CN106059652A - 一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，针对多地面站接收资源对多观测卫星联合优化分配问题，考虑观测任务持续到来且任务时效性要求高的卫星对地观测需求，设计了一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，该方法首先分配非冲突资源，然后对实传和指定地面站的任务按优先级由高到低依次分配冲突接收资源，最后基于最小任务满足率卫星优先原则分配冲突接收资源，该方法具有判断逻辑简单、资源利用率高、时间复杂度低等特点，尤其具备应对应急和复杂业务变化的能力。

Description

一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法

技术领域

本发明涉及一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，特别适用于多地面站接收资源对多观测卫星快速联合优化分配领域。

背景技术

航天对地观测***包括多个观测卫星和多个地面数据接收站，卫星运行轨道、地面站地理位置等因素导致多星对单站同时可见、单星对多站同时可见的现象，与此同时，观测任务与地面接收资源在时间轴上的非均匀分布导致观测任务与资地面接收源之间的匹配难度增大，如何将多个地面站接收资源合理、高效地分配给多个观测卫星是航天地面任务管控中的核心业务和难点所在。

卫星数据接收资源联合分配的目的是合理安排地面接收资源，最大限度地完成卫星数据接收任务。卫星数据接收资源联合分配问题可看成是多目标优化问题，通常可采用遗传算法、模拟退火算法和蚁群算法等求优化解，上述算法虽然通过遍历整个解空间的方法能够得到较满意的优化解，但一方面其时间复杂度高，另一方面如果过多考虑用户使用偏好时算法模型异常复杂，实际工程应用难度大。

发明内容

本发明所需解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法。本发明具有判断逻辑简单、资源利用率高、时间复杂度低等特点。

本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的：

一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加载卫星观测任务和地面接收资源，初始化地面接收资源状态；

(2)将地面接收资源进行分类，一类为非冲突地面接收资源，另一类为冲突地面接收资源；

(3)给与非冲突地面接收资源相对应卫星的观测任务分配非冲突地面接收资源，更新地面接收资源状态；

(4)按与冲突地面接收资源相对应卫星的实传观测任务和指定地面站的回放任务的优先级由高到低对冲突地面接收资源进行分配；对未分配的冲突地面接收资源进行冲突消解，得到可用冲突地面接收资源和不可用冲突地面接收资源，不可用冲突地面接收资源不进行分配，更新地面接收资源状态；

(5)计算所有卫星的任务满足率，未分配的可用冲突地面接收资源按卫星之间任务满足率最小卫星优先分配原则和卫星之内基准窗口先前向遍历再后向遍历的原则进行分配，更新地面接收资源状态；

(6)循环步骤(5)直至所有卫星任务满足率大于等于一、所有卫星无接收资源可分或一部分卫星任务满足率大于等于一且剩余部分卫星无接收资源可分；

完成卫星数据接收资源联合分配。

其中，步骤(4)中地面接收资源的冲突消解采取裁剪或冻结操作，具体为：

设定相邻两个冲突接收资源的起始时间为t_is、结束时间为t_ie，长度为ΔT_i′，其中i＝1,2，且最小可用数传窗口长度设为ΔT_m′_in；以一个接收资源窗口为基准，往前推一个最小相邻接收资源间隔ΔT时，前面的窗口将被裁剪，其裁剪后的长度为ΔT₁″，则ΔT₁″＝t_2s-ΔT-t_1s，如果ΔT₁″≥ΔT_m′_in，则资源状态置为未分配，在后续接收资源分配过程中还可使用，为裁剪操作；如果ΔT₁″＜ΔT_m′_in，则裁剪后的窗口无法再使用，将整个资源窗口状态置为冻结即不可用状态，为冻结操作。

