CN118283124A - 一种跨域测控网络分级资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种跨域测控网络分级资源调度方法，涉及测控通信领域，弥补了跨域测控资源协同调度分配研究中的空缺；方法包括：采用两级调度过程，通过跨域管控中心对各个独立域的测控网络资源进行统一协调与调度；在两级调度过程中，第一级调度过程通过跨域管控中心从各个独立域管控中心处获取对应的测控网络资源使用状态，同时依据任务目标的可见窗口和各个独立域的负载情况，生成一级调度结果；第二级调度过程由各个独立域管控中心依据一级调度结果与本地维护资源状态的结合，进行调度设计，形成最终调度方案；本发明通过两级调度有效实现了在跨域测控任务需求和测控资源差异大、规模大的情况下的高满足度、快速度的调度结果生成效果。

Description

一种跨域测控网络分级资源调度方法

技术领域

本发明涉及测控通信领域，应用于测控通信资源调度过程中，具体涉及一种跨域测控网络分级资源调度方法。

背景技术

航天器测控资源包括地面测控站、数据接收站、测控数传综合站等各类型资源，主要用于航天器的跟踪测量、遥控发送、遥测接收和载荷数据接收等任务，为航天器正常在轨运行和发挥应用效能提供必不可少的支持，是我国重要的空间基础设施。我国航天测控网充分利用美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)和我国发展中的导航定位系统，优化地面测控站布局、逐步由陆、海基测控网向天基为主、大地结合的一体化综合测控网发展。卫星发射段、高轨卫星和小卫星的长期管理由地基设备为主完成；中低轨航天器的长期管理由天基系统为主、地基设备为辅。利用以数据中继卫星系统为主建设的天地一体化测控网，不仅有效地提高测控网的覆盖率，而且能够完成对各类对地观测卫星的高速实时数据传输任务。

在以往的卫星测控中，为完成一个新型号的测控任务，需要建立一些新的测控站。为提高测控网对多星任务特别是对将来卫星星座、星群的支持，测控资源的优化配置、进一步深挖潜能是不可缺少的。抛弃过去测控站“大测站、小中心”的旧模式，由网管中心根据任务需要统一调度分配测控资源，加强自动调度等手段，降低人工指挥调度在联调、任务中的作用，整个测控网的管理采用“集中管理、统一分配”的运行模式。该模式的管理流程为：

(1)网络管理中心接收各任务中心的使用申请，申请内容主要包括：任务类别、测控事件、所需测控站、测控弧段。其中，测控站的配置要求需通过总体文件或传真明确。

(2)网络管理中心根据各任务中心的申请、申请优先级和测控网当前状况，进行冲突等处理后，将测控站分配情况送至各任务中心，每天定时形成测控网的工作计划。

(3)网络管理中心根据测控网的工作计划，形成测控站工作计划，并将测控站工作计划发往各测控站。测控站工作计划主要包括：任务类别、测控内容和测控弧段。

(4)各次任务前，网络管理中心利用远程监控系统，将测控站状态配置为任务中心所需求的状态。

(5)在任务执行前，任务中心将测控站测控计划直接发送至测控站，以使站内明确该次任务的主要内容。在任务执行中，任务中心可以直接通过测控站发送指令和接收遥测数据。

资源调度问题是国内外系统工程与管理科学中的热点难点问题。对于不同的调度问题，已经存在许多调度算法。常用的方法包括确定性优化方法、基于约束的调度方法、智能调度方法、基于DEDS模型的分析方法和基于启发式规则的调度方法；确定性优化方法还包括线性规划、整数规划和分支界定等方法，这些方法一般计算复杂性大，只适合于求解小规模问题，在工程中往往不实用。基于约束的调度方法(Constraint.based Scheduling,CBS)是一类更为广泛使用的调度方法，其实质是枚举优化方法，它通过部分可行调度集合的枚举得到最优调度。这种方法的效率低，在很多中等规模的实际问题中失效。智能调度实质上是基于统计优化的调度方法，其特点是通过数值计算体现系统的智能。

