必然导致更多的确定性任务的数据无法成功被中继。此外，确定性任务和不可预测任务必须在中继卫星及其服务对象之间的可见时间窗口内完成数据的传输。因此，面对中继卫星系统稀缺资源进行分配时，需要考虑不同类型任务特性带来的众多繁杂的约束。

在现有关于中继卫星网络任务调度方法的研究中，动态调度主要分为两类：在线调度和离线调度。在线调度是一种无预约调度，主要根据动态发生的类型(原始任务信息调整、不可预测任务的到达、天气条件的变化、卫星资源状态的变化故障等)，进行即时处理。离线调度是有预约调度，主要是在初始调度方案执行过程中，根据具体问题的变化，通过调整初始方案进行重调度。因此，动态调度算法根据具体情况设计，具有很强的实用性。

然而，目前大部分关注于静态任务调度和部分离线调度，难以适应任务的随机性和资源的时变性。鉴于此，如何捕捉不可预测任务和动态分配中继卫星传输资源满足多用户卫星多任务的需求难题，并更好地适用于实际系统，是一个有待研究的技术难题。

CN107070534A，一种中继卫星负载均衡的动态抢占式任务调度方法及系统，其包括以下步骤：1)若天线具有足够长的空闲时间，则在该时间直接插入任务进行直接调度；若不能直接插入，则进行抢占式任务切换和子任务分割与插入进行调度，若仍不能调度则进入下一步；2)对采用直接调度模块后未被执行的新任务，通过间接调度完成调度；3)建立三个目标函数实现对最优动态调度方案的选择。本发明采用直接调度模块与间接调度模块进一步优化动态扰动条件下中继卫星任务调度方案，以提供比完全重调度与传统动态调度方法更优的系统性能。本发明可以广泛在空间信息网络中继卫星资源调度领域中应用。

该专利中对动态任务进行直接调度和间接调度，在直接调度中对新任务预先安排，避免了与原任务的冲突，在间接调度中采用子任务分割与插入，实现调度任务权重最大化。但在整个调度过程中没有考虑任务具体的紧急程度和优先顺序，不能很好地反映异构任务的紧迫性和时间敏感性。此外，一个任务意味着天线的一次调整，对冲突任务进行分割带来的频繁天线旋转会增加能耗以及降低效率。本发明根据任务松弛度判断任务紧急程度、编排任务顺序，提出紧急任务调度函数对不可预测任务进行优先调度，既保证了任务的时效性,又能最早完成不可预测任务；对确定性任务进行冲突分析与消解，将冲突任务返回队列RQ重新选择可用时间窗口，保证任务调度的灵活性和可用资源的充分利用；任务在排队等待过程中可能会随着时间流逝而变得紧急，加入截止日期感知策略保证任务在截止日期之前完成调度。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提供了一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，联合优化任务动态调整和天线时间块划分，采用任务预处理模块、紧急任务调度模块以及冲突分析与消解模块得到实时动态扰动条件下中继卫星初始调度方案，采用基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法对初始调度方案进一步优化得到最优的最终调度方案。

本发明的技术方案如下：

一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其包括以下步骤：

101、中继卫星系统中，获取任务信息和天线资源信息，对队列Q中的所有中继卫星任务进行任务预处理，按照任务松弛度进行非降序排序，满足可行调度条件的任务进入队列RQ中分配天线资源；

102、根据滚动水平策略捕捉不可预测任务，根据任务松弛度判断不可预测任务的紧急程度，若为紧急任务，则将其移入紧急任务列表进行优先调度；若为非紧急任务，则可进入队列RQ中等待分配天线资源；

103、对队列RQ中按序排列的确定性任务进行冲突分析，计算任务执行时刻冲突度，若存在两个任务的可用时间发生冲突，则将这两个任务移入冲突列表进行冲突消解再调度；若某个任务存在多个可用时间窗口，则选择一个最短的可用时间窗口进行分配；引入截止日期感知策略，对调度失败返回队列RQ的任务进行截止日期感知，满足条件的重新匹配可用时间窗口，获得一个初始调度方案；

104、基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法求解所述初始调度方案的最优解，并将所述最优解作为最终调度方案，按照最终调度方案进行中继卫星动态调度。

