CN108988933A - 一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法，针对多接收站数据接收窗口对多观测卫星联合优化分配问题，采取遍历整个解空间而获得最优解的方法，该方法首先对单接收站数据接收窗口进行聚类处理形成冲突组，并生成冲突组内的分配方案；其次对接收站内和接收站之间的冲突组分配方案组合生成一种全局的数据接收资源分配方案；然后在卫星接收资源均衡和接收站负载均衡准则下筛除不合理的分配组合；最后基于任务安排率选取最优分配方案，该方法具有全局最优、资源利用率高等特点，适应于解决计算资源充足条件下的大规模卫星数据接收资源最优化分配问题或解决计算资源有限条件下的小规模卫星数据接收资源最优化分配问题。

Description

一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于冲突组和任务安排率的卫星数据接收窗口全局优化分配方法，特别适用于计算资源充足条件下的大规模卫星数据接收资源最优化分配领域或解决计算资源有限条件下的小规模卫星数据接收资源最优化分配领域。

背景技术

航天任务规划在整个观测卫星业务应用过程中起着关键的作用，根据观测任务实现对观测卫星资源和数据接收资源的有效分配与调度，以最大限度地完成用户提交的观测需求，其结果直接影响到观测卫星***的任务执行效果。

本发明主要涉及数据接收资源的优化分配与调度。根据观测任务、卫星资源、接收站资源，首先计算卫星资源与接收站资源的数据接收窗口，然后对所有数据接收窗口进行联合分配与调度，生成无冲突的接收窗口优化分配方案。数据接收资源分配问题可建模为优化问题，可采用各种优化算法进行求解。优化算法本质上可分为最优化算法、基于规则的启发式算法和智能优化算法，最优化算法具有时间复杂度高、能够得到最优解的特点，以往限于计算资源通常解决小规模的优化问题，目前随着并行计算、云计算技术的成熟应用，最优化方法的应用规模正在逐步增大；基于规则的启发式算法具有简单、直观、便于实现、运行效率高等特点，但一般得不到最优解；智能优化算法有模拟退火算法、禁忌搜索算法、遗传算法等，在求解组合优化问题方面具有较强的能力，时间复杂度介于最优化算法和启发式算法之间，一般也得不到最优解。

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基于规则的启发式算法和智能优化算法不足之处而提供一种基于冲突组和任务安排率的卫星数据接收窗口最优化分配方法。本发明具有资源利用率高、能够得到最优解、求解过程可并行运行等特点。

本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的：

一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法，包括以下步骤：

(1)根据卫星轨道根数和接收站地理位置计算数据接收窗口，加载卫星观测任务；

(2)针对单接收站数据接收窗口进行聚类处理，生成冲突组以及冲突组内分配方案；

(3)每个接收站之内冲突组分配方案之间组合生成单接收站分配方案，多个接收站分配方案之间组合生成全局分配方案；

(4)在卫星数据接收资源均衡和接收站负载均衡准则下，在全局分配方案中筛除不合理的分配方案；

(5)针对剩余全局分配方案中的每个分配方案，按卫星在观测任务与数据接收窗口之间建立映射关系；

(6)计算每个全局分配方案中的每颗卫星任务安排率，在卫星任务安排率均衡准则下选取最优全局分配方案；

完成卫星数据接收窗口优化分配。

其中，步骤(3)具体为：

在一次数据接收窗口分配周期内的所有接收站组合的全局分配方案数量N为：

其中，m_j为第j个接收站对应的冲突组数；为第j个接收站的第i个冲突组对应的分配方案数；M_j为第j个接收站对应的分配方案数；j＝1,2,…,l；i＝1,2,…,m_j；l为接收站的个数。

其中，步骤(6)中在卫星任务安排率均衡准则下选取最优全局分配方案具体为：

首先在卫星任务安排率均衡准则下，选取满足如下条件的全局分配方案

其中，代表第p个分配方案中第k个卫星的任务安排率，D(·)代表方差，其值越小说明卫星之间的数据接收资源分配越公平，s代表卫星总数，δ代表阈值；

假设满足上述条件的分配方案数为N″个，从N″个组合中选择满足下式

的分配方案为最优全局分配方案。

本发明与背景技术中相比具有如下优点：

1、本发明在整个解空间中搜索最优解，能够实现对数据接收资源的最优化利用；

2、本发明从实际应用的角度出发，在数据接收资源分配过程中考虑了单星数据接收资源下限与单接收站接收负载上限；

3、本发明中的冲突组内分配方案生成、接收站内分配方案生成、接收站间全局分配方案生成、任务安排率计算等过程均可以并行处理，能够降低寻优过程中的时间复杂度；

附图说明

图1为本发明所有接收站对应的全局分配方案；

图2为本发明单接收站内的冲突组分布情况

图3为本发明一个冲突组内的局部分配方案；

图4为本发明单接收站对应的局部分配方案；

图5为本发明单星观测任务与数据接收窗口之间的映射关系。

具体实施方式

下面，结合图1至图5对本发明作进一步说明。

一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法，包括以下步骤：

(1)根据卫星轨道根数和接收站地理位置计算数据接收窗口，加载卫星观测任务。

(2)针对单接收站数据接收窗口进行聚类处理，生成冲突组以及冲突组内分配方案。假设每个接收站只有一部数传接收天线且最短相邻接收窗口间隔为ΔT。针对同一接收站，若相邻接收窗口之间的间隔小于ΔT则归为一个接收窗口冲突组。那么，相邻两个冲突组之间的间隔大于等于ΔT，也即相邻冲突组之间的接收窗口分配不会相互影响，如图2所示。针对每个冲突组，在首次分配的接收窗口最大化使用准则下可得出若干分配方案，以图2中的冲突组1为例，存在a、b、c、d、e等五种分配方案，如图3所示，图3中深色接收窗口为冲突消解后最终分配的窗口。