随着无人平台的快速发展，测控的范畴从传统的飞行器测控扩展到无人平台的测控。目前针对无人机、弹、无人艇、无人车等平台，有相应的测控系统和技术手段相对独立的发展，例如无人机测控系统、弹药测控系统、无人艇测控系统、无人车测控系统。随着天空地海无人平台跨域协同运用的发展，基于各域测控资源整合，支持各类型无人平台的测控，成为当前测控通信发展的重要趋势。

在跨域测控中，将各域差异化的测控资源进行调度分配，保证不同类型平台目标测控通信服务的需求，是需要重点解决的问题。跨域联合的海量资源智能调度的目的是在单一域的测控资源无法满足用户业务需求的情况下，通过协调其它域的测控资源以满足其业务需求。与单域资源调度对比，跨域测控资源调度面临以下问题和挑战：

(1)优化目标不同。单域优化目标是在有限资源的情况下，实现任务满足度的最大化，而跨域调度则是在同时考虑多域负载均衡的前提下，实现任务满足度的最大化。

(2)资源和约束模型不同。单域调度算法仅考虑本域内的测控资源和调度约束，而跨域调度则要统筹考虑所有的测控目标、测控设备等资源，以及面向跨域业务需求的调度约束。

现有测控资源调度方法，主要针对单域测控资源进行调度，并且考虑的目标类型差异不大。面向异构测控资源调度的基于DQN的异构测控资源联合调度方法、基于改进遗传算法的多类测控资源调度方法中所针对的异构测控资源、多类型测控资源，主要指国有或民用、商用航天测控网的测控资源，仍然属于航天测控领域内的测控资源调度，不涉及真正意义上的跨域。

因此，需要面向不同类型无人平台测控通信服务，基于各域测控资源协同调度分配的方法进行研究，弥补当前该方向的空缺。

发明内容

基于背景技术中的现状，本发明的目的在于弥补跨域测控资源协同调度分配研究中的空缺，因此提出了一种跨域测控网络分级资源调度方法；该方法的核心在于两级调度过程，以实现基于跨域管控中心对各独立域的测控网络资源的统一协调和调度。本发明通过两级调度有效实现了在跨域测控任务需求和测控资源差异大、规模大的情况下的高满足度、快速度的调度结果生成效果。

本发明采用了以下技术方案来实现目的：

一种跨域测控网络分级资源调度方法，所述方法采用两级调度过程，通过跨域管控中心对各个独立域的测控网络资源进行统一协调与调度；在两级调度过程中，第一级调度过程通过跨域管控中心从各个独立域管控中心处获取对应的测控网络资源使用状态，同时依据任务目标的可见窗口和各个独立域的负载情况，生成一级调度结果；一级调度结果包括被选择的测控网络以及其中的候选测控节点；第二级调度过程由各个独立域管控中心依据一级调度结果与本地维护资源状态的结合，进行调度设计，形成最终调度方案。

进一步的，第一级调度过程包括多个子过程，分别为：跨域需求预处理、各域可用资源汇总、可见窗口预处理、一级调度结果解算和单域资源需求生成。

进一步的，第二级调度过程中，各个独立域管控中心对应接收跨域管控中心下发的单域资源需求；第二级调度过程包括多个子过程，分别为：单域冲突消解、单域规划结果反馈和跨域调度结果汇总；其中，单域冲突消解和单域规划结果反馈在各个独立域管控中心实施，跨域调度结果汇总在跨域管控中心实施。

综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

(1)实现高效的跨域协同：本发明通过设计的调度机制，成功打破了传统跨域测控中资源调度的壁垒，有效协调不同域之间的测控资源。这使得即使在非本域范围内，也能灵活调用其他域的测控资源，为各类测控目标提供无缝测控通信服务，极大拓宽了测控任务的执行范围和灵活性。

(2)优化的分级调度策略：引入的两级调度体系是本发明的核心。第二级调度紧密衔接第一级调度结果，通过细化规划与优化，显著提升了单次调度的成功率。这一策略不仅减少了调度过程中不必要的反复和冗余操作，还有效减轻了跨域管控中心与各个域网络中心间的信息交换负担，促进了调度决策的高效传递与执行。