进一步的，所述步骤101中，任务预处理是在任务调度之前，将队列Q中的任务按照任务松弛度进行非降序排序，若任务的松弛度相同，则任务的优先级作为第二选择；当任务满足可行性条件时，这个任务可以在天线时间轴上划分的每个时间块的开始时刻离开队列Q进入队列RQ。

进一步的，所述任务松弛度定义为任务在截止日期之前能够延迟的最短时间，松弛度越小，优先级越高，任务松弛度l_i：

式中，b_i表示任务的截止日期，

表示任务t_i执行时间的0.9分位点；

可行性条件为任务在截止日期之前能够被成功处理：

b_j-T_current≥d_jh (2)

式中，b_j表示任务j的截止日期，T_current表示系统当前时间，d_jh表示任务j在天线h上的持续处理时间；

在天线时间轴上，根据滚动水平策略来实时捕获任务到达的突发性，将时间轴划分为多个连续的时间块，每个时间块的开始时刻都将进行系统状态的刷新。

进一步的，所述步骤102中，若队列Q中不可预测任务的松弛度比队列RQ中的最小松弛度小，则说明该任务为紧急任务，将其移入紧急任务列表并触发函数SchedulingUrgentTask()处理该任务，然后更新队列Q和可见时间窗口。

进一步的，所述移入紧急任务列表并触发函数SchedulingUrgentTask()处理该任务的步骤包括：

1)调度紧急任务到对应可用时间窗口执行或者等待需满足两个条件：截止日期感知条件和最早完成时间条件；既要保证该紧急任务的时效性，又能最早完成该任务；

2)对紧急任务列表中的任务i，若它的可用时间窗口空闲，或者天线具有足够的任务服务时长，则将该任务i移至相应的可用时间窗口执行或等待执行；

3)若任务i对应的可用时间窗口被另一个任务j占用，判断任务i的松弛度是否为最小，若是则替换任务j进行任务调度，任务j将返回队列RQ按任务松弛度排序并重新选择可用时间窗口；若任务i不是任务松弛度最小，将任务i返回队列RQ重新选择可用时间窗口；

4)若没有对应的时间窗口或替换失败，说明无法在截止日期完成调度，拒绝执行该任务。

进一步的，所述步骤103中，在冲突分析阶段，计算两个任务的执行时刻冲突度，选择冲突度最小的任务进行优先调度，并将冲突度最大的任务返回至队列RQ中，满足截止日期感知条件的任务重新选择可用时间窗口进行重调度，任务成功调度后更新队列Q、RQ以及可见时间窗口；

其中，任务的执行时刻冲突度定义为两个任务可用时间窗口的重叠程度，任务i在天线h上的执行时刻冲突度

式中，ATW_i ^h和

分别表示任务i与任务j的可用时间窗口，冲突度越大，表明两个任务时间窗口重叠的部分越多；

截止日期感知策略是在调度过程中要满足任务完成时间的0.9分位点小于任务的截止日期，如下所示：

式中，

表示任务完成时间的0.9分位点，b_i表示任务的截止日期。

进一步的，所述步骤104中，基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法求解所述初始调度方案的最优解的步骤包括：

初始化任务集合、最大迭代次数以及自适应大邻域搜索算法参数，包括破坏算子和修复算子的权重、分数以及选择概率；

通过基于任务松弛度的中继卫星动态调度的初始调度方案构造一个初始解x₀，并且让目前最好的解x'等于x₀，与此同时，通过轮盘赌方法选择邻域结构中的破坏算子和修复算子；

在破坏邻域中，根据任务松弛度最大原则，使用破坏算子选择当前解决方案中的一些任务进行移除操作，任务松弛度大的任务将优先被移除，移除的任务被放入RQ中，从而生成一个已销毁的解决方案；

在修复邻域中，根据任务松弛度最小原则，使用相应的修复算子可以从RQ中选择一些任务插入到已销毁的解决方案中，任务松弛度小的任务将被优先插入，匹配到可用的时间窗口资源，从而生成已恢复的解决方案；