其中，步骤(5)中卫星之间任务满足率最小卫星优先分配原则和卫星之内按基准窗口先前向遍历再后向遍历原则分配冲突地面接收资源，具体为：

选取任务满足率最小的卫星，判断该卫星是否为首次基于任务满足率最小分配原则分配冲突地面接收资源，若是则首先分配该星最后执行观测任务之后紧邻的可行的接收资源，确定该接收资源窗口为基准窗口；若不是则在满足星上载荷动作时间间隔约束条件下，先从基准窗口前向遍历分配一个接收资源，若基准窗口之前已无接收资源则从基准窗口后向遍历分配一个接收资源，被分配的接收资源状态置为已分配，与被分配资源对应的冲突地面接收资源进行相应的裁剪或冻结操作。

本发明与背景技术中接收资源联合优化求解算法相比具有如下优点：

1、本发明在分配冲突接收资源时不仅考虑了冻结操作还考虑了窗口的裁剪操作，提高了资源利用率；

2、本发明在任务满足率准则下考虑了星上动作约束，即能够均衡星间资源使用量，又能够提高了星内资源使用率；

3、本发明具有快速联合分配能力，满足应急常态化使用需求；

4、本发明还具有逻辑清晰易懂，灵活度高等优点。

附图说明

图1为一次接收资源联合分配过程和结果示意。

图2为多个卫星对单地面站的接收资源分布示意。

图3为非冲突地面接收资源分配示意。

图4为冲突资源分配中的裁剪和冻结操作示意。

图5为冲突接收资源裁剪操作示意(一)。

图6为冲突接收资源裁剪操作示意(二)。

具体实施方式

下面，结合图1至图6对本发明作进一步说明。

一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)加载卫星观测任务和地面接收资源，初始化地面接收资源状态，将地面接收资源窗口设置为未分配状态；

(2)假设每个地面站只有一部数传接收天线且最短相邻接收资源间隔为ΔT，针对同一地面站多个卫星，对地面接收资源进行分类处理，一类为非冲地面突接收资源，该类资源与其相邻的前后接收资源之间的间隔不小于ΔT；另一类为冲突地面接收资源，该类资源与其相邻的前后接收资源之间的间隔小于ΔT，如图2所示；

(3)给与非冲突地面接收资源相对应卫星的观测任务分配非冲突地面接收资源，更新地面接收资源状态；如图3所示；

(4)按与冲突地面接收资源相对应卫星的实传观测任务和指定地面站的回放任务的优先级由高到低对冲突地面接收资源进行分配；被分配的接收资源状态置为已分配，对未分配的冲突地面接收资源与被分配资源对应的冲突地面接收资源进行相应的冻结或裁剪操作，如图4所示，设定相邻两个冲突接收资源的起始时间为t_is、结束时间为t_ie，长度分别为ΔT_i′，(i＝1,2)且最小可用数传窗口长度设为ΔT_m′_in。以后面的接收窗口为基准，往前推一个地面站数传时间间隔ΔT时，前面的窗口将被裁剪，假设其裁剪后的长度为ΔT₁″，如图5所示，那么

ΔT₁″＝t_2s-ΔT-t_1s

如果ΔT₁″≥ΔT_m′_in，则资源状态置为未分配，后续接收资源分配时还可使用，如果ΔT₁″＜ΔT_m′_in，则裁剪后的窗口无法再使用，对其进行冻结操作；若以前面的接收窗口为基准，操作过程相似，如图6所示；得到可用冲突地面接收资源和不可用冲突地面接收资源，不可用冲突地面接收资源不进行分配，更新地面接收资源状态；

(5)计算每个卫星的任务满足率i＝1,2，…,n，(α_i代表当前时刻第i个卫星任务满足率，该值仅针对回放任务，实传任务不参与计算，n为卫星数量)，这里T_i′代表当前时刻第i个卫星已分配到的总数传时间，其中ΔT_ij′代表第i个卫星第j个数传窗口时长，Q_i代表当前时刻第i个卫星已分配到的数传窗口数；T_i代表当前时刻第i个卫星任务总回放时间，其中ΔT_ij代表第i个卫星第j个任务的成像时长，R_ij代表第i个卫星第j个任务的录放比，P_i代表当前时刻第i个卫星任务数；比较并选取任务满足率α_i最小的卫星，判断该卫星是否为首次基于任务满足率最小分配原则，分配冲突地面接收资源，若是则首先分配该星最后执行观测任务之后紧邻的可行的接收资源，确定该接收资源窗口为基准窗口；若不是则在满足星上载荷动作时间间隔约束条件下，先从基准窗口前向遍历分配一个可行的接收资源，若基准窗口之前已无接收资源则从基准窗口后向遍历分配一个可行的接收资源，被分配的接收资源状态置为已分配，与被分配资源对应的冲突地面接收资源进行相应的裁剪或冻结操作，如图4所示；