(3)增强的任务满足度与响应速度：本发明的分级资源调度方法，在确保高任务完成度的同时，加速了调度结果的生成过程。这意味着面对复杂多变的跨域测控任务需求，系统能够迅速做出响应，提供高度匹配的资源分配方案，从而保证了测控任务的及时性和有效性。

(4)兼容性与无侵入性设计：尤为重要的是，本发明的解决方案充分考虑了现有各域系统的现状，确保了与各域自身调度规划过程的完美兼容。在不干扰或改动各域现有测控任务的前提下，平滑融入跨域测控功能，实现了对既有资源的最大化利用和未来扩展性的预留，降低了实施成本并增强了系统的稳定性和持续运行能力。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程简述图；

图2为本发明所应用的跨域测控网络的架构示意图；

图3为本发明中跨域测控网络的分级资源调度示意图；

图4为本发明中第一级调度资源分配流程的示意图之一；

图5为本发明中第一级调度资源分配流程的示意图之二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种跨域测控网络分级资源调度方法，图1示出了该方法的流程简介，在该方法中采用了两级调度过程，并通过跨域管控中心对各个独立域的测控网络资源进行统一协调与调度。

在两级调度过程中，第一级调度过程通过跨域管控中心从各个独立域管控中心处获取对应的测控网络资源使用状态，同时依据任务目标的可见窗口和各个独立域的负载情况，生成一级调度结果；一级调度结果包括被选择的测控网络以及其中的候选测控节点。

第二级调度过程由各个独立域管控中心依据一级调度结果与本地维护资源状态的结合，进行调度设计，形成最终调度方案。

如图2所示，跨域管控中心与各个独立域的测控网络资源管控中心之间，可构建管控面数据接口，各个独立域的测控网络资源管控中心之间则按其他需求可选择的构建相应接口。

跨域管控中心负责受理来自不同用户的跨域测控任务，并完成第一级调度，生成单域资源需求后下发至对应独立域管控中心及其设备。

各个独立域管控中心负责受理来自跨域管控中心的单域资源需求以及对应的跨域任务相关信息，对其中涉及的调度规划结果完成第二级调度，再将第二级调度过程的规划结果向跨域管控中心反馈。

本实施例中，第一级调度过程包括多个子过程，分别为：跨域需求预处理、各域可用资源汇总、可见窗口预处理、一级调度结果解算和单域资源需求生成。

在跨域需求预处理子过程中，跨域管控中心对接收到的跨域用户申请进行汇总，形成需求集；对需求集进行解析整理后，得到任务规划目标集合、任务规划起止时间、各个优先级目标任务时长需求和任务约束需求。

在各域可用资源汇总子过程中，跨域管控中心接收各个独立域测控网络资源空闲情况的上报信息，并将上报信息汇总；上报信息包括可用测控站资源信息、可用测控资源服务范围信息和测控资源能力信息。

在可见窗口预处理子过程中，跨域管控中心依据任务规划起止时间、任务目标轨道/航迹预测数据、可用测控资源服务范围信息和可用测控站资源信息，计算参与规划的任务目标对于每类测控资源的可见时间，再依据任务约束需求对可见时间对应窗口进行筛选，得到各个任务目标对于每类测控资源的实际可用时间，实际可用时间对应的窗口即为可见窗口。

作为本实施例的优选，在一级调度结果解算子过程中，跨域管控中心以一个任务目标序列和一组可见窗口序列为输入，计算任务目标函数值及其对应的结果。

一级调度结果解算的具体过程如下：

依据任务目标序列，依次选择任务目标开始规划，依据可见窗口序列的序号进行分配；按照任务目标的可见窗口序列，依次判断可见窗口是否可以分配给当前任务目标，若可以，则分配可见窗口，并对所分配可见窗口所在规划周期的其它所有可见窗口进行冲突校验，对出现冲突的可见窗口进行冲突消解操作；