通过邻域搜索函数FindNeighbor()获得一个修复解x”，比较x”与目前最好的解x'，若x”比x'更好，则更新最优解x'；

定义一个截止日期感知策略来控制整个搜索过程，在RQ队列的任务集中，随机选择一个未完成任务，计算它的完成时间ft_i(k)，若满足

将直接使用插入操作符插入到符合约束条件的可用时间窗口，其中

表示任务完成时间的0.9分位点；

重复整个搜索过程直到满足算法的终止条件：1)达到最大迭代次数；2)队列RQ中带有可用时间窗口的所有任务都被成功调度。

进一步的，所述破坏算子和修复算子的权重、分数以及选择概率中，给每个算子操作符一个分数和一个权重，该分数依赖于任务分配的过去表现，相对于新可行解的奖励，用于评价操作符的有效性，并根据分数更新权重，权重可以影响选择给定算子的概率；

根据得到的分数，在搜索过程中动态调整权重，初始化参数时，所有启发式算子的权重设为1，

和

的分数均设为0，在每次迭代结束后，破坏算子和修复算子的权重更新。

进一步的，破坏算子和修复算子的权重更新如下：

其中，τ∈[0,1]是决定历史信息重要程度的参数，

和

分别表示破坏算子和修复算子的分数，θ表示在最后一个时间段使用算子的次数；

选择每个破坏算子和修复算子的概率与权重成比例，它的计算如下所示；假设nd，nr分别表示所采用破坏启发式和修复启发式的个数，则选择给定破坏算子和修复算子的概率计算如下：

在每一次迭代中，使用轮盘赌方法选择破坏算子和修复算子；

目标函数是为了能够成功调度更高优先级、更多的任务，目标函数：

式中，i表示调度任务，T表示调度任务集合；k表示可见时间窗口，TW_i表示可见时间窗口集合；h表示天线，R表示天线资源集合；

记为任务i的松弛度对应的加权值。ρ_i记为任务的优先级对应的加权值。λ_i记为任务i执行时间先后次序对应的加权值，

为决策变量，

表示任务i在天线h上的第k个时间窗口成功被调度，否则任务i调度失败，即

本发明的优点及有益效果如下：

本发明方法针对中继卫星实时动态任务调度中任务的不可预测性和资源的受限性问题，在中继卫星约束满足规划的基础上，采用任务预处理、紧急任务调度以及冲突分析与消解得到实时动态扰动条件下的中继卫星初始调度方案，采用基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法对初始调度方案进一步优化得到最优的最终调度方案。现有关于中继卫星任务调度方法的研究中有关不可预测任务及时、可靠的传输并没有得到很好地解决。当前大部分关注于确定性任务的动态调整，虽然有小部分在对不可预测任务进行有效动态调度但同时也降低了确定性任务的调度效率。在已有研究中，大多依据任务申请时自身带来的任务优先级进行优先顺序排序，没有对任务紧急程度的具体衡量以及任务及时性感知，因此本发明在技术手段上具有创造性。本发明在任务预处理阶段采用任务松弛度来衡量任务的紧急程度，任务松弛度包含任务的执行时间和截止日期，能够更好地反映异构任务的紧迫性或时间敏感性。在天线时间轴上，根据滚动水平策略划分连续的天线时间块，以此捕捉不可预测任务到达的突发性。此外，本发明加入截止日期感知策略，对处于等待状态的任务进行感知，让确定性任务和不可预测任务在截止日期之前完成调度，以此调度更多的任务。在任务松弛度和截止日期感知策略中的巧妙之处在于，加入前摄性调度的思想，考虑不可预测任务的突发性和确定性任务的及时性，加入一定的时间冗余，以此保障任务时效性的能力。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例一种基于任务松弛度的的中继卫星动态调度方法流程图；

图2是本发明实施例提供的天线时间块划分示意图；

图3是本发明实施例提供的任务冲突示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法以实际中继卫星动态任务调度约束构建一个约束满足规划模型，将最大化且优先高优先级任务完成率的目标函数作为调度原则，在保证不可预测任务成功调度的同时，提高确定性任务的调度效率，实现高效的实时动态任务规划。如图1所示，一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法包括以下步骤：

1)中继卫星系统中，获取任务信息和天线资源信息，对队列Q中的所有中继卫星任务进行任务预处理，按照任务松弛度进行非降序排序，满足可行调度条件的任务可进入队列RQ中分配天线资源；