(6)循环步骤(5)判断该卫星是否满足如下三个条件之一：1)所有卫星任务满足率大于等于一；2)所有卫星无接收资源可分；3)一部分卫星任务满足率大于等于一且剩余部分卫星无接收资源可分，若是则终止该星接收资源分配，若不满足则循环步骤(5)，图1所示的是一次接收资源联合分配结果，其中接收资源的分配顺序依次为A-B-C-……-J-K。

Claims (3)

1.一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加载卫星观测任务和地面接收资源，初始化地面接收资源状态；

(2)将地面接收资源进行分类，一类为非冲突地面接收资源，另一类为冲突地面接收资源；

(3)给与非冲突地面接收资源相对应卫星的观测任务分配非冲突地面接收资源，更新地面接收资源状态；

(4)按与冲突地面接收资源相对应卫星的实传观测任务和指定地面站的回放任务的优先级由高到低对冲突地面接收资源进行分配；对未分配的冲突地面接收资源进行冲突消解，得到可用冲突地面接收资源和不可用冲突地面接收资源，不可用冲突地面接收资源不进行分配，更新地面接收资源状态；

(5)计算所有卫星的任务满足率，未分配的可用冲突地面接收资源按卫星之间任务满足率最小卫星优先分配原则和卫星之内基准窗口先前向遍历再后向遍历的原则进行分配，更新地面接收资源状态；

(6)循环步骤(5)直至所有卫星任务满足率大于等于一、所有卫星无接收资源可分或一部分卫星任务满足率大于等于一且剩余部分卫星无接收资源可分；

完成卫星数据接收资源联合分配。

2.根据权利要求1所述的一种启发式快速卫星数据接收资源联 合分配方法，其特征在于：步骤(4)中地面接收资源的冲突消解采取裁剪或冻结操作，具体为：

设定相邻两个冲突接收资源的起始时间为t_is、结束时间为t_ie，长度为ΔT′_i，其中i＝1,2，且最小可用数传窗口长度设为ΔT′_min；以一个接收资源窗口为基准，往前推一个最小相邻接收资源间隔ΔT时，前面的窗口将被裁剪，其裁剪后的长度为ΔT″₁，则ΔT″₁＝t_2s-ΔT-t_1s，如果ΔT″₁≥ΔT′_min，则资源状态置为未分配，在后续接收资源分配过程中还可使用，为裁剪操作；如果ΔT″₁＜ΔT′_min，则裁剪后的窗口无法再使用，将整个资源窗口状态置为冻结即不可用状态，为冻结操作。

3.根据权利要求1所述的一种启发式快速卫星数据接收资源联合分配方法，其特征在于：步骤(5)中卫星之间按任务满足率最小卫星优先分配原则和卫星之内按基准窗口先前向遍历再后向遍历原则分配冲突地面接收资源，具体为：

选取任务满足率最小的卫星，判断该卫星是否为首次基于任务满足率最小分配原则分配冲突地面接收资源，若是则首先分配该星最后执行观测任务之后紧邻的可行的接收资源，确定该接收资源窗口为基准窗口；若不是则在满足星上载荷动作时间间隔约束条件下，先从基准窗口前向遍历分配一个接收资源，若基准窗口之前已无接收资源则从基准窗口后向遍历分配一个接收资源，被分配的接收资源状态置为已分配，与被分配资源对应的冲突地面接收资源进行相应的裁剪或冻结操作。