依次进行当前时间段内的可见窗口分配，直至满足时效性约束后，进入下一时间段周期，并以此类推持续执行；在当前任务目标的所有时间段周期均满足时效性约束，或者已无可见窗口进行分配后，按照任务目标序列，进入下一个任务目标；

当所有任务目标均完成可见窗口分配后，进入再次分配过程，依据任务目标序列，选择任务目标，将当前可见窗口序列的最前一个可分配可见窗口分配给当前任务目标，然后进行当前任务目标的其它所有未分配可见窗口的冲突校验和冲突消解；

紧接着判断当前任务目标是否满足各个任务时长需求，若满足，则当存在其它任务目标未能满足各自的需求时，不再为当前任务目标继续分配可见窗口；随后进入下一个任务目标的再次分配过程，为其分配可见窗口，进行冲突校验和冲突消解，并判断是否满足需求；

以此类推持续执行再次分配过程，直至所有任务目标均完成可分配可见窗口的分配，或者所有任务目标的各个任务时长需求都满足后，一级调度结果解算终止。

第一级调度过程的最后，在单域资源需求生成子过程中，跨域管控中心依据解算出的一级调度结果，将跨域测控资源到可见窗口粒度的使用需求，按照各个独立域测控网络来进行提取整合，从而生成单域资源需求，并将单域资源需求下发至各个对应的独立域管控中心及其设备，进行后续处理。

本实施例的第二级调度过程中，各个独立域管控中心对应接收跨域管控中心下发的单域资源需求；第二级调度过程包括多个子过程，分别为：单域冲突消解、单域规划结果反馈和跨域调度结果汇总；其中，单域冲突消解和单域规划结果反馈在各个独立域管控中心实施，跨域调度结果汇总在跨域管控中心实施。

在单域冲突消解子过程中，依据对应接收的单域资源需求，将来自跨域管控中心的跨域任务调度规划结果与本独立域任务目标现有规划方案进行统筹，对统筹中产生冲突的可见窗口进行冲突消解，得到兼顾跨域任务需求的本域最佳调度规划。

具体而言，在进行冲突消解时，优先保持跨域任务调度规划结果不变，对产生冲突的本域任务目标进行重新调度分配。

在单域规划结果反馈子过程中，各个独立域管控中心依据得出的本域最佳调度规划，形成第二级调度过程的规划结果，并向跨域管控中心反馈；第二级调度过程的规划结果仅包含经过冲突消解后的跨域任务调度规划结果及其是否经过修订的确认信息。

最后，在跨域调度结果汇总子过程中，跨域管控中心依据各个独立域管控中心反馈的跨域任务调度规划结果及其是否经过修订的确认信息进行统一汇总，形成最终的跨域资源调度方案。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例对跨域测控网络分级资源调度方法的具体实现流程做一个示例性的说明介绍，如图3所示，其流程具体如下：

(1)跨域管控中心接收跨域资源需求；

(2)跨域管控中心依据可用资源集合、资源任务能力、QoS保障需求等输入，进行跨域资源的第一级调度；

(3)基于第一级调度结果，生成单域的测控资源需求；

(4)航天器测控中心、无人机测控中心、无人艇测控中心等各独立域管控中心依据接收的跨域测控资源需求输入，统筹进行第二级调度，并将第二级的调度规划结果反馈至跨域管控中心；

(5)跨域管控中心依据各域中心反馈结果，统一汇总后生成跨域资源调度计划；

(6)输出天、空、地、海资源使用方案，完成跨域测控网络分级资源调度。

实施例3

在上述实施例的基础上，本实施例具体介绍跨域测控网络分级资源调度方法中第一级调度的策略算法，可同步参看图4和图5的整体流程示意。

1、调度输入

过境目标集合，其总数为；测控资源集合，其总数为。

对于某测控资源，目标的入境可见窗口集合，其总数为；对于每一个可见窗口，以为例，，其中为可见窗口的起始时间（即目标的入境时间）；为可见窗口的结束时间（即目标的出境时间）；为可见窗口周期序号，为可见窗口的序列号。