2)根据滚动水平策略捕捉不可预测任务，根据任务松弛度判断不可预测任务的紧急程度，若为紧急任务，则将其移入紧急任务列表进行优先调度；若为非紧急任务，则可进入队列RQ中等待分配天线资源；

3)对队列RQ中按序排列的确定性任务进行冲突分析，计算任务执行时刻冲突度，若存在两个任务的可用时间发生冲突，则将这两个任务移入冲突列表进行冲突消解再调度；若某个任务存在多个可用时间窗口，则选择一个最短的可用时间窗口进行分配。引入截止日期感知策略，对调度失败返回队列RQ的任务进行截止日期感知，满足条件的重新匹配可用时间窗口，基于以上获得一个初始调度方案；

4)基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法求解所述初始调度方案的最优解，并将所述最优解作为最终调度方案；

上述步骤1)中，任务预处理阶段，可预期的所有任务在队列Q中，任务集合Q＝{1,2,...,N}，任务的请求时间应小于等于系统时间。任务的成功调度是在其服务时间窗口[ts_i,te_i]和执行时段d_i与可见时间窗口

有交集的前提下，没有可用时间窗或违反相应约束的任务将被提前丢弃。对于所有存在队列Q中的任务都应满足以下条件：

定义为任务i在天线h上第k个可用时间窗口，其中ATW_iσ为任务i的可用时间窗口集合。

此外，将队列Q中的任务按照任务松弛度进行非降序排序，任务松弛度集合记为L_Q＝{l₁,l₂,…,l_i}，满足可行条件，即b_j-T_current≥d_jh，依次进入队列RQ进行任务调度。

在天线时间轴上，根据滚动水平策略来实时捕获任务到达的突发性，将时间轴划分为多个连续的时间块，每个时间块的开始时刻都将进行系统状态的刷新。如图2所示，对于任意一根天线h＝{H₁,H₂,...}，每一个时间块下标索引b＝{0,1,2,...}，每个时间块区间记为

和

分别为一个时间块的开始时刻和结束时刻，区间持续时间记为

即

上述步骤2)中，不可预测任务到达，判断任务是否为紧急任务。如果满足以下条件将触发SchedulingUrgentTask()函数进行紧急任务的调度。

在紧急任务调度函数中，对紧急列表中的任务，产生任务的可用时间窗口集合，即，

计算任务的完成时间，若任务i的完成时间满足，即，

则将该任务的完成时间作为最小完成时间，即，

找到任务对应可用时间窗口，将任务方案调度方案中；若存在可用时间窗口被占用情况，则比较发生冲突的两任务的松弛度，将最小松弛度的任务进行优先调度，最大松弛度的任务返回队列RQ重新分配可用时间窗口；若没有对应的可用时间窗口或者无法在截止日期之前完成该任务，则拒绝调度该任务。

上述步骤3)中，对于进入队列RQ内的任务，产生任务的所有可用时间窗口，记为

计算每个任务的可用时间窗口的持续时间，并将其按照可用时间窗时长降序排列。对队列RQ中的任务进行冲突度分析，如图3所示，任务i与任务j的可用时间窗口分别为

若任务i在[T₁,T₂]内进行任务调度就不会与任务j产生冲突；若任务i在[T₃,T₄]内进行任务调度则可能会与任务j产生冲突。

将任务与合适的可用时间窗口进行匹配，若任务i存在可用时间窗口，即

则将任务i放入调度方案中，并更新RQ和可见时间窗口；若任务i的所有可用时间窗口都被占用，即

则将其移入冲突列表T_β中，计算冲突列表中的任务的执行时刻冲突度

并按照冲突度进行非降序排序，选择冲突度最小的任务进行优先调度，并将冲突度最大的任务返回至队列RQ中，满足截止日期感知条件的任务可以重新选择可用时间窗口进行重调度，最后更新队列Q、RQ和可见时间窗口。