(3)每个接收站之内冲突组分配方案之间组合生成单接收站分配方案，多接收站分配方案之间组合生成全局分配方案，假设有l个接收站，第j(j＝1,2,…,l)个接收站对应的冲突组数为m_j个，第j个接收站的第i(i＝1,2,…,m_j)个冲突组对应的分配方案数为n_i ^j个。那么，在一次接收窗口分配周期内的所有接收站组合生成的全局分配方案数量N为：

这里M_j为第j(j＝1,2,…,l)个接收站对应的分配方案数。第j个接收站对应的局部分配方案组合如图4所示，其中代表第u个(u＝1,2,…,m_j)个冲突组中的第v个分配方案，图中一条完整的路径(包含m_j个圆圈)代表第j个接收站的一种分配方案；所有接收站对应的全局分配方案组合如图1所示，其中代表第x(x＝1,2,…,l)个接收站的第y(y＝1,2,…,M_l)个分配方案，一条完整的路径(包含l个圆圈)代表所有接收站的一种全局分配方案。

(4)在卫星接收资源均衡和接收站负载均衡准则下，在全局分配方案中筛除不合理的分配方案。针对上述所有N个全局分配方案中的每个分配方案，首先计算单星获得的接收窗口总长度(k＝1,2,…,s，这里s代表卫星总数，p＝1,2,…,N)，若一个卫星同时获得了多个接收站的接收窗口，此时需要对重叠的时间窗口进行去重复处理，也即同一时刻一个卫星仅对一个接收站进行数传；然后，计算单接收站需要完成的接收窗口总长度(j＝1,2,…,l，p＝1,2,…,N)。假定在一个接收窗口分配周期内单星接收窗口下限为Sat_min，单接收站接收窗口上限为Sta_max，那么满足如下条件之一的全局分配方案认为是不合理的组合，筛除掉：

条件1，

条件2，

经筛除后剩余的全局分配方案数设为N′，显然N′≤N。

(5)针对剩余N′个全局分配方案中的每个分配方案，按卫星在观测任务与接收窗口之间建立映射关系。单星观测任务与数据接收窗口之间的映射关系按时间顺序从前往后依次处理，如图5所示，图中观测任务1、2在接收窗口A中回放，观测任务3、4、5在接收窗口B中回放，观测任务6、7、8、9在接收窗口C中回放，观测任务10未安排回放。

(6)计算每个全局分配方案中的每颗卫星任务安排率：

这里c^k代表第k(k＝1,2,…,s)个卫星的观测任务数，代表第p个分配方案中第k个卫星的已安排回放的观测任务数，代表第p个分配方案中第k个卫星的任务安排率，显然然后，首先在卫星任务安排率均衡准则下，选取满足如下条件的全局分配方案

这里D(·)代表方差，其值越小说明卫星之间的接收资源分配越公平，δ代表阈值，在实际工程应用中视情取值。假设满足上述条件的分配方案数为N″(N″≤N′)个，然后再从N″个组合中选择满足

的分配方案为最优全局分配方案。

Claims (3)

1.一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据卫星轨道根数和接收站地理位置计算数据接收窗口，加载卫星观测任务；

(2)针对单接收站数据接收窗口进行聚类处理，生成冲突组以及冲突组内分配方案；

(3)每个接收站之内冲突组分配方案之间组合生成单接收站分配方案，多个接收站分配方案之间组合生成全局分配方案；

(4)在卫星数据接收资源均衡和接收站负载均衡准则下，在全局分配方案中筛除不合理的分配方案；

(5)针对剩余全局分配方案中的每个分配方案，按卫星在观测任务与数据接收窗口之间建立映射关系；

(6)计算每个全局分配方案中的每颗卫星任务安排率，在卫星任务安排率均衡准则下选取最优全局分配方案；

完成卫星数据接收窗口优化分配。

2.根据权利要求1所述的一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法，其特征在于：步骤(3)具体为：

在一次数据接收窗口分配周期内的所有接收站组合的全局分配方案数量N为：

其中，m_j为第j个接收站对应的冲突组数；为第j个接收站的第i个冲突组对应的分配方案数；M_j为第j个接收站对应的分配方案数；j＝1,2,…,l；i＝1,2,…,m_j；l为接收站的个数。

3.根据权利要求1所述的一种卫星数据接收窗口全局优化分配方法，其特征在于：步骤(6)中在卫星任务安排率均衡准则下选取最优全局分配方案具体为：

在卫星任务安排率均衡准则下，选取满足如下条件的全局分配方案

其中，代表第p个分配方案中第k个卫星的任务安排率，D(·)代表方差，其值越小说明卫星之间的数据接收资源分配越公平，s代表卫星总数，δ代表阈值；

假设满足上述条件的分配方案数为N″个，从N″个组合中选择满足下式

的分配方案为最优全局分配方案。