此外，输入还包括总规划时间段；每个目标的任务时长需求，其中代表起始时间标志，代表结束时间标志；目标序号，其总数为；目标的可见窗口序号，其总数为；同时输入有测控资源任务能力表、冗余系数、优先模式信息和申请子项集合。

2、调度输出

目标的任务集合，以目标为例，，其总数为。对于任务，其中为任务开始时间，为结束时间，为接收任务的测控资源；输出还包括目标函数值。

3、调度步骤

#1 依据输入的目标序列，得到待规划目标列表；

#2 依次选择中优先级最高的目标，依据该目标的周期序号，选择第一个周期开始规划；

#3 判断该周期内是否存在未分配可见窗口，若存在，进入步骤#4；否则进入步骤#7；

#4 依据输入的该目标可见窗口序列，判断下一条可见窗口是否可以分配；若可以分配，则分配并标注后进入步骤#5；否则将该可见窗口标记为不可分配，再进入步骤#3；

#5 若该周期目标可见窗口列表内存在其它未分配可见窗口，则对该可见窗口进行冲突校验，对该周期可见窗口集合中可见窗口冲突部分进行冲突消解；

#6 判断该周期已分配可见窗口是否满足时效性约束，若满足，进入步骤#8；否则进入步骤#3；

#7 标记该周期不满足时效性约束，进入步骤#8；

#8 若还存在下一个周期，周期++，进入步骤#3；否则进入步骤#9；

#9 判断是否完成所有目标规划，若完成，进入步骤#10；否则进入步骤#18；

#10 是否满足所有用户需求，是则进入步骤#22；否则进入步骤#11；

#11 依据目标序列依次选择目标，整理该目标所有未分配可见窗口并将可见窗口周期标注为相同；

#12 判断该目标是否满足总时长需求，是则进入步骤#13，否则进入步骤#14；

#13 判断是否存在不满足总时长需求的测控资源，是则进入步骤#17；否则进入步骤#14；

#14 该目标是否还有未分配可见窗口，是则进入步骤#15；否则进入步骤#19；

#15 判断下一可见窗口可否分配，是则进入步骤#16；否则进入步骤#20；

#16 分配并标注可见窗口，对该周期可见窗口集合中可见窗口冲突部分进行冲突消解；

#17 目标++，进入步骤#10；

#18 目标++，进入步骤#2；

#19 记录该目标分配任务总时长、测控、数传任务总时长，进入步骤#17；

#20 标记该可见窗口无法分配，进入步骤#14；

#21 对于所有目标是否存在未分配可见窗口，是则进入步骤#11；否则进入步骤#22；

#22 计算目标函数值；

#23 输出分配方案和目标函数值；

#24 调度策略算法步骤结束。

Claims (10)

1.一种跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：所述方法采用两级调度过程，通过跨域管控中心对各个独立域的测控网络资源进行统一协调与调度；在两级调度过程中，第一级调度过程通过跨域管控中心从各个独立域管控中心处获取对应的测控网络资源使用状态，同时依据任务目标的可见窗口和各个独立域的负载情况，生成一级调度结果；第二级调度过程由各个独立域管控中心依据一级调度结果与本地维护资源状态的结合，进行调度设计，形成最终调度方案。

2.根据权利要求1所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：一级调度结果包括被选择的测控网络以及其中的候选测控节点。

3.根据权利要求1所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：第一级调度过程包括多个子过程，分别为：跨域需求预处理、各域可用资源汇总、可见窗口预处理、一级调度结果解算和单域资源需求生成。

4.根据权利要求3所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：在跨域需求预处理子过程中，跨域管控中心对接收到的跨域用户申请进行汇总，形成需求集；对需求集进行解析整理后，得到任务规划目标集合、任务规划起止时间、各个优先级目标任务时长需求和任务约束需求；