上述步骤4)中，对初始调度方案进行求解最优解的过程如下：

首先设置破坏算子与修复算子的权重分别为

和

惯性权重因子为τ＝0.8，破坏算子和修复算子的分数分别为

和

破坏领域和修复邻域结构选择概率分别为

和

迭代间隔为Ites＝10，总的迭代数为ITE＝200，权重算子通过公式(18)每间隔Ites迭代更新一次。

然后，通过基于任务松弛度的中继卫星动态调度的初始调度方案构造一个初始解x₀，并且让目前最好的解x'等于x₀。与此同时，通过轮盘赌方法选择邻域结构中的破坏算子和修复算子并对任务进行移除和插入操作。

使用一个邻域搜索函数FindNeighbor()去获得一个修复解x”，比较x”与目前最好的解x'。如果x”比x'更好，更新x'。

添加了一个截止日期感知策略来及时调度RQ队列中的任务，满足

将直接使用插入操作符插入到符合约束条件的可用时间窗口。

重复这个过程直到满足算法的终止条件，即，

本发明内容所涉及的概念和模型如下：

1.网络模型

本发明的主要研究场景是针对中继卫星网络。该场景主要是由数据中继层、用户层和地面网络层组成。骨干网层由数据中继卫星组成，数据中继卫星之间由星间链路连接。用户层包括各类卫星、临空飞行器以及深空探测器，是中继卫星网络中的数据源。地面网络层包括地面网络终端、用户管理中心和数据中继卫星管理中心。目前相对较少的中继卫星数量以及有限的系统资源使得中继卫星系统的服务能力不足以完全支撑海量的用户需求，并且中继卫星与用户卫星之间间断的可见时间窗口严重限制了调度的灵活性。因此，考虑联合优化不可预测任务和确定性任务的动态调整以及天线时间块划分，实现高效的实时动态任务调度规划。

2.本发明技术方案如下：

本发明提出一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，该方法包含任务预处理阶段、紧急任务调度阶段、冲突分析与消解阶段，为不可预测任务与确定性任务提供实时可靠传输。首先，构建了中继卫星动态任务调度约束满足规划模型。然后根据任务预处理、紧急任务调度和冲突分析与消解得到初始调度方案。在此基础上，基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法求解初始调度方案的最优解，并以此得到最终的调度方案。

具体方案如下：

1.初始调度方案

1)根据任务松弛度对队列Q中的所有任务进行任务预处理，满足可行调度条件的任务可进入队列RQ中分配合适的天线资源；松弛度越小，优先级越高。

任务松弛度l_i：

可行性条件为任务在截止日期之前能够被成功处理：

b_j-T_current≥d_jh (2)

2)不可预测任务的紧急任务调度需要满足该任务的时效性和保证最早完成该任务，如下所示：

截止日期感知条件：

最早完成任务条件：

对紧急任务列表中的任务i，若它的可用时间窗口空闲，或者天线具有足够的任务服务时长，则将该任务移至相应的可用时间窗口执行或等待执行；

若任务i对应的可用时间窗口被另一个任务j占用，且任务i的松弛度小于任务j的松弛度，则替换任务j进行任务调度；若没有对应的时间窗口或替换失败，说明无法在截止日期完成调度，拒绝执行该任务。

3)根据执行时刻冲突度分析消解任务冲突，如下所示：

2.最终调度方案

基于截止日期感知的自适应大邻域搜索算法迭代改进初始解，得到最终的调度方案。通过基于任务松弛度的中继卫星动态调度的初始调度方案构造一个初始解x₀，并且让目前最好的解x'等于x₀。与此同时，通过轮盘赌方法选择邻域结构中的破坏算子和修复算子。

所述破坏算子和修复算子的权重、分数以及选择概率中，给每个算子操作符一个分数和一个权重。该分数依赖于任务分配的过去表现，相对于新可行解的奖励，用于评价操作符的有效性，并根据分数更新权重。权重可以影响选择给定算子的概率。

π_k表示第k个算子运算符的分数。ρ_k是第k个算子操作符的权值。选中的算子操作符的自适应分数按以下规则更新：

π_k←π_k+δ₁，如果达到一个新的全局最优解；

π_k←π_k+δ₂，如果新的解不被接受，但比目前的解更好，比当前最优的解更差；

π_k←π_k+δ₃，如果算子达到了一个新的解，这个解比当前解差，但被接受；

π_k←π_k+δ₄，如果解被拒绝。

它可以是

或

和

分别表示破坏算子和修复算子的分数，并且δ₁,δ₂,δ₃,δ₄是不同增加的分数。

根据得到的分数，在搜索过程中动态调整权重。初始化参数时，所有启发式算子的权重设为1，

和

的分数均设为0。在每次迭代结束后，破坏算子和修复算子的权重更新如下：

其中，τ∈[0,1]是决定历史信息重要程度的参数，控制着历史和信息各自的影响。值为0意味着权重保持不变，而值为1意味着历史性能没有影响：权重仅依赖于操作符的分数。θ表示在最后一个时间段使用算子的次数。