在各域可用资源汇总子过程中，跨域管控中心接收各个独立域测控网络资源空闲情况的上报信息，并将上报信息汇总；上报信息包括可用测控站资源信息、可用测控资源服务范围信息和测控资源能力信息；

在可见窗口预处理子过程中，跨域管控中心依据任务规划起止时间、任务目标轨道/航迹预测数据、可用测控资源服务范围信息和可用测控站资源信息，计算参与规划的任务目标对于每类测控资源的可见时间，再依据任务约束需求对可见时间对应窗口进行筛选，得到各个任务目标对于每类测控资源的实际可用时间，实际可用时间对应的窗口即为可见窗口。

5.根据权利要求4所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：在一级调度结果解算子过程中，跨域管控中心以一个任务目标序列和一组可见窗口序列为输入，计算任务目标函数值及其对应的结果。

6.根据权利要求5所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于，一级调度结果解算的具体过程如下：

依据任务目标序列，依次选择任务目标开始规划，依据可见窗口序列的序号进行分配；按照任务目标的可见窗口序列，依次判断可见窗口是否可以分配给当前任务目标，若可以，则分配可见窗口，并对所分配可见窗口所在规划周期的其它所有可见窗口进行冲突校验，对出现冲突的可见窗口进行冲突消解操作；

依次进行当前时间段内的可见窗口分配，直至满足时效性约束后，进入下一时间段周期，并以此类推持续执行；在当前任务目标的所有时间段周期均满足时效性约束，或者已无可见窗口进行分配后，按照任务目标序列，进入下一个任务目标；

当所有任务目标均完成可见窗口分配后，进入再次分配过程，依据任务目标序列，选择任务目标，将当前可见窗口序列的最前一个可分配可见窗口分配给当前任务目标，然后进行当前任务目标的其它所有未分配可见窗口的冲突校验和冲突消解；

紧接着判断当前任务目标是否满足各个任务时长需求，若满足，则当存在其它任务目标未能满足各自的需求时，不再为当前任务目标继续分配可见窗口；随后进入下一个任务目标的再次分配过程，为其分配可见窗口，进行冲突校验和冲突消解，并判断是否满足需求；

以此类推持续执行再次分配过程，直至所有任务目标均完成可分配可见窗口的分配，或者所有任务目标的各个任务时长需求都满足后，一级调度结果解算终止。

7.根据权利要求6所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：在单域资源需求生成子过程中，跨域管控中心依据解算出的一级调度结果，将跨域测控资源到可见窗口粒度的使用需求，按照各个独立域测控网络来进行提取整合，从而生成单域资源需求，并将单域资源需求下发至各个对应的独立域管控中心及其设备，进行后续处理。

8.根据权利要求1所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：第二级调度过程中，各个独立域管控中心对应接收跨域管控中心下发的单域资源需求；第二级调度过程包括多个子过程，分别为：单域冲突消解、单域规划结果反馈和跨域调度结果汇总；其中，单域冲突消解和单域规划结果反馈在各个独立域管控中心实施，跨域调度结果汇总在跨域管控中心实施。

9.根据权利要求8所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：在单域冲突消解子过程中，依据对应接收的单域资源需求，将来自跨域管控中心的跨域任务调度规划结果与本独立域任务目标现有规划方案进行统筹，对统筹中产生冲突的可见窗口进行冲突消解，得到兼顾跨域任务需求的本域最佳调度规划；

在进行冲突消解时，优先保持跨域任务调度规划结果不变，对产生冲突的本域任务目标进行重新调度分配。

10.根据权利要求8所述的跨域测控网络分级资源调度方法，其特征在于：在单域规划结果反馈子过程中，各个独立域管控中心依据得出的本域最佳调度规划，形成第二级调度过程的规划结果，并向跨域管控中心反馈；第二级调度过程的规划结果仅包含经过冲突消解后的跨域任务调度规划结果及其是否经过修订的确认信息；

在跨域调度结果汇总子过程中，跨域管控中心依据各个独立域管控中心反馈的跨域任务调度规划结果及其是否经过修订的确认信息进行统一汇总，形成最终的跨域资源调度方案。