选择每个破坏算子和修复算子的概率与权重成比例，它的计算如下所示。假设nd，nr分别表示所采用破坏启发式和修复启发式的个数，则选择给定破坏算子和修复算子的概率计算如下：

在每一次迭代中，使用轮盘赌方法选择破坏算子和修复算子。

3.目标函数：

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、中继卫星系统中，获取任务信息和天线资源信息，对队列Q中的所有中继卫星任务进行任务预处理，按照任务松弛度进行非降序排序，满足可行调度条件的任务进入队列RQ中分配天线资源；

102、根据滚动水平策略捕捉不可预测任务，根据任务松弛度判断不可预测任务的紧急程度，若为紧急任务，则将其移入紧急任务列表进行优先调度；若为非紧急任务，则可进入队列RQ中等待分配天线资源；

103、对队列RQ中按序排列的确定性任务进行冲突分析，计算任务执行时刻冲突度，若存在两个任务的可用时间发生冲突，则将这两个任务移入冲突列表进行冲突消解再调度；若某个任务存在多个可用时间窗口，则选择一个最短的可用时间窗口进行分配；引入截止日期感知策略，对调度失败返回队列RQ的任务进行截止日期感知，满足条件的重新匹配可用时间窗口，获得一个初始调度方案；

104、基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法求解所述初始调度方案的最优解，并将所述最优解作为最终调度方案，按照最终调度方案进行中继卫星动态调度。

2.根据权利要求1所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述步骤101中，任务预处理是在任务调度之前，将队列Q中的任务按照任务松弛度进行非降序排序，若任务的松弛度相同，则任务的优先级作为第二选择；当任务满足可行性条件时，这个任务可以在天线时间轴上划分的每个时间块的开始时刻离开队列Q进入队列RQ。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述任务松弛度定义为任务在截止日期之前能够延迟的最短时间，松弛度越小，优先级越高，任务松弛度l_i：

式中，b_i表示任务的截止日期，

表示任务t_i执行时间的0.9分位点；

可行性条件为任务在截止日期之前能够被成功处理：

b_j-T_current≥d_jh (2)

式中，b_j表示任务j的截止日期，T_current表示系统当前时间，d_jh表示任务j在天线h上的持续处理时间；

在天线时间轴上，根据滚动水平策略来实时捕获任务到达的突发性，将时间轴划分为多个连续的时间块，每个时间块的开始时刻都将进行系统状态的刷新。

4.根据权利要求1所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述步骤102中，若队列Q中不可预测任务的松弛度比队列RQ中的最小松弛度小，则说明该任务为紧急任务，将其移入紧急任务列表并触发函数SchedulingUrgentTask()处理该任务，然后更新队列Q和可见时间窗口。

5.根据权利要求4所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述移入紧急任务列表并触发函数SchedulingUrgentTask()处理该任务的步骤包括：

1)调度紧急任务到对应可用时间窗口执行或者等待需满足两个条件：截止日期感知条件和最早完成时间条件；既要保证该紧急任务的时效性，又能最早完成该任务；

2)对紧急任务列表中的任务i，若它的可用时间窗口空闲，或者天线具有足够的任务服务时长，则将该任务i移至相应的可用时间窗口执行或等待执行；

3)若任务i对应的可用时间窗口被另一个任务j占用，判断任务i的松弛度是否为最小，若是则替换任务j进行任务调度，任务j将返回队列RQ按任务松弛度排序并重新选择可用时间窗口；若任务i不是任务松弛度最小，将任务i返回队列RQ重新选择可用时间窗口；

4)若没有对应的时间窗口或替换失败，说明无法在截止日期完成调度，拒绝执行该任务。

6.根据权利要求1所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述步骤103中，在冲突分析阶段，计算两个任务的执行时刻冲突度，选择冲突度最小的任务进行优先调度，并将冲突度最大的任务返回至队列RQ中，满足截止日期感知条件的任务重新选择可用时间窗口进行重调度，任务成功调度后更新队列Q、RQ以及可见时间窗口；

其中，任务的执行时刻冲突度定义为两个任务可用时间窗口的重叠程度，任务i在天线h上的执行时刻冲突度

式中，ATW_i ^h和

分别表示任务i与任务j的可用时间窗口，冲突度越大，表明两个任务时间窗口重叠的部分越多；

截止日期感知策略是在调度过程中要满足任务完成时间的0.9分位点小于任务的截止日期，如下所示：

式中，

表示任务完成时间的0.9分位点，b_i表示任务的截止日期。

7.根据权利要求1所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述步骤104中，基于截止日期感知的自适应大领域搜索算法求解所述初始调度方案的最优解的步骤包括：

初始化任务集合、最大迭代次数以及自适应大邻域搜索算法参数，包括破坏算子和修复算子的权重、分数以及选择概率；

通过基于任务松弛度的中继卫星动态调度的初始调度方案构造一个初始解x₀，并且让目前最好的解x'等于x₀，与此同时，通过轮盘赌方法选择邻域结构中的破坏算子和修复算子；

在破坏邻域中，根据任务松弛度最大原则，使用破坏算子选择当前解决方案中的一些任务进行移除操作，任务松弛度大的任务将优先被移除，移除的任务被放入RQ中，从而生成一个已销毁的解决方案；

在修复邻域中，根据任务松弛度最小原则，使用相应的修复算子可以从RQ中选择一些任务插入到已销毁的解决方案中，任务松弛度小的任务将被优先插入，匹配到可用的时间窗口资源，从而生成已恢复的解决方案；

通过邻域搜索函数FindNeighbor()获得一个修复解x”，比较x”与目前最好的解x'，若x”比x'更好，则更新最优解x'；

定义一个截止日期感知策略来控制整个搜索过程，在RQ队列的任务集中，随机选择一个未完成任务，计算它的完成时间ft_i(k)，若满足

将直接使用插入操作符插入到符合约束条件的可用时间窗口，其中

表示任务完成时间的0.9分位点；

重复整个搜索过程直到满足算法的终止条件：1)达到最大迭代次数；2)队列RQ中带有可用时间窗口的所有任务都被成功调度。

8.根据权利要求7所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述破坏算子和修复算子的权重、分数以及选择概率中，给每个算子操作符一个分数和一个权重，该分数依赖于任务分配的过去表现，相对于新可行解的奖励，用于评价操作符的有效性，并根据分数更新权重，权重可以影响选择给定算子的概率；

根据得到的分数，在搜索过程中动态调整权重，初始化参数时，所有启发式算子的权重设为1，

和

的分数均设为0，在每次迭代结束后，破坏算子和修复算子的权重更新。

9.根据权利要求8所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，破坏算子和修复算子的权重更新如下：

其中，τ∈[0,1]是决定历史信息重要程度的参数，

和

分别表示破坏算子和修复算子的分数，θ表示在最后一个时间段使用算子的次数；

选择每个破坏算子和修复算子的概率与权重成比例，它的计算如下所示；假设nd，nr分别表示所采用破坏启发式和修复启发式的个数，则选择给定破坏算子和修复算子的概率计算如下：

在每一次迭代中，使用轮盘赌方法选择破坏算子和修复算子；

10.根据权利要求1所述的一种基于任务松弛度的中继卫星动态调度方法，其特征在于，所述中继卫星动态调度过程的主要优化目标是最大化任务完成数以及优先调度高优先级的任务，目标函数：

式中，i表示调度任务，T表示调度任务集合；k表示可见时间窗口，TW_i表示可见时间窗口集合；h表示天线，R表示天线资源集合；l_i记为任务i的松弛度对应的加权值。ρ_i记为任务的优先级对应的加权值。λ_i记为任务i执行时间先后次序对应的加权值，

为决策变量，

表示任务i在天线h上的第k个时间窗口成功被调度，否则任务i调度失败，即

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